3D打印金屬材料研究進(jìn)展

葉興才

（上海藍(lán)鑄特種合金材料有限公司上海市嘉定區(qū)201808）

3D打印金屬材料研究進(jìn)展

葉興才

（上海藍(lán)鑄特種合金材料有限公司上海市嘉定區(qū)201808）

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的不斷深入，3D打印技術(shù)成為了當(dāng)下全球研究熱點(diǎn)技術(shù)之一。而據(jù)美國(guó)沃勒斯公司近來(lái)公布的全球3D打印產(chǎn)業(yè)報(bào)告分析發(fā)現(xiàn)，美國(guó)、德國(guó)以及日本是世界范圍內(nèi)3D打印技術(shù)的領(lǐng)尖國(guó)家，占國(guó)際3D打印產(chǎn)業(yè)的70%以上的份額。3D打印技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)的一種突破，嚴(yán)格意義上它的核心不是機(jī)械制造，而是相關(guān)材料的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。接下來(lái)本文將對(duì)現(xiàn)階段3D打印技術(shù)材料的研究?jī)?nèi)容及發(fā)展進(jìn)行詳細(xì)的闡述，以供今后參考使用。

3D打印技術(shù)；金屬材料；研究發(fā)展；應(yīng)用

1 我國(guó)3D打印金屬材料應(yīng)用現(xiàn)狀分析

從實(shí)際應(yīng)用角度分析，3D打印金屬粉的氧含量應(yīng)當(dāng)不超過(guò)200ppm、粒徑不超過(guò)150微米，且還要求金屬粉粒徑均勻、球形度高，而現(xiàn)階段我國(guó)3D打印金屬粉主要依靠進(jìn)口。我國(guó)3D打印金屬粉制粉技術(shù)水平有限，特別是一些細(xì)粒徑粉末的制備較為困難，而目前我國(guó)制粉技術(shù)水平而言，最終的粉末的收率較低，且氧含量及其他雜質(zhì)的含量較高，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)粉末熔化不均的不良現(xiàn)象，同時(shí)也會(huì)使得最終目標(biāo)制品中雜質(zhì)氧化物的含量超標(biāo)，致密性較差，制品的強(qiáng)度差，結(jié)構(gòu)層次不均等嚴(yán)重問(wèn)題。而最近幾年，我國(guó)可以達(dá)到3D打印金屬粉制粉標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)有兩個(gè)，即中航625以及上海藍(lán)鑄。其中中航625的主要服務(wù)對(duì)象為國(guó)內(nèi)軍工企業(yè)，同時(shí)其在高溫合金粉末市場(chǎng)的相關(guān)產(chǎn)品涉及的較少。據(jù)統(tǒng)計(jì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)我國(guó)3D技術(shù)設(shè)備的生產(chǎn)廠家有十多家，但是原材料生產(chǎn)廠家較少，且部分原材料的質(zhì)量與國(guó)外相比還有一定的差距，而國(guó)外市場(chǎng)抓住我國(guó)3D打印金屬粉末依賴(lài)進(jìn)口這一點(diǎn)，采用3D原材料和相關(guān)設(shè)備捆綁式銷(xiāo)售模式，極大地增加了我國(guó)相關(guān)企業(yè)的成本。上海藍(lán)鑄合金材料公司對(duì)高溫合金原材料進(jìn)行了深入的研究，并取得優(yōu)良的成績(jī)，在一定程度上打破了3D打印原材料全進(jìn)口的現(xiàn)象，對(duì)我國(guó)3D打印技術(shù)的發(fā)展以及降低我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的制造成本具有十分積極的意義。

2 淺析3D打印金屬材料研究進(jìn)展

眾所周知，3D打印技術(shù)的發(fā)展是工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)也是現(xiàn)階段個(gè)性化制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然要求，但是我國(guó)3D打印原材料制備技術(shù)有限，而進(jìn)口價(jià)格昂貴，這種現(xiàn)象的存在在一定程度上限制了我國(guó)3D打印技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展，而這些年，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)研究的不斷深入，3D打印金屬材料的發(fā)展也取得了一定的進(jìn)步，尤其是上海藍(lán)鑄和中航625對(duì)原材料的研究取得了重大的進(jìn)步。目前3D打印金屬材料的相關(guān)研究主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1 高溫合金

現(xiàn)階段，高溫合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、核電裝備、燃?xì)廨啓C(jī)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而所謂的高溫合金其實(shí)質(zhì)上就是指以鐵、鈷、鎳為基的在600℃以上高溫和一定應(yīng)力環(huán)境下工作的金屬材料，由于其工作條件的要求，高溫合金具有一定的高溫強(qiáng)度、抗熱和抗氧腐蝕、塑性和韌性強(qiáng)等基本特點(diǎn)。而目前以合金基體可以將高溫合金分為三類(lèi)，即鐵基、鎳基和鈷基。其中上海藍(lán)鑄材料公司生產(chǎn)的高溫合金粉的耐腐蝕性以及抗氧化性較強(qiáng)，且經(jīng)過(guò)一定的實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果顯示，該公司制備的高溫合金粉在低溫至980℃的溫度范圍內(nèi)，其拉伸性和抗疲勞性較高，同時(shí)在鹽霧環(huán)境下，其抗應(yīng)力腐蝕性也比較高，因而在航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件、宇航結(jié)構(gòu)部件等生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。另外3D打印技術(shù)在高溫合金形成中的應(yīng)用切實(shí)提高了熱加工性能，保證了組織結(jié)構(gòu)的均勻性，進(jìn)而提高了制品的穩(wěn)定性，尤其以Inconel718合金在鎳基高溫合金中的應(yīng)用最為廣泛，同時(shí)它也是應(yīng)用最早的一種高溫合金材料。

2.2 不銹鋼

通常情況下，不銹鋼材料的耐化學(xué)腐蝕性、耐高溫和應(yīng)力性能等比較高，同時(shí)不銹鋼材料的粉末成型工藝簡(jiǎn)單、收粉率高、成本低等，因此它是3D打印技術(shù)中應(yīng)用最早的金屬粉末。而目前我國(guó)對(duì)不銹鋼重點(diǎn)研究在降低空隙率、提高金屬粉末球形度等方面。我國(guó)相關(guān)專(zhuān)家通過(guò)設(shè)置不同的生產(chǎn)工藝參數(shù)，對(duì)316L不銹鋼粉末進(jìn)行了深入的研究和SLM試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步了解了金屬晶粒的生長(zhǎng)機(jī)制，同時(shí)對(duì)不銹鋼球化機(jī)理進(jìn)行了廣泛的探究，當(dāng)激光功率和粉末層厚度為定值情況下，掃描速度的增加可以降低晶粒球化現(xiàn)象，而當(dāng)掃描速度和粉末層厚度為定值情況下，激光功率的增加為在一定程度下誘導(dǎo)球化現(xiàn)象的發(fā)生。上海藍(lán)鑄材料公司制備不銹鋼粉中鉻和鎳的含量比較高，而銅金屬材料的加入則在一定程度上提高了不銹鋼粉的化學(xué)惰性，進(jìn)而提高了它的抗酸能力，特別是抗氯化物間隙、腐蝕和應(yīng)力腐蝕的能力較高，因而該金屬合金粉末制品在紙漿和造紙工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。其具體化學(xué)成分及含量如表1所示。

表1 不銹鋼粉成分含量表（%）

2.3 鋁合金

通常情況下，鋁合金的物理、化學(xué)和力學(xué)性能都比較高，因而其在諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，但是由于鋁合金本身化學(xué)和物理性能等（如鋁合金易發(fā)生氧化反應(yīng)，同時(shí)它具有較高的反射性導(dǎo)熱性等）的影響在一定程度上使得選擇性激光熔化制造難度增加。就現(xiàn)階段而言，SLM形成鋁合金過(guò)程中氧化、殘余應(yīng)力、空隙缺陷等問(wèn)題主要是通過(guò)保護(hù)氣氛來(lái)進(jìn)行解決，同時(shí)輔以提高激光功率、降低掃描速度等方式來(lái)對(duì)鋁合金制品質(zhì)量進(jìn)行一定的改善和提高。經(jīng)過(guò)相關(guān)專(zhuān)家實(shí)驗(yàn)研究分析發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)工藝水平的提高可以極大地提高鋁合金制品的致密度，而其中影響鋁合金制品質(zhì)量的主要因素是金屬粉末的形狀、粒徑以及化學(xué)成分構(gòu)成等。另外經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)鋁合金制品結(jié)晶球化現(xiàn)象發(fā)生是由鋁合金高反射性所引起的。

3 結(jié)論

綜上所述，3D打印技術(shù)的應(yīng)用從最初的高分子材料到當(dāng)下金屬粉末打印，其技術(shù)、設(shè)備以及材料被逐漸開(kāi)發(fā)并應(yīng)用，這是工業(yè)發(fā)展的需求，同時(shí)也是先進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，但是3D打印技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用的領(lǐng)域還比較窄，各方面技術(shù)、材料等對(duì)國(guó)外依賴(lài)性比較強(qiáng)，因此應(yīng)當(dāng)加大研究力度，學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備等，提高3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，為我國(guó)社會(huì)工業(yè)發(fā)展的進(jìn)步提供強(qiáng)有力的支持。

[1]王成成.3D打印用聚乳酸及其復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].塑料科技，2016（06）.

[2]趙默典.3D打印技術(shù)的本質(zhì)特征及產(chǎn)業(yè)化對(duì)策探析[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（02）.

TP391.73

A

1004-7344（2016）28-0294-01

2016-9-9

葉興才（1968-），男，漢族，湖北紅安人，本科，研究方向?yàn)樵霾闹圃?3D打印金屬粉（鎳合金粉Inconel718粉，鈷合金粉1J22粉）、3D打印金屬材料研發(fā)/3D金屬打印粉的制備工藝/3D打印金屬的材料應(yīng)用。