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(jin)屬3D打印機采用的金(jin)屬粉(fen)末一(yi)般有(you)：工具鋼、馬氏體鋼、不銹鋼、純鈦及鈦合金(jin)、鋁(lv)合金(jin)、鎳基合金(jin)、銅基合金(jin)、鈷鉻合金(jin)、高熵合金(jin)等。常用的粉(fen)體為鈦粉(fen)、鋁(lv)合金(jin)粉(fen)和不銹鋼粉(fen),鎳基粉(fen)。

工具鋼和馬氏體鋼
工具(ju)(ju)(ju)鋼(gang)(gang)的(de)適(shi)用(yong)(yong)性(xing)來源于其(qi)優異的(de)硬度(du)、耐磨性(xing)和(he)(he)抗(kang)形變能(neng)力，以及在(zai)高(gao)溫下保持切削刃的(de)能(neng)力。模具(ju)(ju)(ju)H13熱作工具(ju)(ju)(ju)鋼(gang)(gang)就是(shi)其(qi)中(zhong)一種(zhong)，能(neng)夠承(cheng)受不(bu)(bu)確定時(shi)間(jian)的(de)工藝條件(jian)(jian)；馬(ma)(ma)(ma)氏(shi)體(ti)(ti)鋼(gang)(gang)，以馬(ma)(ma)(ma)氏(shi)體(ti)(ti)300為例(li)，又(you)稱“馬(ma)(ma)(ma)氏(shi)體(ti)(ti)時(shi)效”鋼(gang)(gang)，在(zai)時(shi)效過程中(zhong)的(de)高(gao)強(qiang)度(du)、韌性(xing)和(he)(he)尺寸穩(wen)定性(xing)都是(shi)眾所周知的(de)。他(ta)們與其(qi)他(ta)鋼(gang)(gang)不(bu)(bu)同，因為他(ta)們是(shi)不(bu)(bu)含碳的(de)，屬(shu)于金(jin)屬(shu)間(jian)化合物，通過豐富的(de)鎳、鈷和(he)(he)鉬的(de)冶金(jin)反應(ying)硬化。由于高(gao)硬度(du)和(he)(he)耐磨性(xing)，馬(ma)(ma)(ma)氏(shi)體(ti)(ti)300才適(shi)用(yong)(yong)于許(xu)多模具(ju)(ju)(ju)的(de)應(ying)用(yong)(yong)，例(li)如，注塑(su)模具(ju)(ju)(ju)、輕金(jin)屬(shu)合金(jin)鑄造、沖(chong)壓(ya)和(he)(he)擠(ji)壓(ya)等，同時(shi)，其(qi)也廣泛應(ying)用(yong)(yong)于航空航天、高(gao)強(qiang)度(du)機身部件(jian)(jian)和(he)(he)賽車零部件(jian)(jian)。

不銹鋼
不銹鋼具(ju)有耐化學(xue)腐(fu)蝕、耐高溫和力學(xue)性(xing)能良好等特(te)性(xing)，由于其(qi)粉末成型性(xing)好、制備工藝簡單且成本低廉，是最(zui)早應(ying)用于3D金屬打(da)印的材料(liao)。

目前，應(ying)用于金屬3D打印(yin)的不銹鋼主要(yao)有三(san)種：奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)不銹鋼316L、馬(ma)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)不銹鋼15-5PH、馬(ma)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)不銹鋼17-4PH。

奧氏體(ti)不(bu)銹(xiu)鋼316L，具有高強度和耐腐蝕(shi)性，可在很(hen)寬的溫度范圍下(xia)降到低溫，可應用于航空航天、石(shi)化等(deng)多種工(gong)程應用，也可以用于食品加工(gong)和醫療(liao)等(deng)領(ling)域。

馬氏體(ti)不(bu)銹鋼(gang)(gang)15-5PH，又稱馬氏體(ti)時效(xiao)（沉淀硬(ying)(ying)化）不(bu)銹鋼(gang)(gang)，具(ju)有很高的(de)強度、良好的(de)韌性、耐腐蝕性，而且可以(yi)進一步的(de)硬(ying)(ying)化，是無(wu)鐵(tie)素體(ti)。目(mu)前，廣(guang)泛應用于航(hang)空(kong)航(hang)天、石化、化工(gong)、食品加(jia)工(gong)、造紙和金(jin)屬加(jia)工(gong)業。

馬氏體不銹鋼(gang)17-4PH，在高達315℃下(xia)仍(reng)具有高強度(du)高韌性(xing)(xing)，而(er)且(qie)耐(nai)腐蝕性(xing)(xing)超強，隨著激(ji)光加工狀態可以帶來極佳(jia)的延展性(xing)(xing)。目(mu)前(qian)華中(zhong)科技大(da)(da)學(xue)、南京航空航天(tian)大(da)(da)學(xue)、中(zhong)北大(da)(da)學(xue)等(deng)院(yuan)校(xiao)在金屬(shu)3D打印方面(mian)研究(jiu)(jiu)比較深入；現在的研究(jiu)(jiu)主要集中(zhong)在降低孔隙(xi)率、增加強度(du)以及(ji)對熔化過程(cheng)的金屬(shu)粉末球化機制(zhi)等(deng)方面(mian)。

鈦合金
鈦合金(jin)具有(you)耐(nai)高溫、高耐(nai)腐蝕性(xing)、高強度、低密度以及(ji)生物(wu)相容性(xing)等(deng)(deng)優點，在航空航天、化工、核工業、運動(dong)器(qi)材及(ji)醫(yi)療器(qi)械等(deng)(deng)領域得到了(le)廣泛(fan)的應用。

傳統鍛造(zao)和鑄(zhu)造(zao)技(ji)術制(zhi)備(bei)的(de)鈦(tai)合(he)金件已被廣(guang)泛(fan)地(di)應用(yong)在高新(xin)技(ji)術領域，如美國F14、F15、F117、B2和F22軍(jun)機(ji)的(de)用(yong)鈦(tai)比例分別為(wei)(wei)(wei)：24%、27%、25%、26%和42%，一(yi)架波音747飛機(ji)用(yong)鈦(tai)量達到42.7t。但是(shi)傳統鍛造(zao)和鑄(zhu)造(zao)方法生產(chan)大型鈦(tai)合(he)金零件，由于產(chan)品成本(ben)高、工(gong)藝復雜、材料利用(yong)率低以(yi)及后(hou)續加工(gong)困(kun)難等(deng)不利因(yin)素，阻礙了其更為(wei)(wei)(wei)廣(guang)泛(fan)的(de)應用(yong)。而金屬3D打印(yin)技(ji)術可(ke)以(yi)從根本(ben)上解決這些問(wen)題，因(yin)此該(gai)技(ji)術近年來成為(wei)(wei)(wei)一(yi)種直接制(zhi)造(zao)鈦(tai)合(he)金零件的(de)新(xin)型技(ji)術。

圖為F-35的(de)鈦合金整體框，目前美(mei)國仍然只能使用水壓機(ji)來(lai)進(jin)行(xing)這種構件的(de)生產

飛機鈦(tai)合金(jin)大型整體關鍵構件(jian)激(ji)光成形(xing)技(ji)術是“3D打印技(ji)術”的(de)(de)(de)高端發(fa)展形(xing)勢，對航空工業(ye)來說是一(yi)場革命性(xing)(xing)的(de)(de)(de)技(ji)術，而(er)跑(pao)在這項(xiang)技(ji)術前列的(de)(de)(de)是中(zhong)(zhong)美兩國(guo)(guo)，而(er)中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)則領先美國(guo)(guo)。TiAl6V4（TC4）是最早(zao)使(shi)用(yong)于SLM工業(ye)生產的(de)(de)(de)一(yi)種合金(jin)。但是3D打印鈦(tai)零件(jian)由于鈦(tai)本(ben)身的(de)(de)(de)抗塑性(xing)(xing)剪切變形(xing)能力和耐磨性(xing)(xing)差，限制(zhi)了其(qi)在高溫(wen)和腐(fu)蝕耐磨條件(jian)下(xia)的(de)(de)(de)使(shi)用(yong)。因(yin)此錸（Re）和鎳（Ni）被引入(ru)鈦(tai)合金(jin)中(zhong)(zhong)，3D打印的(de)(de)(de)Re基復合噴灌已經成功(gong)應用(yong)于航空發(fa)動機燃燒室，工作(zuo)溫(wen)度可達2200℃。

日本京都大(da)學利用(yong)3D打印技術打印了Ni-Ti合(he)金人造骨(gu)

鋁合金
鋁(lv)合(he)金具有優良的(de)(de)(de)物理、化學和(he)力學性(xing)能，在(zai)許多領域獲(huo)得(de)了廣泛的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)，但是鋁(lv)合(he)金自身的(de)(de)(de)特性(xing)（如易氧(yang)化、高反射(she)性(xing)和(he)導熱性(xing)等(deng)）增(zeng)(zeng)加了選擇性(xing)激光熔化制造的(de)(de)(de)難度(du)。目前，SLM成形(xing)鋁(lv)合(he)金中存在(zai)氧(yang)化、殘余應(ying)力、空(kong)(kong)隙(xi)缺(que)陷及(ji)致密度(du)等(deng)問題，這(zhe)些問題主(zhu)要(yao)通過嚴格(ge)的(de)(de)(de)保護氣氛，增(zeng)(zeng)加激光功率，降低(di)掃面(mian)速(su)度(du)等(deng)改善(shan)。目前，SLM成形(xing)鋁(lv)合(he)金材(cai)料主(zhu)要(yao)集中在(zai)Al-Si-Mg系合(he)金，主(zhu)要(yao)有鋁(lv)硅AlSi12和(he)AlSi10Mg兩(liang)種。鋁(lv)硅12，是具有良好的(de)(de)(de)熱性(xing)能的(de)(de)(de)輕質增(zeng)(zeng)材(cai)制造金屬(shu)粉末，可(ke)(ke)應(ying)用(yong)于薄壁零件如換熱器或其(qi)他汽車零部(bu)件，還(huan)可(ke)(ke)應(ying)用(yong)于航空(kong)(kong)航天(tian)及(ji)航空(kong)(kong)工業級的(de)(de)(de)原型及(ji)生(sheng)產(chan)零部(bu)件；硅/鎂組合(he)使(shi)鋁(lv)合(he)金更(geng)具強度(du)和(he)硬度(du)，使(shi)其(qi)適用(yong)于薄壁以及(ji)復雜(za)的(de)(de)(de)幾何形(xing)狀的(de)(de)(de)零件，尤其(qi)是在(zai)具有良好的(de)(de)(de)熱性(xing)能和(he)低(di)重(zhong)量場合(he)中。

第(di)六代(dai)三(san)叉戟II D5型(xing)彈(dan)道(dao)導(dao)彈(dan)使用了(le)通過3D打印而(er)生(sheng)產(chan)的(de)(de)連(lian)接器后(hou)(hou)蓋，該部件可以(yi)保護導(dao)彈(dan)的(de)(de)電(dian)纜接頭。1英寸(cun)寬（2.5 cm）連(lian)接器后(hou)(hou)殼的(de)(de)附加打印工藝(yi)包括一(yi)(yi)(yi)層置于(yu)(yu)表面的(de)(de)細小(xiao)鋁(lv)合(he)金(jin)(jin)粉(fen)末層和一(yi)(yi)(yi)個(ge)激光(guang)或電(dian)子束加熱源，通過電(dian)腦控制，將粉(fen)末熔化，而(er)后(hou)(hou)成固體金(jin)(jin)屬(shu)狀，其形態對應(ying)于(yu)(yu)這(zhe)一(yi)(yi)(yi)層的(de)(de)最終產(chan)物。之(zhi)后(hou)(hou)機器將放(fang)置下一(yi)(yi)(yi)層粉(fen)末并且重(zhong)復這(zhe)一(yi)(yi)(yi)過程直至(zhi)這(zhe)一(yi)(yi)(yi)零件加工完成。這(zhe)一(yi)(yi)(yi)工藝(yi)不僅減少了(le)材料(liao)的(de)(de)浪費，而(er)且其加工時間縮(suo)短(duan)為傳(chuan)統方法的(de)(de)一(yi)(yi)(yi)半。

高溫合金
高溫(wen)(wen)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)是指以鐵、鎳、鈷(gu)為基(ji)(ji)，能(neng)(neng)在(zai)600℃以上的(de)(de)(de)(de)高溫(wen)(wen)及一定(ding)應力(li)環境(jing)下長期工(gong)(gong)作的(de)(de)(de)(de)一類(lei)金(jin)(jin)(jin)屬材(cai)料，其具有較高的(de)(de)(de)(de)高溫(wen)(wen)強(qiang)度、良(liang)(liang)好的(de)(de)(de)(de)抗熱腐蝕性(xing)(xing)(xing)(xing)和抗氧化性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)以及良(liang)(liang)好的(de)(de)(de)(de)塑性(xing)(xing)(xing)(xing)和韌性(xing)(xing)(xing)(xing)。目前按合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)基(ji)(ji)體種(zhong)類(lei)大致可分(fen)為鐵基(ji)(ji)、鎳基(ji)(ji)和鈷(gu)基(ji)(ji)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)3類(lei)。高溫(wen)(wen)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)主要(yao)用于高性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)發動(dong)(dong)機，在(zai)現(xian)(xian)代(dai)(dai)先進(jin)的(de)(de)(de)(de)航(hang)空(kong)發動(dong)(dong)機中，高溫(wen)(wen)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)使(shi)用量(liang)占發動(dong)(dong)機總質量(liang)的(de)(de)(de)(de)40%～60%。現(xian)(xian)代(dai)(dai)高性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)航(hang)空(kong)發動(dong)(dong)機的(de)(de)(de)(de)發展對高溫(wen)(wen)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)使(shi)用溫(wen)(wen)度和性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)要(yao)求越來(lai)越高。傳統的(de)(de)(de)(de)鑄(zhu)錠冶金(jin)(jin)(jin)工(gong)(gong)藝冷卻(que)速度慢，鑄(zhu)錠中某(mou)些元素(su)和第二相偏(pian)析(xi)嚴(yan)重，熱加工(gong)(gong)性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)差，組織不均勻，性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)不穩定(ding)。而3D打印(yin)技(ji)術(shu)在(zai)高溫(wen)(wen)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)成形中成為解決技(ji)術(shu)瓶頸的(de)(de)(de)(de)新方(fang)法。美國(guo)航(hang)空(kong)航(hang)天局聲(sheng)稱(cheng)，在(zai)2014年8月22日(ri)進(jin)行(xing)的(de)(de)(de)(de)高溫(wen)(wen)點火試驗中，通(tong)過3D打印(yin)技(ji)術(shu)制造的(de)(de)(de)(de)火箭(jian)發動(dong)(dong)機噴嘴產生了創紀錄的(de)(de)(de)(de)9t推力(li)。

LEAP噴氣發動機采用3D打印的部件
Inconel 718是基于鐵(tie)鎳硬化(hua)的(de)超合(he)金(jin)，具有良(liang)好的(de)耐(nai)腐蝕性(xing)(xing)及耐(nai)熱、拉伸(shen)、疲勞、蠕變性(xing)(xing)，適用(yong)于各種高端應(ying)用(yong)，例如(ru)，飛機渦(wo)輪發動機和陸基渦(wo)輪機等。Inconel 718合(he)金(jin)是鎳基高溫合(he)金(jin)中應(ying)用(yong)最早(zao)的(de)一種，也是目前航(hang)空發動機使用(yong)量最多的(de)一種合(he)金(jin)。

鈷(gu)鉻合金具有高強度、耐腐蝕性強、良好的(de)生物(wu)相(xiang)容性以及(ji)(ji)無(wu)磁性的(de)性能，主要應用于外科植入物(wu)包括合金人工關(guan)節、膝關(guan)節和髖關(guan)節，同(tong)時其還(huan)可用于發動機(ji)部件以及(ji)(ji)時裝、珠寶(bao)行業等(deng)。

鎂合金
鎂(mei)合(he)金(jin)(jin)作為(wei)最輕(qing)(qing)的結構(gou)合(he)金(jin)(jin)，由于其(qi)(qi)特殊的高強度和阻(zu)尼性(xing)能(neng)，在(zai)諸多(duo)應(ying)用(yong)(yong)領(ling)域鎂(mei)合(he)金(jin)(jin)具有替代鋼和鋁合(he)金(jin)(jin)的可(ke)能(neng)。例如鎂(mei)合(he)金(jin)(jin)在(zai)汽車(che)以及(ji)航空器組件方面(mian)的輕(qing)(qing)量(liang)化應(ying)用(yong)(yong)，可(ke)降(jiang)(jiang)低燃料使用(yong)(yong)量(liang)和廢(fei)氣排放(fang)。鎂(mei)合(he)金(jin)(jin)具有原位降(jiang)(jiang)解性(xing)并且其(qi)(qi)楊(yang)氏模量(liang)低，強度接(jie)近人(ren)骨，優(you)異的生物相容性(xing)，在(zai)外(wai)科植入方面(mian)比(bi)傳統合(he)金(jin)(jin)更有應(ying)用(yong)(yong)前景。

結語
3D打(da)印(yin)技術(shu)(shu)自(zi)20世紀90年代(dai)出現(xian)以(yi)來，從(cong)一開(kai)始(shi)高分子材(cai)(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)(de)打(da)印(yin)逐漸聚焦到(dao)金屬(shu)(shu)粉(fen)末(mo)的(de)(de)(de)打(da)印(yin)，一大批新(xin)(xin)技術(shu)(shu)、新(xin)(xin)設備(bei)和新(xin)(xin)材(cai)(cai)(cai)(cai)料被(bei)開(kai)發應用(yong)。金屬(shu)(shu)粉(fen)末(mo)的(de)(de)(de)3D打(da)印(yin)技術(shu)(shu)目前已取得了(le)一定成果，但材(cai)(cai)(cai)(cai)料瓶頸勢必影(ying)響3D打(da)印(yin)技術(shu)(shu)的(de)(de)(de)推廣，3D打(da)印(yin)技術(shu)(shu)對材(cai)(cai)(cai)(cai)料提出了(le)更高的(de)(de)(de)要(yao)求。現(xian)在適(shi)用(yong)于(yu)工(gong)業(ye)用(yong)3D打(da)印(yin)的(de)(de)(de)金屬(shu)(shu)材(cai)(cai)(cai)(cai)料種類繁多，但是只有專用(yong)的(de)(de)(de)粉(fen)末(mo)材(cai)(cai)(cai)(cai)料才能滿(man)足工(gong)業(ye)生(sheng)產要(yao)求。因(yin)此，金屬(shu)(shu)粉(fen)末(mo)的(de)(de)(de)3D打(da)印(yin)技術(shu)(shu)的(de)(de)(de)發展依舊任重而道遠。