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3D打印金属材料及其应用概述

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3D打印金属材料及其应用概述

发布日期:2019-11-23 作者: 点击:

金属材料根据2018 年的Wohlers Report 报道,金属增材制造产业有了明显发展。文中指出,2017 年售出1768 套金属3D 打印设备,相比2016 年的983 套增长了将近80%。作为3D打印中非常重要的材料,金属材料在汽车、模具、能源、航空航天、生物等行业中都有广阔的应用前景。

3D打印金属雾化制粉设备

3D 打印金属材料主要有粉末形式和丝材形式。粉末材料是常用的材料,可用于激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)、激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)、电子束选区熔化(Electron Beam Melting,EBM)等多种3D打印工艺;丝材则适合于电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacture,WAAM)等工艺。

为了满足3D打印金属雾化制粉设备的工艺需求,金属粉末必须满足一定的要求。粉末的流动性是粉末的重要特性之一,所有使用金属粉末作为耗材的3D打印工艺在制造过程中均涉及粉末的流动,金属粉末的流动性直接影响到SLM、EBM 中的铺粉均匀性和LENS 中的送粉稳定性,若流动性太差会造成打印精度降低甚至打印失败。粉末的流动性受粉末粒径、粒径分布、粉末形状、所吸收的水分等多方面的影响,一般为了保证粉末的流动性,要求粉末是球形或近球形,粒径在十几微米到一百微米之间,过小的粒径容易造成粉体的团聚,而过大的粒径会导致打印精度的降低。此外,为了获得更致密的零件,一般希望粉体的松装密度越高越好,采用级配粉末比采用单一粒径分布的粉末更容易获得高的松装密度。目前3D打印所使用的金属粉末的制备方法主要是雾化法。雾化法主要包括水雾化法和气雾化法两种,气雾化制备的粉末相比于水雾化粉末纯度高、氧含量低、粉末粒度可控、生产成本低以及球形度高,是高性能及特种合金粉末制备技术的主要发展方向。

3D打印金属雾化制粉设备所使用的金属丝材与传统的焊丝相同,理论上凡能在工艺条件下熔化的金属都可作为3D 打印的材料。丝材制造的工艺很成熟,材料成本相比粉材要低很多。

按照材料种类划分,3D打印金属材料可以分为铁基合金、钛及钛基合金、镍基合金、钴铬合金、铝合金、铜合金及等。

铁基合金是3D 打印金属材料中研究较早、较深入的一类合金,较常用的铁基合金有工具钢、316L 不锈钢、M2 高速钢、H13 模具钢和15-5PH 马氏体时效钢等。铁基合金使用成本较低、硬度高、韧性好,同时具有良好的机械加工性,特别适合于模具制造。3D打印随形水道模具是铁基合金的一大应用,传统工艺异形水道难以加工,而3D打印可以控制冷却流道的布置与型腔的几何形状基本一致(图2),能提升温度场的均匀性,有效降低产品缺陷并提高模具寿命。

钛及钛合金以其显著的比强度高、耐热性好、耐腐蚀、生物相容性好等特点,成为器械、化工设备、航空航天及运动器材等领域的理想材料。然而钛合金属于典型的难加工材料,加工时应力大、温度高,刀具磨损严重,限制了钛合金的广泛应用。而3D打印技术特别适合钛及钛合金的制造,一是3D打印时处于保护气氛环境中,钛不易与氧、氮等元素发生反应,微区局部的快速加热冷却也限制了合金元素的挥发;二是无需切削加工便能制造复杂的形状,且基于粉材或丝材材料利用率高,不会造成原材料的浪费,大大降低了制造成本。目前3D打印钛及钛合金的种类有纯Ti、Ti6A14V(TC4)和Ti6A17Nb,可广泛应用于航空航天零件(图3)及人工植入体(如骨骼,牙齿等)。

镍基合金是一类发展快、应用广的高温合金,其在650~1000°C 高温下有较高的强度和一定的抗氧化腐蚀能力,广泛用于航空航天、石油化工、船舶、能源等领域。例如,镍基高温合金可以用在航空发动机的涡轮叶片与涡。常用的3D打印镍基合金牌号有Inconel 625、Inconel718及Inconel 939等。

钴基合金也可作为高温合金使用,但因资源缺乏,发展受限。由于钴基合金具有比钛合金更良好的生物相容性,目前多作为医用材料使用,用于牙科植入体和骨科植入体的制造。目前常用的3D 打印钴基合金牌号有Co 212、Co 452、Co 502和CoCr28Mo6等。

铝合金密度低,耐腐蚀性能好,抗疲劳性能较高, 且具有较高的比强度、比刚度, 是一类理想的轻量化材料。3D 打印中使用的铝合金为铸造铝合金, 常用牌号有AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi9Cu3 等。韩国通信卫星Koreasat-5A及Koreasat-7 使用了SLM制造的AlSi7Mg轻量化部件(图4),不仅由原来的多个零件合成一个整体制造,零件重量比原设计降低22%,制造成本降低30%,生产周期缩短1—2个月。

其他金属材料如铜合金、镁合金、等需求量不及以上介绍的几种金属材料,但也有其相应的应用前景。铜合金的导热性能良好,可以制造模具的镶块或火箭发动机燃烧室。NASA采用3D打印技术制造了由GRCop-84 铜合金内壁和镍合金外壁构成的燃烧室,内壁采用SLM工艺制造,再以电子束熔丝沉积完成外壁的制造。该燃烧室经过全功率点火测试后,仍然保持良好的形状,证明了3D打印工艺在节约大量时间和工艺成本的基础上,取得了与传统工艺同样的效果。镁合金是目前实际应用中轻的金属,且具有良好的生物相容性和可降解性,其杨氏模量与人体骨骼也为接近,可作为轻量化材料或植入物材料。但目前镁合金3D打印工艺尚不成熟,没有进行大范围的推广。如金、银、铂等多应用于珠宝首饰等品的定制,应用范围比较有限。

形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)是一类形状记忆材料,具有在受到某些刺激(如热、机械或磁性变化)时“记忆”或保留先前形状的能力。SMA在机器人、汽车、航空航天、生物等领域有着广阔的应用前景。NiTi 合金是目前发展比较成熟的SMA,但NiTi 合金是难加工材料。将3D 打印技术应用于SMA 零件的制造,不仅有望解决SMA的加工难题,还能实现传统工艺无法实现的复杂点阵结构的制造。近年来有不少学者对NiTi 合金的SLM工艺进行了探索并取得了一定的成果。目前,SLM打印的NiTi 合金零件已经显示出良好的形状记忆效应,在8 次压缩循环后具有约5%的可恢复应变。此外,SLM成形的NiTi 样品的形状记忆行为与时效工艺高度相关,经350°C—18 h 时效的样品展现出了几乎完美的超弹性。

3D 打印材料发展至今,经历了从聚合物材料、金属材料到陶瓷材料的发展过程。目前每个领域仍不断有新材料出现,体现了3D打印技术的活力。尽管目前3D打印材料的类别已经涉及大部分材料体系,但能够成功应用于3D打印的材料与现在庞大的材料体系相比也仅仅是沧海一粟。面对未来3D打印结构功能一体化的发展趋势,需要在3D打印新材料、3D打印新技术和3D打印新装备等方面进行不断创新。除了3D打印新材料的开发外,3D打印材料的标准化和产业化也是3D打印材料发展所面临的重要课题。随着3D打印材料、工艺、装备的持续发展,3D 打印技术将更有力地支撑我国向制造强国迈进的步伐。

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