3D-печать вольфрамом: характеристики, цены, преимущества

Порошки вольфрама и вольфрамовых сплавов позволяют печатать детали высокой плотности с отличными механическими и тепловыми свойствами с помощью лазерного порошкового наплавления (LPBF) и электронно-лучевого плавления (EBM). В данном руководстве представлен обзор 3D-печати вольфрамовыми металлами.

Введение в 3D-печать из вольфрама

Вольфрам является уникальным материалом для аддитивного производства благодаря своим свойствам:

• Исключительно высокая плотность - 19 г/см3
• Высокая твердость и прочность
• Отличная теплопроводность
• Высокая температура плавления 3422°C
• Проблемная технологичность и обрабатываемость

Основные области применения печатных вольфрамовых деталей:

• Радиационная защита
• Компоненты для аэрокосмической промышленности и автоспорта
• Радиотерапевтические приборы и коллиматоры
• Медицинские имплантаты, например, зубные штифты
• Противовесы и балансировочные компоненты
• Электрические контакты и нагревательные элементы

Распространенные вольфрамовые сплавы для АМ:

• Тяжелые сплавы вольфрама с Ni, Fe, Cu, Co
• Карбиды вольфрама
• Оксиды вольфрама, легированные калием

Чистый вольфрамовый порошок

Чистый вольфрамовый порошок обеспечивает наивысшую плотность:

Свойства:

• Плотность 19,3 г/см3
• Отличная блокировка и экранирование излучения
• Высокая твердость до 400 Hv
• Прочность до 1200 МПа
• Температура плавления 3422°C
• Хорошая электро- и теплопроводность

Приложения:

• Защита от медицинских излучений
• Рентгеновские коллиматоры и аппертуры
• Авиационные противовесы
• Демпфирование колебаний в автоспорте
• Электрические контакты и нагреватели

Поставщики: TRU Group, Buffalo Tungsten, Midwest Tungsten

Вольфрамовые тяжелые сплавы

Тяжелые сплавы вольфрама с никелем, железом и медью обеспечивают идеальный баланс плотности, прочности и пластичности:

Общие оценки:

• WNiFe (90W-7Ni-3Fe)
• WNiCu (90W-6Ni-4Cu)
• WNi (90W-10Ni)

Свойства:

• Плотность 17-18 г/см3
• Прочность до 1 ГПа
• Хорошая коррозионная и износостойкость
• Высокотемпературная прочность

Приложения:

• Компоненты для автомобильной промышленности и автоспорта
• Аэрокосмические и оборонные системы
• Виброгасящие грузы
• Радиационная защита
• Медицинские имплантаты, например, зубные штифты

Поставщики: Sandvik, TRU Group, Nanosteel

Карбиды вольфрама

Порошки карбида вольфрама печатают чрезвычайно износостойкие детали:

Типы

• Твердые металлы WC-Co с кобальтом 6-15%
• Цементированные карбиды WC-Ni
• Керметы WC-CoCr

Свойства

• Твердость до 1500 HV
• Прочность на сжатие более 5 ГПа
• Высокий модуль Юнга
• Отличная стойкость к абразивному износу и эрозии

Приложения

• Режущие инструменты и сверла
• Износостойкие детали и уплотнения
• Компоненты баллистической брони
• Инструменты для обработки металлов давлением и штамповки

Поставщики: Sandvik, Nanosteel, Buffalo Tungsten

Легированные оксиды вольфрама

Оксиды вольфрама, легированные калием, например K2W4O13, обладают уникальными электрическими свойствами:

Характеристики

• Полупроводниковое поведение
• Электропроводность перестраивается в зависимости от уровня легирования
• Высокая плотность до 9 г/см3
• Высокая радиационная стойкость

Приложения

• Электроника и электрические компоненты
• Электроды, контакты и резисторы
• Термоэлектрические генераторы
• Детекторы излучения

Поставщики: Inframat Advanced Materials

Сравнение свойств материалов

Методы производства вольфрамовых порошков

1. Восстановление водорода

• Наиболее распространенный и экономичный процесс
• Оксид вольфрама, восстановленный водородом
• Неравномерная морфология порошка

2. Сфероидизация плазмы

• Улучшение формы и текучести порошка
• Выполнено после восстановления водородом
• Обеспечивает высокую чистоту

3. Плазменное распыление

• Улучшенная сферичность и текучесть порошка
• Контроль распределения частиц по размерам
• Более низкий уровень отбора кислорода по сравнению с распылением газа

4. Химический паровой синтез

• Сверхтонкие наноразмерные порошки вольфрама
• Высокая чистота при малых размерах частиц
• Используется для получения порошков оксида вольфрама

Технология печати на вольфраме

Лазерно-порошковое наплавление (ЛПНП)

• Мощные волоконные лазеры > 400 Вт
• Инертная атмосфера аргона
• Точное управление бассейном расплава имеет решающее значение

Электронно-лучевое плавление (ЭЛП)

• Мощный электронный луч > 3 кВт
• Среда высокого вакуума
• Наиболее подходит для высокоплотных материалов

Струйная обработка вяжущего

• Клеевое связующее, используемое для избирательного соединения порошка
• Для получения полной плотности необходима постобработка
• Более низкая прочность деталей по сравнению с LPBF и EBM

LPBF и EBM позволяют печатать вольфрамовые компоненты высокой плотности.

Технические характеристики

Типичные характеристики вольфрамового порошка для АМ:

Контроль таких характеристик порошка, как гранулометрический состав и морфология, является критически важным для получения отпечатков высокой плотности.

Разработка печатных процессов

Оптимизация параметров процесса LPBF для вольфрама:

• Предварительный нагрев для контроля растрескивания - обычно 100-150°C
• Высокая мощность лазера > 400 Вт с точным управлением
• Малая толщина слоя около 20-30 мкм
• Стратегии сканирования для минимизации стрессов
• Контролируемое охлаждение после печати

Для EBM:

• Нагрев до температуры >600°C для спекания порошка
• Высокий ток излучения при малом размере точки
• Более низкая скорость сканирования для полного расплавления
• Минимизация тепловых градиентов

Для определения характеристик необходимы тестовые отпечатки.

Поставщики и ценообразование

• Стоимость чистого вольфрама составляет ~$350 - $850 за кг
• Стоимость тяжелых сплавов составляет ~$450 - $1000 за кг
• Легированные оксиды до $1500 за кг

Цена зависит от чистоты, морфологии, качества порошка и объема заказа.

Постобработка

Типичные этапы постобработки вольфрамовых AM-деталей:

• Удаление опор с помощью электроэрозионного или гидроабразивного инструмента
• Горячее изостатическое прессование для устранения пустот
• Инфильтрация низкоплавкими сплавами
• Обработка для улучшения качества поверхности
• Соединение с другими компонентами при необходимости

Правильная постобработка крайне важна для достижения конечного качества детали.

Области применения печатных вольфрамовых компонентов

Аэрокосмическая промышленность: Лопатки турбин, компоненты спутников, противовесы

Автомобильная промышленность: Балансировочные грузы, детали для гашения вибрации

Медицина: Радиационная защита, коллиматоры, зубные имплантаты

Электроника: Радиаторы, электрические контакты, резисторы

Оборона: Радиационная защита, баллистическая защита

Печатные вольфрамовые компоненты позволяют повысить производительность в сложных приложениях в различных отраслях промышленности.

Плюсы и минусы вольфрамовых АМ

Преимущества

• Высокая плотность для радиационной защиты
• Отличная прочность и твердость
• Хорошие тепловые и электрические свойства
• Нестандартные геометрии
• Консолидация нескольких частей

Недостатки

• Сложность и дороговизна обработки
• Хрупкий материал, требующий опор
• Низкая пластичность и вязкость разрушения
• Требуется специализированное оборудование

Поиск и устранение неисправностей при печати

Вопросы и ответы

Вопрос: Какой типичный размер частиц используется для вольфрамового печатного порошка?

О: Обычно 15-45 мкм, при этом жесткий контроль гранулометрического состава осуществляется в районе 20-35 мкм.

Вопрос: Какой уровень пористости можно ожидать в напечатанных вольфрамовых деталях?

О: Пористость менее 1% обычно достигается за счет оптимизации технологического процесса и горячего изостатического прессования.

Вопрос: Какие сплавы обеспечивают хороший баланс плотности и механических свойств?

О: Тяжелые сплавы вольфрама с Ni, Fe и Cu 6-10% обеспечивают высокую плотность при хорошей пластичности и вязкости разрушения.

Вопрос: Какая последующая обработка требуется для напечатанных вольфрамовых деталей?

О: Удаление опор, горячее изостатическое прессование, инфильтрация и механическая обработка являются широко используемыми послепечатными процессами.

Вопрос: Какие температуры предварительного нагрева используются?

О: Для LPBF обычно используется предварительный нагрев до 150°C для уменьшения остаточных напряжений и трещин.

Вопрос: Какие меры предосторожности необходимо соблюдать при работе с вольфрамовым порошком?

О: Используйте соответствующие СИЗ, избегайте вдыхания и соблюдайте рекомендованные поставщиком процедуры безопасного обращения с порошком.

узнать больше о процессах 3D-печати

Вопрос: Какие стандарты используются для квалификации вольфрамового печатного порошка?

A: ASTM B809, ASTM F3049 и MPIF Standard 46 охватывают химический анализ, отбор проб и испытания.

Заключение

Вольфрам и его сплавы позволяют изготавливать аддитивные компоненты высокой плотности с непревзойденными жесткостью, прочностью, твердостью и тепловыми свойствами с использованием современных процессов 3D-печати, таких как LPBF и EBM. Благодаря сверхвысокой температуре плавления, плотности и способности блокировать излучение, печатные компоненты из вольфрама находят применение в аэрокосмической отрасли, автоспорте, медицине, оборонной промышленности и электронике. Однако сложные требования к качеству печати и последующей обработки требуют тщательного контроля процесса и оптимизации параметров для достижения полной плотности и идеальных свойств материала. По мере накопления опыта и знаний в области печати вольфрама его уникальные преимущества могут быть использованы для производства высокоэффективных компонентов с возможностями, превышающими традиционные производственные ограничения.