Serbuk tungsten dan paduan tungsten memungkinkan pencetakan komponen dengan kepadatan tinggi dengan sifat mekanik dan termal yang sangat baik menggunakan laser powder bed fusion (LPBF) dan peleburan berkas elektron (EBM). Panduan ini memberikan ikhtisar tentang pencetakan 3D logam tungsten.
Pengantar Pencetakan 3D Tungsten
Tungsten adalah bahan yang unik untuk manufaktur aditif karena sifatnya:
- Kepadatan yang sangat tinggi - 19 g/cm3
- Kekerasan dan kekuatan tinggi
- Konduktivitas termal yang sangat baik
- Titik leleh tinggi 3422°C
- Kemampuan proses dan kemampuan mesin yang menantang
Aplikasi utama komponen tungsten cetak:
- Pelindung radiasi
- Komponen kedirgantaraan dan olahraga motor
- Perangkat radioterapi dan kolimator
- Implan medis seperti tiang gigi
- Komponen penyeimbang dan penyeimbang
- Kontak listrik dan elemen pemanas
Paduan tungsten umum untuk AM:
- Paduan berat tungsten dengan Ni, Fe, Cu, Co
- Karbida tungsten
- Oksida tungsten yang didoping kalium
Bubuk Tungsten Murni
Serbuk tungsten murni memberikan kepadatan tertinggi:
Properti:
- Kepadatan 19,3 g/cm3
- Pemblokiran dan pelindung radiasi yang sangat baik
- Kekerasan tinggi hingga 400 Hv
- Kekuatan hingga 1200 MPa
- Titik leleh 3422°C
- Konduktivitas listrik dan termal yang baik
Aplikasi:
- Pelindung radiasi medis
- Kolimator dan bukaan sinar-X
- Penyeimbang penerbangan
- Peredaman getaran dalam olahraga motor
- Kontak dan pemanas listrik
Pemasok: TRU Group, Buffalo Tungsten, Midwest Tungsten
Paduan Berat Tungsten
Paduan berat tungsten dengan nikel, besi, dan tembaga memberikan keseimbangan yang ideal antara kepadatan, kekuatan, dan keuletan:
Nilai umum:
- WNiFe (90W-7Ni-3Fe)
- WNiCu (90W-6Ni-4Cu)
- WNi (90W-10Ni)
Properti:
- Kepadatan 17-18 g/cm3
- Kekuatan hingga 1 GPa
- Ketahanan korosi dan keausan yang baik
- Kekuatan suhu tinggi
Aplikasi:
- Komponen otomotif dan olahraga motor
- Sistem kedirgantaraan dan pertahanan
- Bobot peredam getaran
- Pelindung radiasi
- Implan medis seperti tiang gigi
Pemasok: Sandvik, TRU Group, Nanosteel
Karbida Tungsten
Serbuk tungsten karbida mencetak komponen yang sangat tahan aus:
Jenis
- Logam keras WC-Co dengan kobalt 6-15%
- Karbida yang disemen WC-Ni
- Sermet WC-CoCr
Properti
- Kekerasan hingga 1500 HV
- Kekuatan tekan lebih dari 5 GPa
- Modulus Young yang tinggi
- Ketahanan abrasi dan erosi yang sangat baik
Aplikasi
- Alat pemotong dan mata bor
- Memakai suku cadang dan segel
- Komponen lapis baja balistik
- Alat pembentuk dan pencetak logam
Pemasok: Sandvik, Nanosteel, Buffalo Tungsten
Oksida Tungsten yang Didoping
Oksida tungsten yang didoping kalium seperti K2W4O13 memberikan sifat kelistrikan yang unik:
Karakteristik
- Perilaku semikonduktor
- Konduktivitas listrik yang dapat disesuaikan dengan tingkat doping
- Kepadatan tinggi hingga 9 g/cm3
- Stabilitas radiasi yang tinggi
Aplikasi
- Komponen elektronik dan listrik
- Elektroda, kontak, dan resistor
- Generator termoelektrik
- Detektor radiasi
Pemasok: Material Maju Inframat
Perbandingan Properti Material
| Bahan | Kepadatan (g/cm3) | Kekuatan (MPa) | Kekerasan (HV) | Tahanan Listrik (μΩ-cm) |
|---|---|---|---|---|
| Tungsten Murni | 19.3 | 850 | 260 | 5.5 |
| WNiFe | 18 | 1000 | 380 | 8.1 |
| WC-12Co | 15.5 | 2000 | 1300 | 60 |
| WO3 yang didoping K | 9 | – | – | 1-100 |
Metode Produksi Bubuk Tungsten
1. Pengurangan Hidrogen
- Proses yang paling umum dan ekonomis
- Tungsten oksida direduksi oleh hidrogen
- Morfologi bubuk yang tidak teratur
2. Spheroidisasi Plasma
- Memperbaiki bentuk dan daya alir bedak
- Dilakukan setelah reduksi hidrogen
- Memberikan kemurnian tinggi
3. Atomisasi Plasma
- Kebulatan dan aliran bubuk yang unggul
- Kontrol atas distribusi ukuran partikel
- Pengambilan oksigen lebih rendah daripada atomisasi gas
4. Sintesis Uap Kimia
- Serbuk tungsten berskala nano yang sangat halus
- Kemurnian tinggi dengan ukuran partikel kecil
- Digunakan untuk serbuk tungsten oksida
Teknologi Printer untuk Tungsten
Laser Powder Bed Fusion (LPBF)
- Laser serat daya tinggi> 400W
- Atmosfer argon lembam
- Kontrol kolam lelehan yang tepat sangat penting
Peleburan Berkas Elektron (EBM)
- Berkas elektron yang kuat > 3kW
- Lingkungan vakum tinggi
- Paling cocok untuk bahan yang sangat padat
Pengaliran Pengikat
- Pengikat perekat yang digunakan untuk menyatukan bubuk secara selektif
- Pasca-pemrosesan diperlukan untuk kepadatan penuh
- Kekuatan bagian yang lebih rendah dibandingkan dengan LPBF dan EBM
LPBF dan EBM memungkinkan pencetakan komponen tungsten dengan kepadatan tinggi.
Spesifikasi Teknis
Spesifikasi serbuk tungsten yang khas untuk AM:
| Parameter | Spesifikasi | Metode pengujian |
|---|---|---|
| Ukuran partikel | 15 - 45 mikron | Difraksi laser |
| Kepadatan yang tampak | 9 - 11 g/cc | Pengukur aliran aula |
| Kerapatan ketukan | 11 - 13 g/cc | ASTM B527 |
| Laju aliran | 25 - 35 s/50g | ASTM B213 |
| Kandungan oksigen | <100 ppm | Fusi gas inert |
| Kandungan karbon | <50 ppm | Analisis pembakaran |
| Kebulatan | 0.9 – 1 | Analisis gambar |
Mengontrol karakteristik serbuk, seperti distribusi ukuran partikel dan morfologi, sangat penting untuk cetakan dengan densitas tinggi.
Pengembangan Proses Cetak
Mengoptimalkan parameter proses LPBF untuk tungsten:
- Pemanasan awal untuk mengontrol keretakan - ketik. 100-150°C
- Daya laser tinggi> 400W dengan kontrol yang presisi
- Ketebalan lapisan kecil sekitar 20-30μm
- Strategi pemindaian untuk meminimalkan tekanan
- Pendinginan terkendali setelah pencetakan
Untuk EBM:
- Pemanasan hingga> 600°C untuk menyinter bubuk
- Arus sinar tinggi dengan ukuran titik kecil
- Kecepatan pemindaian yang lebih lambat untuk peleburan penuh
- Meminimalkan gradien termal
Cetakan uji diperlukan untuk mengkarakterisasi properti.
Pemasok dan Harga
| Pemasok | Nilai | Kisaran Harga |
|---|---|---|
| Grup TRU | W murni, WNiFe | $350 - $850/kg |
| Nanosteel | WC-Co, WNiFe | $450 - $1000/kg |
| Kerbau Tungsten | W murni, W-Cr | $250 - $750/kg |
| Inframat | WO3 yang didoping | $500 - $1500/kg |
| Sandvik | WC-Co, W-Ni-Cu | $300 - $800/kg |
- Biaya tungsten murni ~ $350 hingga $850 per kg
- Paduan berat berharga ~ $450 hingga $1000 per kg
- Oksida yang didoping hingga $1500 per kg
Harga tergantung pada kemurnian, morfologi, kualitas bubuk, dan volume pesanan.
Pengolahan pasca
Langkah-langkah pasca-pemrosesan yang umum untuk komponen tungsten AM:
- Mendukung penghapusan menggunakan EDM atau waterjet
- Pengepresan isostatik panas untuk menghilangkan rongga
- Infiltrasi dengan paduan dengan lelehan yang lebih rendah
- Pemesinan untuk meningkatkan hasil akhir permukaan
- Bergabung dengan komponen lain jika diperlukan
Pasca-pemrosesan yang tepat sangat penting untuk mencapai kualitas bagian akhir.
Aplikasi Komponen Tungsten Cetak
Dirgantara: Bilah turbin, komponen satelit, penyeimbang
Otomotif: Menyeimbangkan bobot, bagian peredam getaran
Medis: Pelindung radiasi, kolimator, implan gigi
Elektronik: Heatsink, kontak listrik, resistor
Pertahanan: Pelindung radiasi, perlindungan balistik
Komponen tungsten cetak memungkinkan peningkatan kinerja dalam aplikasi yang menuntut di seluruh industri.
Pro dan Kontra Tungsten AM
Keuntungan
- Kepadatan tinggi untuk pelindung radiasi
- Kekuatan dan kekerasan yang luar biasa
- Sifat termal dan listrik yang baik
- Geometri yang disesuaikan
- Mengkonsolidasikan beberapa bagian
Kekurangan
- Sulit dan mahal untuk diproses
- Bahan rapuh yang membutuhkan penyangga
- Keuletan dan ketangguhan patah yang rendah
- Membutuhkan peralatan khusus
Memecahkan Masalah Pencetakan
| Masalah | Kemungkinan Penyebab | Tindakan Korektif |
|---|---|---|
| Porositas | Kepadatan bubuk rendah | Gunakan serbuk dengan kepadatan tinggi yang mendekati kepadatan teoretis |
| Parameter cetak yang tidak akurat | Sesuaikan daya laser, kecepatan, jarak penetasan melalui cetakan uji | |
| Retak | Gradien termal yang besar | Mengoptimalkan pemanasan awal, strategi pemindaian |
| Tegangan sisa yang tinggi | Gunakan pengepresan isostatik panas pasca-cetak | |
| Kontaminasi | Memastikan suasana pemrosesan dengan kemurnian tinggi | |
| Warping | Pemanasan atau pendinginan yang tidak merata | Optimalkan pola pemindaian, jangkar bagian dengan kuat untuk membangun pelat |
Pertanyaan Umum
T: Berapa ukuran partikel tipikal yang digunakan untuk bubuk cetak tungsten?
J: 15-45 mikron adalah hal yang umum, dengan kontrol ketat terhadap distribusi ukuran partikel sekitar 20-35 mikron.
T: Tingkat porositas apa yang dapat diharapkan pada komponen tungsten yang dicetak?
J: Porositas kurang dari 1% biasanya dicapai melalui optimalisasi proses dan pengepresan isostatik panas.
T: Paduan apa yang memberikan keseimbangan yang baik antara densitas dan sifat mekanis?
J: Paduan berat tungsten dengan 6-10% Ni, Fe, dan Cu memberikan densitas tinggi dengan keuletan dan ketangguhan retak yang baik.
T: Pemrosesan pasca-pemrosesan apa yang diperlukan pada komponen tungsten yang dicetak?
J: Pelepasan penyangga, pengepresan isostatik panas, infiltrasi, dan pemesinan, merupakan proses pasca-cetak yang lazim digunakan.
T: Berapa suhu pemanasan awal yang digunakan?
J: Untuk LPBF, pemanasan awal hingga 150°C merupakan hal yang umum dilakukan untuk mengurangi tegangan sisa dan keretakan.
T: Tindakan pencegahan keselamatan apa yang diperlukan saat menangani bubuk tungsten?
J: Gunakan APD yang sesuai, hindari penghirupan, dan ikuti prosedur penanganan bubuk yang aman yang direkomendasikan oleh pemasok.
ketahui lebih banyak proses pencetakan 3D
T: Standar apa yang digunakan untuk memenuhi syarat bubuk cetak tungsten?
J: ASTM B809, ASTM F3049, dan Standar MPIF 46 mencakup analisis kimia, pengambilan sampel, dan pengujian.
Kesimpulan
Tungsten dan paduannya memungkinkan pembuatan aditif komponen dengan kepadatan tinggi dengan kekakuan, kekuatan, kekerasan, dan sifat termal yang tak tertandingi dengan menggunakan proses pencetakan 3D yang canggih seperti LPBF dan EBM. Dengan titik leleh, densitas, dan kemampuan pemblokiran radiasi yang sangat tinggi, komponen tungsten yang dicetak dapat digunakan di berbagai aplikasi kedirgantaraan, motorsport, medis, pertahanan, dan elektronik. Namun, kemampuan cetak dan persyaratan pasca-pemrosesan yang menantang memerlukan kontrol proses yang ketat dan pengoptimalan parameter untuk mencapai densifikasi penuh dan sifat material yang ideal. Seiring dengan berkembangnya keahlian dan pengalaman dalam mencetak tungsten, keunggulan uniknya dapat dimanfaatkan untuk memproduksi komponen berkinerja tinggi dengan kemampuan yang melebihi batasan manufaktur tradisional.