应用案例|宁夏东方智造实现铌钨等难熔金属大尺寸增材制造产业化应用
- 来源：“华曙3D打印”微信公众号
- 2024/11/14 10:58:16
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难熔金属材料具有良好的高温力学性能和高温稳定性，主要包括钨(W)、铌(Nb)、钼(Mo)、钽(Ta)、铼(Re)等元素。常用于制备耐热部件，被广泛应用于航空航天、医疗、化工等领域。然而，难熔金属具有高熔点高硬度的特点，使用传统的加工方式制备大尺寸、复杂结构件时存在加工困难或无法加工等问题。
金属3D打印技术作为一种先进的绿色智能制造技术，其材料利用率高，无需模具即可成形复杂构件，这为难熔金属加工制造提供了新方法。
宁夏东方智造与华曙高科携手，基于华曙高科设备开源优势，联合进行了新材料和针对性工艺的开发，解决了难熔金属的激光精密成形难题，产品打印性能稳定，持续为航空航天、医疗、化工等领域提供难熔金属大尺寸、产业化3D打印解决方案及打印服务。
成立于2021年的宁夏东方智造科技有限公司，由宁夏东方钽业股份有限公司和内部核心项目团队人员共同出资成立，以难熔金属、难熔金属基合金、难熔高熵合金冶炼加工、球形钽粉、钽钨合金粉、铌粉、铌钨合金粉加工与销售3D打印产品设计、3D打印服务、3D打印产品销售为主营业务。
2021年，东方智造引入华曙高科金属3D打印设备FS271M，用于钽铌及其合金3D打印生产；2023-2024年，再次引入华曙高科面向生产型用户的高效成熟金属3D打印设备FS273M、大尺寸高效率批产金属3D打印设备FS511M。
基于华曙高科开源、创新的金属增材制造解决方案，东方智造在钽铌金属及其合金的开发与应用方面，积累了大量的经验和技术储备，目前已成为国内唯一难熔金属3D打印全产业链研发生产基地，也是国内唯一实现难熔金属大尺寸3D打印（530mm×530mm）企业，其产品市场占有率达100%。
成功突破难熔金属大尺寸打印
在高端材料领域，钽铌及其合金球形粉末的制备及3D打印技术长期被国际巨头如美国Zimmer公司所垄断。这一现状不仅导致我国在该领域的关键原材料供应存在显著依赖，更制约了国内航空航天、生物医疗等高端产业的自主发展。
面对重重挑战，东方智造组建了一支由跨学科技术工程师组成的研发团队，通过深入分析了国内外市场需求，对行业发展趋势进行了细致的研判。团队意识到，要想在钽铌难熔金属球形粉末制备和3D打印技术领域取得突破，必须摒弃传统思维，采用创新的技术路线。经过反复的实验验证和方案比选，东方智造最终确定了以射频等离子球化制粉技术（PS）与选区激光熔覆技术（SLM）为核心的技术路线。
2021年开始，东方智造与华曙高科携手合作，引入华曙高科金属3D打印设备FS271M。但是，受钽铌等材料的成本制约，国内多激光钽钨合金增材制造仍处于小尺寸生产场景，2023年，在华曙高科大幅面金属3D打印设备FS511M助力下，东方智造成为国内唯一难熔金属大尺寸增材制造企业。
FS511M是华曙高科于2023年发布，针对批量化增材制造推出的四激光双向铺粉金属增材制造设备。FS511M配备自研全套操作系统，可实现产线布局，其成形缸尺寸为540mm×540mm×670mm（含成形基板厚度），标配4×500W激光，最大体积成形效率可达100cm³/h。
在大尺寸难熔金属的打印过程中，激光烧结会产生烟尘，下风向激光穿过烟尘时易造成散射，能量耗散，从而导致球化、未熔合等冶金缺陷。在多激光扫描系统中必须充分考虑上风向烟尘的影响。华曙高科通过优化FS511M设备大幅面风场设计，既可实现同时出光避烟打印，又减少了各激光等待时间，在保证打印质量的前提下，有效提高打印效率。
3D打印难熔金属应用广泛
在航空航天领域，以钽钨、铌钨为代表的难熔金属是制造高温部件的理想材料；消费电子领域中，钽钨、铌钨等难熔金属具有高电容密度、稳定性好、漏电流小等优点，被广泛应用于各种电子设备中；在化工领域里，铌钨等难熔金属的耐腐蚀性使其成为制造化学反应容器和管道的不二之选，保障生产的安全和高效；高端医疗器械产品中，可用于植入物，制作的射线屏蔽防护部件可保护患者和医护人员免受辐射伤害。
以铌合金(Nb)为例，属VB族难熔金属，熔点2468℃，为bcc结构，强度能保持到1649.90℃，并能承受一定的机械变形。由东方智造自主研发的3D打印铌钨合金Nb521，性能有显著提升，主要应用于航空航天领域，包括燃烧室、发动机鼻椎、排气管、喷油嘴及其重要高温部件。
截至目前，东方智造科研团队已完成5种增材制造用球形粉工艺、3种难熔金属的3D打印工艺研发；完成某医疗器械公司多例人体骨置换多孔钽结构件打印并应用于生物学验证；简化设计了火法分厂电子束炉反应电极，经过验证后实现3D打印批产；完成数十件钽钨合金表壳及多件钽和钽钨首饰、制品3D打印，成功实现难熔合金个性化订制。
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