簡(jiǎn)介

    金屬3D打印材料的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，例如，石化工程應(yīng)用、航空航天、汽車制造、注塑模具、輕金屬合金鑄造、食品加工、醫(yī)療、造紙、電力工業(yè)、珠寶、時(shí)裝等。

    目前，金屬3D打印技術(shù)主要有選擇性激光燒結(jié)（SLS）、電子束熔融（EBM）、選擇性激光熔化（SLM）和激光近凈成形（LENS），其中選擇性激光熔化為研究的熱點(diǎn)，其使用高能激光源，可以熔融多種金屬粉末。

    國(guó)內(nèi)外金屬3D打印機(jī)采用的金屬粉末一般有：工具鋼、馬氏體鋼、不銹鋼、純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、銅基合金、鈷鉻合金等。常用的粉體為鈦粉、鋁合金粉和不銹鋼粉。

    匯總

    工具鋼和馬氏體鋼

    工具鋼的適用性來源于其優(yōu)異的硬度、耐磨性和抗形變能力，以及在高溫下保持切削刃的能力。模具H13熱作工具鋼就是其中一種，能夠承受不確定時(shí)間的工藝條件；馬氏體鋼，以馬氏體300為例，又稱“馬氏體時(shí)效”鋼，在時(shí)效過程中的高強(qiáng)度、韌性和尺寸穩(wěn)定性都是眾所周知的。

    他們與其他鋼不同，因?yàn)樗麄兪遣缓嫉模瑢儆诮饘匍g化合物，通過豐富的鎳、鈷和鉬的冶金反應(yīng)硬化。由于高硬度和耐磨性，馬氏體300才適用于許多模具的應(yīng)用，例如，注塑模具、輕金屬合金鑄造、沖壓和擠壓等，同時(shí)，其也廣泛應(yīng)用于航空航天、高強(qiáng)度機(jī)身部件和賽車零部件。

GKN Hoeganaes金屬粉末

    不銹鋼

    不銹鋼與碳鋼不同，目前的鉻含量不同，10.5%鉻含量最低的鋼合金，不銹鋼不容易生銹腐蝕。目前，應(yīng)用于金屬3D打印的不銹鋼主要有三種：

    奧氏體不銹鋼316L、馬氏體不銹鋼15-5PH、馬氏體不銹鋼17-4PH。

    奧氏體不銹鋼316L，具有高強(qiáng)度和耐腐蝕性，可在很寬的溫度范圍下降到低溫，可應(yīng)用于航空航天、石化等多種工程應(yīng)用，也可以用于食品加工和醫(yī)療等領(lǐng)域。

    馬氏體不銹鋼15-5PH，又稱馬氏體時(shí)效（沉淀硬化）不銹鋼，具有很高的強(qiáng)度、良好的韌性、耐腐蝕性，而且可以進(jìn)一步的硬化，是無鐵素體。目前，廣泛應(yīng)用于航空航天、石化、化工、食品加工、造紙和金屬加工業(yè)。馬氏體不銹鋼17-4PH，在高達(dá)315℃下仍具有高強(qiáng)度高韌性，而且耐腐蝕性超強(qiáng)，隨著激光加工狀態(tài)可以帶來極佳的延展性。

    鈦合金

    鈦合金具有耐高溫、高耐腐蝕性、高強(qiáng)度、低密度以及生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、化工、核工業(yè)、運(yùn)動(dòng)器材及醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

    傳統(tǒng)鍛造和鑄造技術(shù)制備的鈦合金件已被廣泛地應(yīng)用在高新技術(shù)領(lǐng)域，如美國(guó)F14、F15、F117、B2和F22軍機(jī)的用鈦比例分別為：24%、27%、25%、26%和42%，一架波音747飛機(jī)用鈦量達(dá)到42.7t。但是傳統(tǒng)鍛造和鑄造方法生產(chǎn)大型鈦合金零件，由于產(chǎn)品成本高、工藝復(fù)雜、材料利用率低以及后續(xù)加工困難等不利因素，阻礙了其更為廣泛的應(yīng)用。而金屬3D打印技術(shù)可以從根本上解決這些問題，因此該技術(shù)近年來成為一種直接制造鈦合金零件的新型技術(shù)。

    TiAl6V4（TC4）是最早使用于SLM工業(yè)生產(chǎn)的一種合金。但是3D打印鈦零件由于鈦本身的抗塑性剪切變形能力和耐磨性差，限制了其在高溫和腐蝕耐磨條件下的使用。因此錸（Re）和鎳（Ni）被引入鈦合金中，3D打印的Re基復(fù)合噴灌已經(jīng)成功應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，工作溫度可達(dá)2200℃。

    鋁合金

    鋁合金具有優(yōu)良的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，在許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但是鋁合金自身的特性（如易氧化、高反射性和導(dǎo)熱性等）增加了選擇性激光熔化制造的難度。

    目前，SLM成形鋁合金中存在氧化、殘余應(yīng)力、空隙缺陷及致密度等問題，這些問題主要通過嚴(yán)格的保護(hù)氣氛，增加激光功率，降低掃面速度等改善。目前，SLM成形鋁合金材料主要集中在Al-Si-Mg系合金，主要有鋁硅AlSi12和AlSi10Mg兩種。

    鋁硅12，是具有良好的熱性能的輕質(zhì)增材制造金屬粉末，可應(yīng)用于薄壁零件，如換熱器或其他汽車零部件，還可應(yīng)用于航空航天及航空工業(yè)級(jí)的原型及生產(chǎn)零部件；硅/鎂組合使鋁合金更具強(qiáng)度和硬度，使其適用于薄壁以及復(fù)雜的幾何形狀的零件，尤其是在具有良好的熱性能和低重量場(chǎng)合中。

    高溫合金

    高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力環(huán)境下長(zhǎng)期工作的一類金屬材料，其具有較高的高溫強(qiáng)度、良好的抗熱腐蝕性和抗氧化性能以及良好的塑性和韌性。

鐵基合金粉末

    目前按合金基體種類大致可分為鐵基、鎳基和鈷基合金三大類。高溫合金主要用于高性能發(fā)動(dòng)機(jī)，在現(xiàn)代先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金材料的使用量占發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的40%～60%。

    現(xiàn)代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展對(duì)高溫合金的使用溫度和性能的要求越來越高。傳統(tǒng)的鑄錠冶金工藝?yán)鋮s速度慢，鑄錠中某些元素和第二相偏析嚴(yán)重，熱加工性能差，組織不均勻，性能不穩(wěn)定。

    而3D打印技術(shù)在高溫合金成形中成為解決技術(shù)瓶頸的新方法。美國(guó)航空航天局聲稱，在2014年8月22日進(jìn)行的高溫點(diǎn)火試驗(yàn)中，通過3D打印技術(shù)制造的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴產(chǎn)生了創(chuàng)紀(jì)錄的9噸推力。

    Inconel 718是基于鐵鎳硬化的超合金，具有良好的耐腐蝕性及耐熱、拉伸、疲勞、蠕變性，適用于各種高端應(yīng)用，例如，飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和陸基渦輪機(jī)等。Inconel 718合金是鎳基高溫合金中應(yīng)用最早的一種，也是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用量最多的一種合金。

    鈷鉻合金具有高強(qiáng)度、耐腐蝕性強(qiáng)、良好的生物相容性以及無磁性的性能，主要應(yīng)用于外科植入物包括合金人工關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)，同時(shí)還可用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件以及時(shí)裝、珠寶行業(yè)等。

    鎂合金

    鎂合金作為最輕的結(jié)構(gòu)合金，由于其特殊的高強(qiáng)度和阻尼性能，在諸多應(yīng)用領(lǐng)域具有替代鋼和鋁合金的可能。例如鎂合金在汽車以及航空器組件方面的輕量化應(yīng)用，可降低燃料使用量和廢氣排放。

    鎂合金具有原位降解性，并且其楊氏模量低，強(qiáng)度接近人骨，有優(yōu)異的生物相容性，在外科植入方面比傳統(tǒng)合金更有應(yīng)用前景。

    銅基合金

    應(yīng)用于市場(chǎng)的銅基合金，俗稱青銅，具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，可以結(jié)合設(shè)計(jì)自由度，產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和冷卻通道，適合冷卻更有效的工具插入模具，如半導(dǎo)體器件，也可用于微型換熱器，具有壁薄、形狀復(fù)雜的特征。

    小結(jié)

    現(xiàn)在適用于工業(yè)用3D打印的金屬材料種類繁多，但是大部分只有專用的粉末材料才能滿足3D找印的工業(yè)生產(chǎn)要求。簡(jiǎn)單概括，3D 打印金屬粉末除需具備良好的可塑性外，還必須滿足粉末粒徑細(xì)小、粒度分布較窄、球形度高、流動(dòng)性好和松裝密度高等要求。

    相比國(guó)外，國(guó)內(nèi)金屬3D打印材料大部分依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴，這也促使國(guó)內(nèi)致力于3D打印金屬材料的企業(yè)和機(jī)構(gòu)自主研發(fā)金屬3D打印材料。

    最具代表性的可提供金屬材料及服務(wù)的企業(yè)有西安鉑力特、中航邁特、無錫銀邦、上海材料研究所、上海康速金屬材料、鑫烯三維科技等企業(yè)；支持金屬3D打印的設(shè)備公司有，中航天地、武漢濱湖、廣東信達(dá)雅、永年激光、南京煜宸、中山漢邦、鑫精合、華曙高科、多能正光、北京隆源、易加三維、恒通智能、吳江中瑞、北方恒利等企業(yè)。

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