难熔金属制成的PBF 3D打印

使用难熔金属进行3D打印是充满挑战的，特别是像钨、铬、铼这类熔点很高的金属，更别提纳米级粉末颗粒了。然而，这些金属——钼、铌、钽、钨和铼——不仅具有极强的耐热性和耐腐蚀性，而且即使在高温下也能保持其结构完整性。这使它们成为一系列具有挑战性的航空航天、工业和科学用途的绝佳选择。

用铌等难熔金属3D打印复杂的双壁涡轮叶片的能力为显着提高发动机工作温度铺平了道路©Castheon

挑战与机遇并存

挑战无处不在

通过传统加工工艺来加工难熔金属也是充满挑战的，一个普遍问题是难熔金属非常难以通过传统的制造方法进行加工，例如机械加工和成型。在此与其相对较高的成本之间，难熔金属的使用长期以来一直仅限于工件形状相对简单、材料去除量极少以及高温合金无法按需发挥作用的应用。

3D打印难熔金属对高超音速航空制造业也有应用潜力，根据3D科学谷的市场了解，美国宇航局、美国空军和其他机构长期以来一直对商业和军事用途的持续高超音速飞行感兴趣，然而，直到最近，才可能将难熔金属制造成支持5马赫及以上速度所需的复杂形状。

不过要想在3D打印难熔金属这个利基市场取得成功，还是充满挑战的。难熔金属合金和粉末的生产是充满挑战的，导致高成本和材料稀缺。由于狭窄的操作窗口和“独特的颗粒控制机制”，3D打印难熔金属也非常具有挑战性。

喷气发动机，钽喷嘴段是为英国航天局项目制造的© H.C.Starck

应对挑战的种种策略

对于锻造材料，可以通过冷加工等热机械工艺来减轻这些故障模式，但这对于3D打印组件来说是不切实际的。解决方法是将难熔金属与铼、镍和铁等元素合金化，以降低韧脆转变温度和减少应力。

打印工艺也很重要，例如可以通过加热构建板减少开裂，这是常见策略，有些机器能够达到500摄氏度或更高。这有可能缓解从液体到固体的转变，尤其是钼和钨，它们具有更高的DBTT。

同样重要的是要注意构建室或粉末中的氧气对构建过程是有害的，因为过多的氧气会进一步增加DBTT和金属的微裂纹。在金属增材制造设备中拥有高质量的原料和良好的气氛控制对于打印难熔金属的成功至关重要。

然而，即使无法消除微裂纹及其导致的结构完整性损失，难熔金属仍然可以发挥重要作用。

例如，钨被广泛用于X射线和CT扫描仪中的抗散射网格准直器，它们的机械载荷水平要求与航空航天和军事应用中的机械载荷水平要求不同。而难熔金属表现出的优异的导热性和低热膨胀系数，使其非常适合用于热交换器和用于种植蓝宝石的坩埚。

H.C.Starck参与的一个项目是为英国航天局打印一个电阻喷嘴段。该项目被称为超高温增材制造Resistojets，或STAR。（阻力喷气式发动机是一种简单的电力推进系统，它通过加热流体来产生推力。）

这个用于反应控制系统的推进器是用铌合金3D打印的© Castheon

据了解，金属增材制造难熔金属的开发项目带来了难以置信的灵活性，创建定制合金混合物的能力也是如此。一个富有想象力的应用空间是，将开发出“预合金”金属，在3D打印时提供了更好的一致性。例如，钛-锆-钼是一种流行的医用合金，而钼镧、钨铼和铌基合金C-103，也获得了越来越多的应用探索。

通过LPBF，Binder Jetting技术打印的钨零件© H.C.Starck

总之，在3D打印难熔金属，这里的潜力是巨大的，尤其是在航空航天和国防领域，一切才刚刚开始。