钨三维打印:规格、价格和优点

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使用激光粉末床熔融(LPBF)和电子束熔融(EBM)技术,钨和钨合金粉末可打印出具有优异机械性能和热性能的高密度部件。本指南概述了钨金属三维打印。

介绍 钨三维打印

钨是一种独特的增材制造材料,因为它具有以下特性

  • 超高密度 - 19 克/立方厘米
  • 高硬度和高强度
  • 出色的导热性
  • 熔点高达 3422°C
  • 具有挑战性的加工和机加工性能

印刷钨部件的主要应用

  • 辐射屏蔽
  • 航空航天和赛车零部件
  • 放射治疗设备和准直器
  • 医疗植入物,如牙科植入物
  • 配重和平衡组件
  • 电气触点和加热元件

用于 AM 的常见钨合金:

  • 含镍、铁、铜、钴的钨重合金
  • 碳化钨
  • 掺杂钾的钨氧化物
钨 3d 打印

纯钨粉

纯钨粉的密度最高:

属性

  • 密度为 19.3 克/立方厘米
  • 出色的辐射阻挡和屏蔽性能
  • 硬度高达 400 Hv
  • 强度高达 1200 兆帕
  • 熔点为 3422°C
  • 良好的导电性和导热性

应用:

  • 医用辐射屏蔽
  • X 射线准直器和附件
  • 航空配重
  • 赛车运动中的减震
  • 电气触点和加热器

供应商:TRU Group、Buffalo Tungsten、Midwest Tungsten

钨重合金

钨与镍、铁和铜的重合金在密度、强度和延展性方面达到了理想的平衡:

普通年级:

  • 镍铁(90W-7镍-3铁)
  • 镍铬合金(90W-6Ni-4Cu)
  • 镍钨合金(90W-10Ni)

属性

  • 密度为 17-18 克/立方厘米
  • 强度高达 1 GPa
  • 良好的耐腐蚀性和耐磨性
  • 高温强度

应用:

  • 汽车和赛车零部件
  • 航空航天和国防系统
  • 减震砝码
  • 辐射屏蔽
  • 医疗植入物,如牙科植入物

供应商: 山特维克、TRU 集团、纳米钢

碳化钨

碳化钨粉末可打印出极其耐磨的部件:

类型

  • 含 6-15% 钴的 WC-Co 硬金属
  • WC-Ni 硬质合金
  • WC-CoCr 金属陶瓷

属性

  • 硬度高达 1500 HV
  • 抗压强度超过 5 GPa
  • 杨氏模量高
  • 卓越的耐磨性和抗侵蚀性

应用

  • 切割工具和钻头
  • 磨损件和密封件
  • 防弹装甲组件
  • 金属成型和冲压工具

供应商: 山特维克、纳米钢、水牛钨

掺杂氧化钨

K2W4O13 等掺钾钨氧化物具有独特的电气特性:

特点

  • 半导体行为
  • 电导率可随掺杂水平而调整
  • 密度高达 9 克/立方厘米
  • 辐射稳定性高

应用

  • 电子和电气元件
  • 电极、触点和电阻器
  • 热电发电机
  • 辐射探测器

供应商: Inframat 高级材料公司

钨 3d 打印

材料性能比较

材料密度(克/立方厘米)强度(兆帕)硬度 (HV)电阻率(μΩ-cm)
纯钨19.38502605.5
WNiFe1810003808.1
WC-12Co15.52000130060
掺K的WO391-100

钨粉生产方法

1.氢气还原

  • 最常见、最经济的工艺
  • 氢气还原氧化钨
  • 粉末形态不规则

2.等离子体球化

  • 改善粉末形状和流动性
  • 氢还原后完成
  • 提供高纯度

3.等离子体雾化

  • 卓越的粉末球形度和流动性
  • 控制粒度分布
  • 氧气拾取量低于气体雾化

4.化学蒸汽合成

  • 超细纳米级钨粉
  • 纯度高,颗粒小
  • 用于氧化钨粉末

钨打印机技术

激光粉末床融合(LPBF)

  • 高功率光纤激光器 > 400W
  • 惰性氩气氛
  • 精确控制熔池至关重要

电子束熔化(EBM)

  • 强大的电子束 > 3 千瓦
  • 高真空环境
  • 最适用于高密度材料

粘结剂喷射

  • 用于选择性连接粉末的粘合剂
  • 需要进行后期处理才能达到完全密度
  • 与 LPBF 和 EBM 相比,零件强度较低

LPBF 和 EBM 可以印刷高密度的钨元件。

技术规格

用于 AM 的典型钨粉规格:

参数规格测试方法
颗粒大小15 - 45 微米激光衍射
表观密度9 - 11 克/立方厘米霍尔流量计
水龙头密度11 - 13 克/立方厘米ASTM B527
流量25 - 35 秒/50 克ASTM B213
氧气含量< 100 ppm惰性气体聚变
碳含量< 50 ppm燃烧分析
球性0.9 – 1图像分析

控制粉末特性(如粒度分布和形态)对于高密度印刷至关重要。

印刷工艺开发

优化钨的 LPBF 工艺参数:

  • 预热以控制开裂 - 通常为 100-150°C
  • 精确控制的高激光功率 > 400W
  • 小层厚度约为 20-30 微米
  • 尽量减少压力的扫描策略
  • 印刷后可控冷却

对于 EBM:

  • 加热至 >600°C 烧结粉末
  • 光束电流大,点尺寸小
  • 较慢的扫描速度可实现完全熔化
  • 尽量减少热梯度

需要测试打印来确定特性。

供应商和定价

供应商年级价格范围
TRU 集团纯 W、WNiFe$350 - $850/kg
纳米钢WC-Co, WNiFe$450 - $1000/kg
水牛钨纯 W、W-Cr$250 - $750/kg
Inframat掺杂 WO3$500 - $1500/kg
山特维克WC-Co, W-Ni-Cu$300 - $800/kg
  • 纯钨的成本约为每公斤 $350 至 $850 美元
  • 每公斤重合金的成本约为 $450 至 $1000
  • 掺杂氧化物,每公斤高达 $1500

价格取决于纯度、形态、粉末质量和订单量。

后期处理

钨 AM 零件的典型后处理步骤:

  • 使用电火花加工或水刀去除支撑物
  • 热等静压消除空隙
  • 使用低熔点合金进行渗透
  • 加工以提高表面光洁度
  • 必要时与其他组件连接

适当的后处理对实现最终零件质量至关重要。

印刷钨元件的应用

航空航天:涡轮叶片、卫星部件、配重

汽车:平衡砝码、减震部件

医疗:辐射屏蔽、准直器、牙科植入物

电子产品:散热器、电气触点、电阻器

国防:辐射屏蔽、弹道防护

印刷钨元件可提高各行业高要求应用的性能。

钨 3d 打印

钨 AM 的优缺点

优势

  • 高密度辐射屏蔽
  • 出色的强度和硬度
  • 良好的热性能和电气性能
  • 定制几何形状
  • 整合多个部分

缺点

  • 处理难度大、成本高
  • 需要支撑的脆性材料
  • 延展性和断裂韧性低
  • 需要专用设备

打印问题故障排除

问题可能的原因纠正措施
孔隙率粉末密度低使用接近理论密度的高密度粉末
打印参数不准确通过测试打印调整激光功率、速度和舱口间距
裂缝较大的热梯度优化预热和扫描策略
高残余应力印刷后使用热等静压
污染确保高纯度的加工气氛
翘曲加热或冷却不均匀优化扫描模式,将部件牢固固定在构建板上

常见问题

问:印刷钨粉的粒度一般是多少?

答:一般为 15-45 微米,粒度分布严格控制在 20-35 微米左右。

问:印刷钨部件的气孔率会达到什么程度?

答:小于 1% 的孔隙率通常是通过工艺优化和热等静压工艺实现的。

问:哪些合金能很好地兼顾密度和机械性能?

答:含有 6-10%镍、铁和铜的钨重合金具有高密度、良好的延展性和断裂韧性。

问:印刷钨部件需要进行哪些后处理?

答:移除支撑物、热等静压、渗入和机械加工是常用的印后工艺。

问:预热温度是多少?

答:对于 LPBF,预热至 150°C 是常见的做法,以减少残余应力和裂纹。

问:处理钨粉时需要采取哪些安全预防措施?

答:使用适当的个人防护设备,避免吸入,并遵循供应商建议的安全粉末处理程序。

了解更多 3D 打印工艺

问:钨印刷粉的合格标准是什么?

答: ASTM B809、ASTM F3049 和 MPIF 标准 46 涵盖化学分析、取样和测试。

结论

利用 LPBF 和 EBM 等先进的三维打印工艺,钨及其合金可增材制造具有无与伦比的刚度、强度、硬度和热性能的高密度部件。凭借超高的熔点、密度和辐射阻隔能力,打印钨部件可用于航空航天、赛车运动、医疗、国防和电子应用领域。然而,由于印刷性能和后处理要求极具挑战性,因此必须进行严格的工艺控制和参数优化,以实现完全致密化和理想的材料特性。随着印刷钨的专业知识和经验的积累,可以利用其独特的优势制造高性能部件,使其性能超越传统的制造限制。

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