深圳升華三維科技有限公司
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硬質(zhì)合金是一種復(fù)合材料,通常包括難熔金屬碳化物(鈦、鉬、鎢、鉭、鈮等的碳化物)和粘結(jié)金屬(鎳、鉬、鎢、鈷等)。硬質(zhì)合金具備優(yōu)良的力學(xué)性能,有良好的耐磨性能、抗氧化性以及熱穩(wěn)定性??捎糜谥圃烨邢鞯毒摺㈣弾r工具、采礦工具、鉆孔工具、量具、易損件、金屬磨削工具、氣缸套、精密軸承、噴嘴等,被譽為“工業(yè)的牙齒”。
硬質(zhì)合金的傳統(tǒng)制備方法及難點
硬質(zhì)合金通常采用注射成型、擠壓成型、模壓成型、熱壓、熱等靜壓、火花等離子燒結(jié)等方式制備,特別是擠壓成型有著廣泛的應(yīng)用前景。不過傳統(tǒng)工藝制備硬質(zhì)合金完全依賴模具,且模具成本高、周期長、后續(xù)加工成本高,對硬質(zhì)合金制造成本造成很大影響;另外,如復(fù)雜形狀、多功能/變化功能復(fù)合結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)等硬質(zhì)合金也無法采用常規(guī)方法制備,嚴重限制了硬質(zhì)合金制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計空間、材料優(yōu)勢發(fā)揮和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。
▲傳統(tǒng)硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu)件(來源網(wǎng)絡(luò))
硬質(zhì)合金因具有高熔點和高硬度特性,從而導(dǎo)致它加工非常困難,常用的粉末冶金等方式只能制造一些形狀結(jié)構(gòu)較簡單的零部件。隨著先進制造的快速發(fā)展,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)件制造工藝已難以滿足實際應(yīng)用需求,開發(fā)更靈活的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造方法顯得尤為重要。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為制造形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件提供了新方法,特別是用于異形、結(jié)構(gòu)一體化、微通道、十分復(fù)雜的形狀、點陣結(jié)構(gòu)等加工,3D打印具有傳統(tǒng)制造技術(shù)不具備的優(yōu)勢。
3D打印制備硬質(zhì)合金方法及特點
▲3D打印質(zhì)硬合金樣品(來:升華三維)
PBF技術(shù)路線能夠成功制備接近理論密度、力學(xué)性能良好的硬質(zhì)合金構(gòu)件,但也存在許多的問題:如SLS往往需要后續(xù)處理,如元素熔滲提高綜合性能、SLM易產(chǎn)生裂紋孔洞缺陷;熱成型技術(shù)的重復(fù)加熱冷卻過程會形成獨有的微觀組織,影響零件性能,需要通過熱等靜壓和熱處理等后處理手段達到性能,卻會帶來額外的時間和成本,阻礙了3D打印硬質(zhì)合金的發(fā)展進程。而基于燒結(jié)的技術(shù)線路制備硬質(zhì)合金構(gòu)件一般不存在明顯的裂紋和孔洞缺陷,組織整體分布均勻,力學(xué)性能優(yōu)良,不過表面粗糙度有待加強。
基于燒結(jié)的PEP工藝制備硬質(zhì)合金
3D打印為開拓硬質(zhì)合金應(yīng)用提供了新的制造路徑。粉末擠出打印技術(shù)(PEP)是由升華三維推出的一種基于燒結(jié)工藝的金屬/陶瓷間接3D打印技術(shù)。PEP是在FDM技術(shù)基礎(chǔ)上,再結(jié)合粉末冶金工藝形成的金屬/陶瓷3D打印方法。采用金屬/陶瓷粉體適配粘結(jié)劑通過3D打印專用密煉機混煉成顆粒材料、然后通過3D打印設(shè)備制備出具有一定密度和強度的生坯,再經(jīng)過3D打印專用脫脂燒結(jié)爐進行后處理工藝,從而獲得最終致密和性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)件。為硬質(zhì)合金高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造提供有效解決方案。
▲粉末擠出打印技術(shù)(PEP)工藝流程圖
升華三維開發(fā)出了適配PEP工藝3D打印設(shè)備的硬質(zhì)合金材料。是一種呈灰色,粒徑在8-14目的近球形顆粒金屬-陶瓷復(fù)合材料,具有高硬度、高強度、高耐磨性、耐熱、耐腐蝕等優(yōu)異性能??蓱?yīng)用軍工、航空航天、機械加工、冶金、石油鉆井、礦山工具、核工業(yè)等領(lǐng)域。
▲硬質(zhì)合金打印材料
PEP工藝為硬質(zhì)合金廣泛應(yīng)用打開新窗口
利用PEP技術(shù)的熱融擠出系統(tǒng)打印設(shè)備實現(xiàn)對材料的一體化無模成型,有效縮短了制備周期。PEP工藝不僅不需要昂貴的高能量激光設(shè)備;采用打印與脫脂燒結(jié)分開的工藝模式,還可以利用傳統(tǒng)脫脂燒結(jié)設(shè)備,可極大地減少投入成本;而其低溫成型、高溫成性的特性,很好地解決硬質(zhì)合金3D打印制備過程中極易出現(xiàn)的變形、裂紋、孔洞等問題,從而確保了產(chǎn)品性能一致性;另外基于PEP的3D打印系統(tǒng)采用獨立雙噴嘴設(shè)計,可實現(xiàn)多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和梯度材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的開發(fā)制造。通過PEP工藝制備的硬質(zhì)合金構(gòu)件其致密度、均勻性、力學(xué)性能均能達到甚至超過傳統(tǒng)粉末冶金工藝,有望為硬質(zhì)合金廣泛應(yīng)用打開新窗口。
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