金属3D打印材料知多少？│中国铸造活动周&工业展

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          金属3D打印材料知多少？│中国铸造活动周&工业展

               
      “3D打印是一项基础技术，与其他技术融合发展后，可以在很多领域得到广泛应用。当前，我们对3D打印的认识和应用才刚刚开始，其爆发力还没有真正出来。”5月3日，在第五届世界3D打印技术产业大会新闻发布会上，中国3D打印技术产业联盟执行理事长罗军说。

               

   

3D打印，自20世纪90年代中期被发明以来，在近几年迎来了高速发展时期。不论是国家政府部门，还是传统企业，都在积极促进3D打印与行业间的深度融合，以期推动3D打印的市场应用，带动传统行业的转型升级。但是，从目前的实际情况来讲，3D打印还没有形成一个完善的产业链，制约它发展的原因有多种，其中3D打印材料的研发应用还不太成熟是一个较为关键的因素。

金属3D打印应用领域相当广泛，包括石化工程应用、航空航天、汽车制造、注塑模具、轻金属合金铸造、食品加工、医疗、造纸、电力工业、珠宝、时装等。

目前，金属3D打印技术主要有选择性激光烧结（SLS）、电子束熔融（EBM）、选择性激光熔化（SLM）和激光近净成形（LENS），其中选择性激光熔化为研究的热点，其使用高能激光源，可以熔融多种金属粉末。国内外金属3D打印机采用的金属粉末一般有：工具钢、马氏体钢、不锈钢、纯钛及钛合金、铝合金、镍基合金、铜基合金、钴铬合金等。常用的粉体为钛粉、铝合金粉和不锈钢粉。

         

       铜基材料

铜基合金是以铜为基加入一定量其他元素组成的合金。铜合金强度中等，易于加工，较耐疲劳，色泽美观，并具有良好的电导性、热导性和耐蚀性，是重有色金属材料中的一个重要分支。铜合金广泛使用于工业各部门中，其产量仅次于钢铁和铝，是金属材料中的第三大合金类别。

应用于3D打印的铜合金，俗称青铜，具有良好的导热性和导电性，可以结合设计自由度，产生复杂的内部结构和冷却通道，适合冷却更有效的工具插入模具，如半导体器件，也可用于微型换热器，具有壁薄、形状复杂的特征。

3D打印的铜合金零件具有良好的机械性能、优秀的细节表现及表面质量，以及易于打磨等优点，广泛应用于首饰和文化教育领域，也可用于微型换热器，具有薄壁、形状复杂的特征零件。

         

      工具钢和马氏体刚

以工具钢和马氏体钢为例，工具钢的适用性来源于其优异的硬度、耐磨性和抗形变能力，以及在高温下保持切削刃的能力。模具H13热作工具钢就是其中一种，能够承受不确定时间的工艺条件；马氏体钢，以马氏体300为例，又称“马氏体时效”钢，在时效过程中的高强度、韧性和尺寸稳定性都是众所周知的。他们与其他钢不同，因为他们是不含碳的，属于金属间化合物，通过丰富的镍、钴和钼的冶金反应硬化。由于高硬度和耐磨性，马氏体300才适用于许多模具的应用，例如，注塑模具、轻金属合金铸造、冲压和挤压等，同时，其也广泛应用于航空航天、高强度机身部件和赛车零部件。

   

      模具钢

模具钢的基本组织是由马氏体基体以及基体上分布着的碳化物和金属间化合物等构成，性能是由模具材料的成分和热处理后的组织所决定的。模具钢是用来制造冷冲模、热锻模、压铸模等模具的钢种。

主要应用于模型随形冷却水路、异形水路模具镶嵌件、滑块，典型应用于精密注塑模具、压铸模具制造，具有显著优势：

1. 大幅降低制造成本，使模具设计周期和产品设计周期一直，减少时间和材料消耗，从而提高整体的生产效益；

2. 有效降低残余应力，防止产品翘曲变形，保证尺寸精度；

3. 3D打印的特征是没有造型上的限制，即使是物体内复杂造型与管线，也就是说模具随形冷却水路可以实现任意形状的冷却通道设计，极大降低冷却时间；

4. 对比传统模具制造方式，3D打印模具使用寿命更长（上百万模次），生产效率更高（生产周期缩短30%-70%）。

         

      不锈钢

不锈钢（Stainless Steel）是不锈耐酸钢的简称，耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质或具有不锈性的钢种称为不锈钢。10.5%铬含量最低的钢合金，不锈钢不容易生锈腐蚀。由于两者在化学成分上的差异而使他们的耐蚀性不同，普通不锈钢一般不耐化学介质腐蚀，而耐酸钢则一般均具有不锈性。

目前，应用于金属3D打印的不锈钢主要有三种：奥氏体不锈钢316L、马氏体不锈钢15-5PH、马氏体不锈钢17-4PH。

奥氏体不锈钢316L，具有高强度和耐腐蚀性，可在很宽的温度范围下降到低温，可应用于航空航天、石化等多种工程应用，也可以用于食品加工和医疗等领域。

马氏体不锈钢15-5PH，又称马氏体时效（沉淀硬化）不锈钢，具有很高的强度、良好的韧性、耐腐蚀性，而且可以进一步的硬化，是无铁素体。目前，广泛应用于航空航天、石化、化工、食品加工、造纸和金属加工业。

马氏体不锈钢17-4PH，在高达315℃下仍具有高强度高韧性，而且耐腐蚀性超强，随着激光加工状态可以带来极佳的延展性。目前华中科技大学、南京航空航天大学、中北大学等院校在金属3D打印方面研究比较深入；现在的研究主要集中在降低孔隙率、增加强度以及对熔化过程的金属粉末球化机制等方面。

         

      钛合金

      钛合金具有耐高温、高耐腐蚀性、高强度、低密度以及生物相容性等优点，在航空航天、化工、核工业、运动器材及医疗器械等领域得到了广泛的应用。

      目前，应用于金属3D打印的钛合金主要是钛合金5级和钛合金23级，因为其优异的强度和韧性，结合耐腐蚀、低比重和生物相容性，所以在航空航天和汽车制造中具有非常理想的应用，而且，因为强度高、模量低、耐疲劳性强，应用于生产生物医学植入物。钛合金23级，纯度更高，是神级一样的牙科和医疗钛品级。

      飞机钛合金大型整体关键构件激光成形技术是“3D打印技术”的高端发展形势，对航空工业来说是一场革命性的技术，而跑在这项技术前列的是中美两国，而中国则领先美国。TiAl6V4（TC4）是最早使用于SLM工业生产的一种合金。但是3D打印钛零件由于钛本身的抗塑性剪切变形能力和耐磨性差，限制了其在高温和腐蚀耐磨条件下的使用。因此铼（Re）和镍（Ni）被引入钛合金中，3D打印的Re基复合喷灌已经成功应用于航空发动机燃烧室，工作温度可达2200℃。

               

      铝合金

铝合金具有优良的物理、化学和力学性能，在许多领域获得了广泛的应用，但是铝合金自身的特性（如易氧化、高反射性和导热性等）增加了选择性激光熔化制造的难度。目前，SLM成形铝合金中存在氧化、残余应力、空隙缺陷及致密度等问题，这些问题主要通过严格的保护气氛，增加激光功率，降低扫面速度等改善。

目前，应用于金属3D打印的铝合金主要集中在Al-Si-Mg系合金，主要有铝硅AlSi12和AlSi10Mg两种。AlSi12是具有良好的热性能的轻质增材制造金属粉末，可应用于薄壁零件如换热器或其他汽车零部件，还可应用于航空航天及航空工业级的原型及生产零部件；硅/镁组合使铝合金更具强度和硬度，使其适用于薄壁以及复杂的几何形状的零件，尤其是在具有良好的热性能和低重量场合中。

         

      镍基合金

一般情况下，镍基合金都具有良好的抗拉伸、抗疲劳和抗热疲劳性能。目前，主要有Inconel 738、Hastelloy X、Inconel 625、Inconel 713、Inconel 718等。

Inconel 738具有良好的高温蠕变断裂强度，抗热腐蚀性是较低铬含量的超合金，可长期暴露于高达920-980℃的高温腐蚀性的环境中，适用于飞机发动机、燃气轮机。

Hastelloy X在高温下具有高强度和抗氧化性，在高达1200℃的环境中，也具有良好的延展性，目前，主要应用于航空航天技术中，例如燃气轮机部件和燃烧区组件如过渡管、燃烧器罐、喷杆、排气管、加力燃烧室等；而且还因为具有耐应力腐蚀开裂的性能，应用于工业炉、石油化工及化学过程工业中。

Inconel 625在高温约815℃的条件下依然具有良好的负载性能，而且耐腐蚀性强，广泛应用于航空航天、化工及电力工业中。

Inconel 713具有优异的抗热疲劳性能，以及在927℃的特殊断裂强度，适用于喷气发动机燃气轮机叶片。

Inconel 718是基于铁镍硬化的超合金，具有良好的耐腐蚀性及耐热、拉伸、疲劳、蠕变性，适用于各种高端应用，例如，飞机涡轮发动机和陆基涡轮机等。

   

      钴铬合金

钴铬合金具有高强度、耐腐蚀性强、良好的生物相容性以及无磁性的性能，主要应用于外科植入物包括合金人工关节、膝关节和髋关节，同时其还可用于发动机部件以及时装、珠宝行业等。

我国3D打印技术正处于加速发展时期，金属3D打印材料研究不断加大力度，国家、各地方政府不断出台各种政策鼓励3D打印产业发展。基于此，2017中国铸造活动周技术交流专题特邀清华大学资深专家做了《智能铸型研究》报告，深度讲解3D打印铸型的应用进展，引起参会代表强烈关注。

   

      镁合金

镁合金作为最轻的结构合金，由于其特殊的高强度和阻尼性能，在诸多应用领域镁合金具有替代钢和铝合金的可能。例如镁合金在汽车以及航空器组件方面的轻量化应用，可降低燃料使用量和废气排放。镁合金具有原位降解性并且其杨氏模量低，强度接近人骨，优异的生物相容性，在外科植入方面比传统合金更有应用前景。

我国3D打印技术正处于加速发展时期，金属3D打印材料研究不断加大力度，国家、各地方政府不断出台各种政策鼓励3D打印产业发展。基于此，2017中国铸造活动周技术交流专题特邀清华大学材料学院资深专家做了《智能铸型研究》报告，深度讲解3D打印在铸造生产的应用，重点讲述了3D打印铸型技术研究成果，引起参会代表强烈关注。

      2018中国铸造活动周聚焦行业前沿技术应用，关于3D打印技术在铸造生产的最新应用进展情况将邀请相关专家进行深入讲解。同期举办的2018中国铸造工业展将有相关领域领军企业参展，展示3D打印设备、3D打印材料等。欢迎大家踊跃报名参会参展，现场与专家和相关企业深入交流。

孤独寒松

3D未来是发展方向，要是能够量产就好了。