图1　钨合金毛坯粉末冶金工艺关键工序

烧结环节是确保钨合金达到所需致密度、强度等性能的关键。两步烧结法[4]被广泛采用：预烧阶段通常将温度控制在1000～1200℃，在此温度范围内，铜、铁等低熔点金属会达到液态，与周围钨粉末颗粒发生固相扩散，使钨合金粉末颗粒位置固定、填充均匀，实现毛坯定形。紧接着是高温烧结阶段，粉末颗粒之间发生固相及液相反应，最终形成致密的钨合金结构。烧结温度和时间的控制对产品性能起着决定性作用，若烧结时间过长，则钨晶体尺寸会增大，影响合金的致密性和整体性能；若温度过高，则会导致铜、铁等低熔点金属挥发，降低合金的致密性和机械强度。烧结温度一般控制在1400℃左右，且预烧和高温烧结通常在真空或惰性气体环境下进行，以减少氧化及低熔点合金挥发。

一种常见的工艺方案是：先将成形的钨粉坯在氢气气氛中，以1200℃预烧1h，使其具备一定的强度和导电性，随后进行通电自阻烧结，利用坯料自身电阻产生的热量，进一步促进坯料烧结。

增材制造工艺

传统的粉末冶金方法只能制备形状较为规则的毛坯，对于结构复杂、尤其是具有复杂腔体的钨合金零件，毛坯成形后还需要经历复杂的加工才能最终满足零件要求。对于复杂封闭内部型腔，目前没有有效的加工成形手段，这也限制了钨合金零件的设计。增材制造技术为钨合金零件的设计制造提供了新的解决方案，常用的金属增材制造技术有选择性激光熔化（SLM）成形、激光立体成形（LSF）、电弧增材制造（WAAM）、粉末床选区激光熔化（L-PBF）和激光定向能量沉积（L-DED）等[5，6]。不同增材制造工艺制造钨合金零件的优缺点比较见表1。SLM能够制造复杂几何形状的零件，但存在表面粗糙、层间残余应力大及零件尺寸受限等问题，适合小型零件制造；LSF可获得细小、均匀和致密的组织，提升材料的力学性能和耐蚀性，但工艺参数不匹配时，易在沉积层出现熔合不良的缺陷；WAAM适用于大型化、整体化航天结构件的制造，成形速率高、致密度高，然而成形件表面质量较差。采用增材制造技术制造的典型钨合金零件如图2所示。与传统粉末冶金方法相比，增材制造在复杂结构钨合金零件制造方面优势明显。它不仅能制备复杂结构和腔体的零件，满足特殊设计需求，而且可实现材料的逐层堆积，提高材料利用率，降低成本[7]。

表1　不同增材制造工艺制造钨合金零件的优缺点比较

a）抗散射栅 

b）多孔零件图

2)　采用增材制造技术制造的典型钨合金零件

工艺比较及选择

粉末冶金和增材制造是目前钨合金零件毛坯制造的两种主要方式，在钨合金毛坯的制备方面各有优劣。钨合金毛坯制备工艺的比较见表2，粉末冶金工艺相对更加成熟，获取的材质致密性更优，在稳定的批量生产上有优势；增材制造是近几年发展起来的新工艺，并衍生了多种不同的工艺路线，在具有复杂型腔的结构件制造上有优势。

表2　钨合金毛坯制备工艺的比较

为了追求更高的综合性能，航空航天、国防军工、核工业、医疗装备和电子等尖端领域的钨合金零件在结构特征上趋于复杂化，具有薄壁、曲面和多孔等复杂结构特征，传统的粉末冶金方法难以胜任。直接使用增材制造来生产相对密度高且无缺陷的纯钨合金零件仍然面临一些技术挑战。“3D打印+粉末冶金”相结合的金属间接3D打印技术——粉末挤出打印（PEP），采用钨合金粉体适配黏结剂，通过3D打印设备制备成形，再经过粉末冶金的脱脂烧结工艺进行后处理，从而最终获得致密度高、性能优异的结构件。该技术为解决钨合金机械加工及复杂结构生产难等问题提供了全新的解决方案，其低温成形、高温成性的特性，很好地解决了其他3D打印钨合金过程中极易出现的变形、裂纹和孔洞等问题。