難熔金屬材料具有高熔點(diǎn)及特有性能,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位,一直以來(lái)作為高新材料加以發(fā)展。這類(lèi)材料由于熔點(diǎn)高、高溫強(qiáng)度高,給冶煉加工也帶來(lái)很大困難,因此大部分難熔合金都采用粉末冶金工藝制造。隨著對(duì)難熔材料成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)及降低成本、提高效率的要求,傳統(tǒng)的粉末冶金工藝也顯示出了其不足:需要昂貴的工裝模具、復(fù)雜工藝過(guò)程，而且難以成形出復(fù)雜的三維實(shí)體零件。在此情況下，采用增材制造實(shí)現(xiàn)難熔金屬成型，便成為一種有效途徑。
在現(xiàn)有常用的金屬增材制造用材料中，熔點(diǎn)較高的應(yīng)當(dāng)是金屬鈦，其熔點(diǎn)達(dá)到1660℃，而難熔金屬的熔點(diǎn)比之高出1000-2000度，即便采用激光成型，也存在一定困難，所以使用也比較少。隨著激光成型設(shè)備的升級(jí)、制粉工藝的進(jìn)步以及材料使用需求的不斷提高，對(duì)難熔金屬進(jìn)行激光成型逐漸被開(kāi)展，到目前為止，也已經(jīng)取得了很大進(jìn)步。
1. 鎢及鎢合金
鎢的熔點(diǎn)高達(dá)3400°C，是熔點(diǎn)最高的金屬材料，高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能以及導(dǎo)熱、導(dǎo)電和電子發(fā)射性能都好，比重大，除大量用于制造硬質(zhì)合金和作合金添加劑外，鎢及其合金廣泛用于電子、電光源工業(yè)，也在航天、鑄造、武器等部門(mén)中用于制作火箭噴管、壓鑄模具、穿甲彈芯、觸點(diǎn)、發(fā)熱體和隔熱屏等。
飛利浦企業(yè)打印的壁厚小于0.1mm的純鎢準(zhǔn)直器，薄壁有助于最大限度減少X射線(xiàn)散射
鎢材料的3D打印工藝以SLM為主流。2014年飛利浦利用EOS金屬機(jī)開(kāi)發(fā)出純鎢SLM工藝，并將其應(yīng)用于X射線(xiàn)透視設(shè)備（如CT/PET/SPECT）上的高精度零部件制造。
華中科技大學(xué)2010年左右即已開(kāi)展鎢合金的SLM工藝研究，但受限于多種因素并未引起太多關(guān)注并得到應(yīng)用。2016年在珠海航展期間，鉑力特展出了鎢合金打印的光柵器件，最小壁厚0.1mm，但對(duì)其是否實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，鉑力特并未進(jìn)行詳細(xì)介紹 。
同年，華曙高科與某航空單位合作，制作了鎢合金芯片散熱器固定件，多孔變徑結(jié)構(gòu)一次成型且無(wú)需后期機(jī)加工，大孔尺寸為 1.5±0.02mm，小孔尺寸為0.5±0.02mm，工件致密度＞96%。但華曙高科采用的鎢粉并非球形粉末。
除此之外，GE采用電子束熔融技術(shù)開(kāi)發(fā)了鎢材料成型工藝，并將其應(yīng)用于X射線(xiàn)和CT掃描儀上的過(guò)濾裝置。鋼鐵研究總院采用EOS設(shè)備于近年開(kāi)展了純鎢球形粉末的成型工藝研究。
3D打印對(duì)于鎢這種難加工材料的精加工，是一種有效手段。
2. 鈮基合金
鈮合金具有良好的抗血液腐蝕的能力,可制作血管支架；同時(shí)由于其比重小、強(qiáng)度高、韌性好、易焊接等優(yōu)點(diǎn)，也是制造航空航天高溫部件的重要材料。純鈮的熔點(diǎn)為2470℃，但針對(duì)純鈮的3D打印工藝開(kāi)發(fā)筆者未能找到相關(guān)報(bào)道。
鈮
2014年美國(guó)空間零部件供應(yīng)商metal Technology（MTI）宣布成功開(kāi)發(fā)一種名為C-103的鈮基合金3D打印工藝，采用的設(shè)備為3D Systems的ProX 300打印機(jī)。該材料熔點(diǎn)為2350℃，具有極好的耐熱性，質(zhì)量輕、可靠性好，而且具有經(jīng)受強(qiáng)烈振動(dòng)和低溫的能力，被廣泛用于航空航天。
C-103鈮基合金SLM成型實(shí)驗(yàn)
C-103鈮基合金最開(kāi)始在NASA阿波羅指揮模塊中使用，MTI針對(duì)此材料開(kāi)發(fā)3D打印工藝，為其獲得洛克希德馬丁、穆格、NASA等客戶(hù)的空間部件訂單打開(kāi)了大門(mén)。
3. 鉭
多孔鉭也被稱(chēng)為小梁金屬,在醫(yī)療領(lǐng)域已安全己使用多年,它不與起搏器電極箔發(fā)生相互作用，不透過(guò)X射線(xiàn),可用于顱骨修補(bǔ)。近年來(lái), 鉭棒已被用作全髓關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)植入物、脊椎關(guān)節(jié)植入物和骨壞死的早期治療。
鉭金屬屬于難熔金屬，熔點(diǎn)高達(dá)2996 ℃，其3D打印工藝難度大，對(duì)粉體性能、激光熔化參數(shù)、設(shè)備穩(wěn)定性、鋪粉質(zhì)量、打印精度等要求很高。
2016年，英國(guó)公司metalysis開(kāi)發(fā)出金屬鉭球形粉末，并開(kāi)展了3D打印及醫(yī)療方面的研究，證明了鉭粉在SLM制造醫(yī)療植入物中的有效性。
2017年，我國(guó)西南醫(yī)院完成全球首例3D打印鉭金屬修復(fù)巨大骨缺損手術(shù)，產(chǎn)品由株洲普林特增材制造有限公司采用華曙高科設(shè)備打印。同年斯坦福材料公司開(kāi)始研究鉭粉在髖關(guān)節(jié)等生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。
2018年，西安賽隆金屬成功利用自主研發(fā)的電子束金屬3D打印機(jī)打印出鉭金屬。致密度高達(dá)99%，孔隙率> 70％，并獲得科技部“個(gè)性化多孔鉭植入假體粉床電子束增材制造關(guān)鍵技術(shù)和臨床應(yīng)用”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。
4. 鉬
鉬具有極好的物理、化學(xué)和機(jī)械性能,常被用作玻璃加工、航空航天和高性能電子部件材料。相比于其它難熔金屬, 鉬的密度要低得多,這表明鉬的比強(qiáng)度較高,為要求減重應(yīng)用的場(chǎng)合帶來(lái)實(shí)效。
2017年，國(guó)內(nèi)清華大學(xué)開(kāi)展了純鉬選擇性激光熔化中的致密化和裂紋抑制研究，致密度達(dá)到99%。
2018年，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）采用Renishaw激光熔化系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)放射性同位素鉬-99（Mo-99）成型，作為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中最常用的放射成像同位素，3D打印Mo-99成為美國(guó)醫(yī)療保健材料商業(yè)化生產(chǎn)的重要一步，同時(shí)，這也是3D打印有史以來(lái)第一次放射性材料成型。
關(guān)于鉬材料的3D打印商業(yè)應(yīng)用，還鮮有報(bào)道。
總結(jié)
衡量一種金屬材料能不能進(jìn)行激光熔化成型，不能僅憑熔點(diǎn)高低，它還與材料成分、材料性質(zhì)有重要關(guān)系。不必迷信“第一次”“首發(fā)”這樣的字眼，能夠打印和能夠做好、能夠應(yīng)用有很大區(qū)別。文中提到的對(duì)一些材料進(jìn)行研究的機(jī)構(gòu)，也只是一部分而已。敢于嘗試，就能獲得一些經(jīng)驗(yàn)。
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