2023 AMS演講者聚焦：碳化鎢是3D打印新興合金

2023年2月6日，南極熊獲悉，Hyperion精密解決方案是一家全球領(lǐng)先的材料科學(xué)公司，它不僅為用戶處理復(fù)雜的零件幾何形狀，還為客戶提供硬質(zhì)材料專業(yè)知識，同時采用先進(jìn)的3D打印技術(shù)為它們提供以前不可能實現(xiàn)的幾何形狀。

△Hyperion正在推動碳化鎢作為3D打印制造技術(shù)中的新興合金

碳化鎢材料
與工具鋼相比，碳化鎢具有出色的硬度特性，與陶瓷相比，碳化鎢具有出色的韌性，因此被用于許多行業(yè)。

考慮到這些卓越的特性，碳化鎢最常與金屬切削應(yīng)用（如鋸切、銑削和車削）中使用的工具相關(guān)聯(lián)。許多人驚訝地發(fā)現(xiàn)碳化鎢還經(jīng)常用于流體分配或流動應(yīng)用，因為它在暴露于侵蝕性磨損時具有出色的使用壽命。另外，碳化鎢改進(jìn)的耐磨性能可延長水刀切割、石油和天然氣以及電子等行業(yè)的噴嘴等部件的使用壽命。

首先，這里應(yīng)該解釋一下，碳化鎢是用于廣泛類別合金的名稱，這些合金由實際的碳化鎢和金屬粘合劑以及其他添加的碳化物（即TiC和TaC）組成。兩種最常見的金屬粘合劑是鈷和鎳。金屬粘結(jié)劑影響硬度、韌性以及化學(xué)相容性的性能。它的含量可能在成品材料的3-20%之間變化，這取決于所需的性能。

△3D打印碳化鎢流量控制組件

傳統(tǒng)工藝遇到的問題
即壓即用粉末是通過將碳化鎢(WC)粉末、金屬粘合劑和有機(jī)粘合劑混合在溶劑中制成的，然后使用噴霧干燥工藝從混合物中蒸發(fā)溶劑。然后在壓力機(jī)中壓實粉末，形成生坯，強(qiáng)度大致相當(dāng)于一根粉筆。雖然生坯易碎，但可以使用傳統(tǒng)的車削、銑削和鉆孔技術(shù)進(jìn)行加工。計算幾何形狀時必須小心，因為生坯在燒結(jié)過程中會收縮20%。此外，在燒結(jié)過程中的溫度（2500-2700 華氏度)隨著金屬粘合劑的熔化，零件將變得相對柔軟，薄壁區(qū)域可能會塌陷。當(dāng)從燒結(jié)過程中取出時，零件處于硬化狀態(tài)。此外，由于收縮率的原因，在生坯成型期間無法創(chuàng)建精確的特征，這意味著必須在燒結(jié)后向硬化部件添加復(fù)雜且精確的幾何特征。

與鋼部件不同，在硬化狀態(tài)下的碳化鎢不能以常規(guī)方式進(jìn)行車削、鉆孔、銑削或焊接。同時，傳統(tǒng)的磨削和EDM工藝既耗時又昂貴，而且創(chuàng)建特定幾何形狀的能力有限。

△3D打印碳化鎢螺桿泵轉(zhuǎn)子

碳化鎢3D打印應(yīng)用案例
針對以上問題，這就是粘合劑噴射和FDM等3D打印技術(shù)，可以通過創(chuàng)建以前在碳化鎢中不可能實現(xiàn)的幾何形狀，來增加客戶價值。雖然在打印和壓制粉末方面存在挑戰(zhàn)，但目前技術(shù)正在取得進(jìn)步。

有這樣一個3D打印螺桿泵轉(zhuǎn)子（Moineau原理）的案例，它的幾何形狀不可能在生部件中形成或在成品部件中磨削。因此，借助3D打印技術(shù)，泵設(shè)計師在設(shè)計具有戰(zhàn)性的液體泵時，可以使用另一種材料來對抗磨粒磨損。

△3D打印碳化鎢噴嘴

另一個例子是創(chuàng)建用于流體分配的一體式噴嘴或擴(kuò)散器，其中彎曲的流體路徑是首選。就在幾年前，這些幾何形狀還被認(rèn)為在碳化鎢中是不可能實現(xiàn)的，這讓工程師不得不選擇次優(yōu)材料或效率較低的幾何形狀，這兩種情況都會給客戶帶來持續(xù)的維護(hù)成本。

Hyperion精密解決方案將參加2023年2月7日至9日，在紐約市舉行的2023 AMS增材制造戰(zhàn)略會議。