增材制造之有色金屬材料標(biāo)準(zhǔn)研究

吳艷華｜文

增材制造技術(shù)是近30年快速發(fā)展的特種加工技術(shù)，其優(yōu)勢在于三維結(jié)構(gòu)的快速和自由制造，被廣泛應(yīng)用于新產(chǎn)品開發(fā)、單件小批量制造。本文闡述了增材制造技術(shù)的概述、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢以及增材制造用有色金屬材料標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展現(xiàn)狀。

增材制造，又稱“3D打印”技術(shù)，是當(dāng)前受到高度關(guān)注的新制造技術(shù)。增材制造是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除-切削加工技術(shù)，是一種“自下而上”的制造方法，體現(xiàn)了信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與先進材料技術(shù)、數(shù)字制造技術(shù)的密切結(jié)合，是先進制造業(yè)的重要組成部分。增材制造技術(shù)被認(rèn)為是“一項將要改變世界的技術(shù)”，比如，對于一些尺寸非常大、結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜、性能要求非常高的構(gòu)件，3D打印相比傳統(tǒng)的減材加工技術(shù)，就有諸如節(jié)省材料、方便加工、縮短周期、降低成本等優(yōu)勢。

國內(nèi)外增材制造發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

我國高度重視增材制造產(chǎn)業(yè)，將其作為《中國制造2025》的發(fā)展重點。2015年，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)改委、財政部聯(lián)合印發(fā)了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015～2016年）》，通過政策引導(dǎo)，在社會各界共同努力下，我國增材制造關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，裝備性能顯著提升，應(yīng)用領(lǐng)域日益拓展，涌現(xiàn)出一批具有一定競爭力的骨干企業(yè)，形成了若干產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，增材制造產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)快速發(fā)展。2017年11月，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)改委、教育部、公安部、財政部、商務(wù)部、文化部、衛(wèi)生計生委、海關(guān)總署、質(zhì)檢總局、知識產(chǎn)權(quán)局聯(lián)合制定了《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2017～2020年）》。

當(dāng)前，全球范圍內(nèi)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)革命正在萌發(fā)，世界各國紛紛將增材制造作為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展新增長點，推動增材制造技術(shù)與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新材料技術(shù)、新設(shè)計理念的加速融合。全球制造、消費模式開始重塑，增材制造產(chǎn)業(yè)迎來巨大的發(fā)展機遇。歐美發(fā)達國家紛紛制定了發(fā)展和推動增材制造技術(shù)的國家戰(zhàn)略和規(guī)劃，增材制造技術(shù)已受到政府、研究機構(gòu)、企業(yè)和媒體的廣泛關(guān)注。英國政府自2011年開始持續(xù)增大對增材制造技術(shù)的研發(fā)經(jīng)費。英國工程與物理科學(xué)研究委員會中設(shè)有增材制造研究中心，參與機構(gòu)包括拉夫堡大學(xué)、伯明翰大學(xué)、英國國家物理實驗室、波音公司以及德國EOS公司等15家知名大學(xué)、研究機構(gòu)及企業(yè)。除了英美外，其他科技強國和新興國家也都將增材制造技術(shù)作為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的增長點加以培育和支持，以推動增材制造技術(shù)的發(fā)展。

我國增材制造用有色金屬材料標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

材料與工藝是經(jīng)濟發(fā)展的核心技術(shù)，幾乎帶動所有領(lǐng)域，加快新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展是建設(shè)制造強國的迫切需要。有色金屬材料是材料領(lǐng)域的一個極其重要的組成部分，有色金屬材料種類繁多，在增材制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。我們需要對增材制造專用的有色金屬新材料進行研究，及時制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，讓研究成果固化于標(biāo)準(zhǔn)中。

全國有色金屬標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會一直很重視增材制造用有色金屬材料的標(biāo)準(zhǔn)制定工作，目前，有3項相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布，見表1。GB/T 34486-2017《激光成型用鈦及鈦合金粉》規(guī)定了激光成型用鈦及鈦合金粉的要求、試驗方法、檢驗規(guī)則和標(biāo)志、包裝、運輸、貯存及合同（或訂貨單）內(nèi)容等，本標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品化學(xué)成分、松裝密度、振實密度、流動性以及外觀質(zhì)量的要求均依據(jù)實際工業(yè)生產(chǎn)水平。GB/T 34508-2017《粉床電子束增材制造TC4合金材料》規(guī)定了粉床電子束選區(qū)熔化增材制造TC4合金材料的要求、試驗方法、檢驗規(guī)則和標(biāo)志、包裝、運輸、貯存及合同（或訂貨單）內(nèi)容等，粉床電子束增材制造TC4合金產(chǎn)品應(yīng)用在航空航天、生物醫(yī)療、機械等領(lǐng)域，本標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品的化學(xué)成分、密度、金相組織、無損檢驗、尺寸及允許偏差、外觀質(zhì)量等6個方面的共性要求進行了規(guī)定。YS/T 1139-2016《增材制造TC4鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)零件》規(guī)定了增材制造TC4鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)零件的要求、試驗方法、檢驗規(guī)則和標(biāo)志、包裝、運輸、貯存及合同（或訂貨單）內(nèi)容等，增材制造TC4鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)零件應(yīng)用在航空航天，具有蜂窩結(jié)構(gòu)可設(shè)計性強，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可控性高的特點，本標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品的化學(xué)成分、外形尺寸、硬度、密度、表面粗糙度、外觀質(zhì)量等6個方面的共性要求進行了規(guī)定。

表1 已發(fā)布的增材制造用有色金屬材料標(biāo)準(zhǔn)

表2 在研的增材制造用有色金屬材料標(biāo)準(zhǔn)

在研的增材制造用有色金屬材料標(biāo)準(zhǔn)有3項，全部為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計劃項目，見表2。《選區(qū)激光熔化用鎳基合金粉末》規(guī)定了選區(qū)激光熔化用鎳基合金粉末的技術(shù)要求、測試方法、檢驗規(guī)則、標(biāo)志、包裝、運輸、貯存和質(zhì)量證明書等內(nèi)容，本標(biāo)準(zhǔn)與普通鎳基粉末標(biāo)準(zhǔn)相比，主要在于對粒度，粒徑分布，球形度，流動性，以及空心粉和夾雜等物理化學(xué)性能參數(shù)提出更高要求?！肚蛐吴佷X粉末》規(guī)定了球形鈦鋁粉末的要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標(biāo)志、包裝、運輸、貯存、質(zhì)量證明書及訂單（或合同）的內(nèi)容，本標(biāo)準(zhǔn)適用于粉末冶金和增材制造制造鈦鋁零件所用的球形鈦鋁粉末原料?！垛伡扳伜辖鸱勰┬蚊矞y定方法》規(guī)定了增材制造用鈦及鈦合金粉末形貌測定的方法原理、儀器、測定步驟和結(jié)果計算等內(nèi)容，是配套增材制造用鈦及鈦合金粉末的檢測方法標(biāo)準(zhǔn)，增材制造用鈦及鈦合金粉末是一種特殊的高活性金屬粉末，要求粉末具有特定的粒度范圍和粒度分布，粉末呈球形或類球形，具有良好的流動性。

表3 擬研究制定的增材制造用有色金屬材料標(biāo)準(zhǔn)

擬研究制定的增材制造用有色金屬材料標(biāo)準(zhǔn)有5項，見表3。這5項擬制定的標(biāo)準(zhǔn)全部為增材制造用有色金屬粉末類標(biāo)準(zhǔn)。高品質(zhì)球形金屬粉末是高性能金屬增材制造的重要基礎(chǔ)原料，與傳統(tǒng)粉末冶金相比，增材制造新技術(shù)對金屬粒徑、粒度分布、粉末球形度、空心粉率等物理性能等提出了更高的要求。航空航天等領(lǐng)域?qū)?yīng)用的金屬部件以及粉末原材料的要求比較苛刻。增材制造用金屬粉末標(biāo)準(zhǔn)會在化學(xué)成分、粒徑分布、形態(tài)、密度和流動性等方面加以控制和規(guī)范，使之滿足增材制造的應(yīng)用。這些增材制造用有色金屬粉末標(biāo)準(zhǔn)的制定，可以使增材制造技術(shù)用有色金屬粉末原料的生產(chǎn)、檢驗和交付使用的全過程得到進一步規(guī)范，并有效提高產(chǎn)品的質(zhì)量及可靠性，滿足增材制造領(lǐng)域?qū)庸ぴ系膰?yán)格要求。

結(jié)語

我國增材制造產(chǎn)業(yè)化仍處于起步階段，與先進國家相比存在較大差距，特別是在有關(guān)核心性能指標(biāo)、運行可靠性及成型質(zhì)量上差距較大。從產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀來看，增材制造技術(shù)應(yīng)用總量較少，沒有形成完整的產(chǎn)業(yè)體系，離實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化、工程化應(yīng)用還有一定距離。材料是目前增材制造技術(shù)的關(guān)鍵，增材制造技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，需要研究適應(yīng)于各領(lǐng)域的材料，制定材料和工藝標(biāo)準(zhǔn)將是增材制造技術(shù)亟待解決的問題。同時，要鼓勵企業(yè)及科研院所主持或參與國際標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，提升行業(yè)話語權(quán)。