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3D打印用金屬材料匯總

3D打印用金屬材料匯總
近幾年隨著3D打印技術的快速發展,它在航空航天、汽車、生物醫藥和建筑領域的應用范圍逐步拓寬,其方便快捷、材料利用率高等優勢不斷顯現。
目前,金屬3D打印技術主要有選擇性激光燒結(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,其使用高能激光源,可以熔融多種金屬粉末。國內外金屬3D打印機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、高熵合金等。常用的粉體為鈦粉、鋁合金粉和不銹鋼粉,鎳基粉。

工具鋼和馬氏體鋼
工具鋼的適用性來源于其優異的硬度、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,能夠承受不確定時間的工藝條件;馬氏體鋼,以馬氏體300為例,又稱“馬氏體時效”鋼,在時效過程中的高強度、韌性和尺寸穩定性都是眾所周知的。他們與其他鋼不同,因為他們是不含碳的,屬于金屬間化合物,通過豐富的鎳、鈷和鉬的冶金反應硬化。由于高硬度和耐磨性,馬氏體300才適用于許多模具的應用,例如,注塑模具、輕金屬合金鑄造、沖壓和擠壓等,同時,其也廣泛應用于航空航天、高強度機身部件和賽車零部件。

不銹鋼
不銹鋼具有耐化學腐蝕、耐高溫和力學性能良好等特性,由于其粉末成型性好、制備工藝簡單且成本低廉,是最早應用于3D金屬打印的材料。

目前,應用于金屬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,具有高強度和耐腐蝕性,可在很寬的溫度范圍下降到低溫,可應用于航空航天、石化等多種工程應用,也可以用于食品加工和醫療等領域。

馬氏體不銹鋼15-5PH,又稱馬氏體時效(沉淀硬化)不銹鋼,具有很高的強度、良好的韌性、耐腐蝕性,而且可以進一步的硬化,是無鐵素體。目前,廣泛應用于航空航天、石化、化工、食品加工、造紙和金屬加工業。

馬氏體不銹鋼17-4PH,在高達315℃下仍具有高強度高韌性,而且耐腐蝕性超強,隨著激光加工狀態可以帶來極佳的延展性。目前華中科技大學、南京航空航天大學、中北大學等院校在金屬3D打印方面研究比較深入;現在的研究主要集中在降低孔隙率、增加強度以及對熔化過程的金屬粉末球化機制等方面。

鈦合金
鈦合金具有耐高溫、高耐腐蝕性、高強度、低密度以及生物相容性等優點,在航空航天、化工、核工業、運動器材及醫療器械等領域得到了廣泛的應用。

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

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圖為F-35的鈦合金整體框,目前美國仍然只能使用水壓機來進行這種構件的生產

飛機鈦合金大型整體關鍵構件激光成形技術是“3D打印技術”的高端發展形勢,對航空工業來說是一場革命性的技術,而跑在這項技術前列的是中美兩國,而中國則領先美國。TiAl6V4(TC4)是最早使用于SLM工業生產的一種合金。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基復合噴灌已經成功應用于航空發動機燃燒室,工作溫度可達2200℃。

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日本京都大學利用3D打印技術打印了Ni-Ti合金人造骨

鋁合金
鋁合金具有優良的物理、化學和力學性能,在許多領域獲得了廣泛的應用,但是鋁合金自身的特性(如易氧化、高反射性和導熱性等)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、殘余應力、空隙缺陷及致密度等問題,這些問題主要通過嚴格的保護氣氛,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增材制造金屬粉末,可應用于薄壁零件如換熱器或其他汽車零部件,還可應用于航空航天及航空工業級的原型及生產零部件;硅/鎂組合使鋁合金更具強度和硬度,使其適用于薄壁以及復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合中。



第六代三叉戟II D5型彈道導彈使用了通過3D打印而生產的連接器后蓋,該部件可以保護導彈的電纜接頭。1英寸寬(2.5 cm)連接器后殼的附加打印工藝包括一層置于表面的細小鋁合金粉末層和一個激光或電子束加熱源,通過電腦控制,將粉末熔化,而后成固體金屬狀,其形態對應于這一層的最終產物。之后機器將放置下一層粉末并且重復這一過程直至這一零件加工完成。這一工藝不僅減少了材料的浪費,而且其加工時間縮短為傳統方法的一半。

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力環境下長期工作的一類金屬材料,其具有較高的高溫強度、良好的抗熱腐蝕性和抗氧化性能以及良好的塑性和韌性。目前按合金基體種類大致可分為鐵基、鎳基和鈷基合金3類。高溫合金主要用于高性能發動機,在現代先進的航空發動機中,高溫合金材料的使用量占發動機總質量的40%~60%?,F代高性能航空發動機的發展對高溫合金的使用溫度和性能的要求越來越高。傳統的鑄錠冶金工藝冷卻速度慢,鑄錠中某些元素和第二相偏析嚴重,熱加工性能差,組織不均勻,性能不穩定。而3D打印技術在高溫合金成形中成為解決技術瓶頸的新方法。美國航空航天局聲稱,在2014年8月22日進行的高溫點火試驗中,通過3D打印技術制造的火箭發動機噴嘴產生了創紀錄的9t推力。


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LEAP噴氣發動機采用3D打印的部件
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,適用于各種高端應用,例如,飛機渦輪發動機和陸基渦輪機等。Inconel 718合金是鎳基高溫合金中應用最早的一種,也是目前航空發動機使用量最多的一種合金。

鈷鉻合金具有高強度、耐腐蝕性強、良好的生物相容性以及無磁性的性能,主要應用于外科植入物包括合金人工關節、膝關節和髖關節,同時其還可用于發動機部件以及時裝、珠寶行業等。

鎂合金
鎂合金作為最輕的結構合金,由于其特殊的高強度和阻尼性能,在諸多應用領域鎂合金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,強度接近人骨,優異的生物相容性,在外科植入方面比傳統合金更有應用前景。

結語
3D打印技術自20世紀90年代出現以來,從一開始高分子材料的打印逐漸聚焦到金屬粉末的打印,一大批新技術、新設備和新材料被開發應用。金屬粉末的3D打印技術目前已取得了一定成果,但材料瓶頸勢必影響3D打印技術的推廣,3D打印技術對材料提出了更高的要求?,F在適用于工業用3D打印的金屬材料種類繁多,但是只有專用的粉末材料才能滿足工業生產要求。因此,金屬粉末的3D打印技術的發展依舊任重而道遠。

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