4、金屬粉末
3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前,應用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料等,此外還有用于打印首飾用的金、銀等貴金屬粉末材料。 3D 打印金屬粉末作為金屬零件 3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈最重要的一環(huán),也是最大的價值所在。
在“2013年世界 3D 打印技術產(chǎn)業(yè)大會”上,世界 3D 打印行業(yè)的權威專家對3D打印金屬粉末給予明確定義,即指尺寸小于 1mm 的金屬顆粒群。 包括單一金屬粉末、合金粉末以及具有金屬性質(zhì)的某些難熔化合物粉末。目前,3D 打印金屬粉末材料包括鈷鉻合金、不銹鋼、工業(yè)鋼、青銅合金、鈦合金和鎳鋁合金等。但是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小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求。
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(yōu)點,在航空航天、化工、核工業(yè)、運動器材及醫(yī)療器械等領域得到了廣泛的應用。 傳統(tǒng)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,一架波音747飛機用鈦量達到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。 開發(fā)新型鈦基合金是鈦合金SLM應用研究的主要方向。由于鈦以及鈦合金的應變硬化指數(shù)低(近似為0.15),抗塑性剪切變形能力和耐磨性差,因而限制了其制件在高溫和腐蝕磨損條件下的使用。
然而錸(Re)的熔點很高,一般用于超高溫和強熱震工作環(huán)境,如美國 Ultramet公司采用金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)制備 Re基復合噴管已經(jīng)成功應用于航空發(fā)動機燃燒室,工作溫度可達2200℃。因此,Re-TI合金的制備在航空航天、核能源和電子領域具有重大意義。Ni具有磁性和良好的可塑性,因此Ni-TI合金是常用的一種形狀記憶合金。合金具有偽彈性、高彈性模量、阻尼特性、生物相容性和耐腐蝕性等性能。另外鈦合金多孔結(jié)構人造骨的研究日益增多,日本京都大學通過3D打印技術給4位頸椎間盤突出患者制作出不同的人造骨并成功移植,該人造骨即為Ni-TI合金。無人機
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。如華中科技大學、南京航空航天大學、東北大學等院校在金屬3D 打印方面研究比較深入?,F(xiàn)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。 李瑞迪等采用不同的工藝參數(shù),對304L不銹鋼粉末進行了SLM成形試驗,得出304L不銹鋼致密度經(jīng)驗公式,并總結(jié)出晶粒生長機制。
潘琰峰分析和探討了316L不銹鋼成形過程中球化產(chǎn)生機理和影響球化的因素,認為在激光功率和粉末層厚一定時,適當增大掃描速度可減小球化現(xiàn)象,在掃描速度和粉末層厚固定時,隨著激光功率的增大,球化現(xiàn)象加重。Ma等通過對1Cr18Ni9Ti不銹鋼粉末進行激光熔化,發(fā)現(xiàn)粉末層厚從60μm 增加到150μm時,枝晶間距從0.5μm增加到1.5μm,最后穩(wěn)定在2.0μm 左右,試樣的硬度依賴于熔化區(qū)域各向異性的微結(jié)構和晶粒大小。姜煒采用一系列的不銹鋼粉末,分別研究粉末特性和工藝參數(shù)對SLM成形質(zhì)量的影響,結(jié)果表明,粉末材料的特殊性能和工藝參數(shù)對SLM 成形影響的機理主要是在于對選擇性激光成形過程當中熔池質(zhì)量的影響,工藝參數(shù)(激光功率、掃描速度)主要影響熔池的深度和寬度,從而決定SLM 成形件的質(zhì)量。
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(huán)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(fā)動機,在現(xiàn)代先進的航空發(fā)動機中,高溫合金材料的使用量占發(fā)動機總質(zhì)量的40%~60%。現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機的發(fā)展對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(wěn)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(fā)動機噴嘴產(chǎn)生了創(chuàng)紀錄的9t推力。無人機
鎂合金
鎂合金作為最輕的結(jié)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(yōu)異的生物相容性,在外科植入方面比傳統(tǒng)合金更有應用前景。
結(jié)語
3D打印技術自20世紀90年代出現(xiàn)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(fā)應用。當前,信息技術創(chuàng)新步伐不斷推進,工業(yè)生產(chǎn)正步入智能化、數(shù)字化的新階段。2014年德國提出“工業(yè)4.0”發(fā)展計劃,勢必引起工業(yè)領域顛覆性的改變與創(chuàng)新,而3D打印技術將是工業(yè)智能化發(fā)展的強大推力。金屬粉末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(xiàn)適用于工業(yè)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(yè)生產(chǎn)要求。
3D 打印金屬材料的發(fā)展方向主要有3個方面:
一是如何在現(xiàn)有使用材料的基礎上加強材料結(jié)構和屬性之間的關系研究,根據(jù)材料的性質(zhì)進一步優(yōu)化工藝參數(shù),增加打印速度,降低孔隙率和氧含量,改善表面質(zhì)量;
二是研發(fā)新材料 使其適用于3D打印,如開發(fā)耐腐蝕、耐高溫和綜合力學性能優(yōu)異的新材料;
三是修訂并完善3D打印粉體材料技術標準體系,實現(xiàn)金屬材料打印技術標準的制度化和常態(tài)化。