金屬增材制造的研究進展

熊江英 楊金龍 張建庭 郭建政?

（1中南大學(xué)粉末冶金國家重點實驗室，湖南 長沙 410083；2深圳市萬澤中南研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

1 增材制造技術(shù)

增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing, AM）又稱3D打?。?D Printing），是一種以數(shù)字三維建模為基礎(chǔ)，融合計算機輔助設(shè)計、材料加工、材料成形技術(shù)，使用金屬材料、非金屬材料及醫(yī)用生物材料，按照層層疊加、分層制造的離散-堆積原理，自下而上快速制備出形狀復(fù)雜工件的成型技術(shù)[1]。增材制造技術(shù)在過去短短30年里受到了全世界的高度關(guān)注，被譽為人類歷史上“第三次工業(yè)技術(shù)革命”。與傳統(tǒng)的減材制造、粉末冶金制造技術(shù)相比，增材制造技術(shù)由于具有輕量化減重，無需多余的夾具、模具，無需大型熱加工設(shè)備，可制造復(fù)雜內(nèi)腔的工件，實現(xiàn)個性化定制，降低制造成本，易于修復(fù)與再制造等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防、汽車、生物、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

增材制造的兩大研究方向為粉末床融化技術(shù)和直接能量沉積技術(shù)，兩種技術(shù)根據(jù)熱源的不同可進行細分，其技術(shù)特點見表1[2]。原材料作為增材制造的基礎(chǔ)，可分為金屬打印與非金屬打印技術(shù)兩大類，常見的增材制造用原材料及應(yīng)用范圍對比見表2[3]。

表1 增材制造技術(shù)特點對比[2]

表2 增材制造用原料對比[3]

2 金屬增材制造原材料

金屬增材制造應(yīng)用范圍非常廣，具有很好的工程應(yīng)用前景，是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點。工作原理及制造成本等因素決定了不同打印技術(shù)所用的金屬材料有所不同。選區(qū)激光熔融技術(shù)（SLM）加工空間封閉，加工條件優(yōu)良，工藝可控性高，因此具有更廣泛的金屬材料選擇性、更高的性價比及更高的加工精度和質(zhì)量[4]。

金屬原材料主要分兩類：金屬粉末及金屬絲材。絲材制備一般需要經(jīng)過冶煉、拉拔等工藝，由于加工工藝的局限性，對于高硬度和特殊合金成分的絲材制備難度較高，因此種類受到很大的限制[5]。相比而言，金屬粉末的制備則更靈活，途徑也更豐富?；谠霾闹圃旒夹g(shù)的特點，要求金屬粉體材料具有好的流動性，粉末粒徑控制在一定范圍內(nèi)（一般要求粒徑分布較窄），氧含量低，球形度高，衛(wèi)星粉及粘接粉少，松裝密度高，空心粉含量低等。圖1[6]展示了理想的SLM增材制造專用金屬粉體的形貌。

圖1 理想SLM增材制造用金屬粉體形貌[6]

金屬增材制造技術(shù)的提升離不開金屬原材料、打印裝備、成型工藝的開發(fā)與進步，作為原材料的金屬粉末是增材制造技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。增材制造用金屬材料主要包括以TC4為代表的鈦基合金、316L為代表的鐵基合金、IN718和IN625為代表的鎳基合金、CoCrMo為代表的鈷基合金、AlSi10Mg為代表鋁合金等，見表3所示[19-20]。

表3 國內(nèi)外常用金屬粉末材料對比

金屬粉末作為原材料是增材制造技術(shù)發(fā)展中非常關(guān)鍵的一環(huán)。根據(jù)統(tǒng)計，全球增材制造金屬粉末材料的銷售額2015年為0.881億美元，2016年增長至1.268億美元，2017年上升到了1.834億美元[7]，高品質(zhì)打印專用金屬粉末市場需求旺盛。我國在粉末冶金、增材制造方面起步均晚于國外，且受限于粉末生產(chǎn)裝備的不足及基礎(chǔ)研究薄弱等多因素，大部分高質(zhì)量的金屬粉體主要依賴進口，因此，高品質(zhì)金屬粉末制備已成為制約我國增材制造技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸[5]。2015年5月國務(wù)院發(fā)布了《中國制造2025》，將增材制造用材料、成套裝備及關(guān)鍵技術(shù)等作為重點發(fā)展的方向。2017年，工信部等部委聯(lián)合印發(fā)了“增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2017-2020年)”，提出提升增材制造專用材料質(zhì)量[8]。

3 增材制造用金屬粉末制備方法

金屬粉末的制備按照原理可分為兩類：機械法和物理化學(xué)法。機械法包括研磨法、氣霧化法、水霧化法、旋轉(zhuǎn)盤霧化法、旋轉(zhuǎn)電極霧化法等；物理化學(xué)法包括還原法、沉積法、電解法等[9]。霧化法由于生產(chǎn)效率高，可以獲得球形度較高、流動性較好的粉末，成為增材制造用金屬粉末的主要制備方法[10]。

等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法（Plasma Rotation Electrode Process, PREP）是俄羅斯發(fā)明的一種金屬粉末制備方法，通過該方法制備的粉末已經(jīng)成功應(yīng)用于傳統(tǒng)粉末冶金制件中[11]，其制粉示意圖見圖2。PREP法制備的粉末具有氧含量低、球形度好、流動性好、衛(wèi)星粉少、空心粉少等諸多優(yōu)點，但是受限于電極棒料轉(zhuǎn)速及直徑，PREP法制粉生產(chǎn)效率較低，粉末粒徑較粗，因此合金整體利用率偏低，使得PREP法在增材制造中的運用受限。對于等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化裝備和霧化工藝方案，俄羅斯投入了極大的研發(fā)力量，目前已成功開發(fā)ПУP-9型PREP設(shè)備，其電極棒直徑在Φ50-80mm之間，最高工作轉(zhuǎn)速28000r/min，生產(chǎn)的鈦合金粉末粒徑D50≤80μm[12]。基于細粒徑球形金屬粉末的迫切需求，西安塞隆金屬材料有限責(zé)任公司[13]用TC4鈦合金作原料，研究了直徑為60mm和75mm兩種尺寸的電極棒分別在12000r/min、13000r/min、135000r/min三種工作轉(zhuǎn)速下的粉末粒徑，并提出了細化PREP粉末的三種途徑：提高電極棒料加工精度、采用柔性聯(lián)軸器以及采用浮動輥動密封支撐單元。但是，傳統(tǒng)PREP粉末粒徑僅能滿足國內(nèi)激光熔覆沉積技術(shù)（LMD）需求，很難滿足國外先進高速激光熔覆技術(shù)、電子束選區(qū)熔化技術(shù)、激光選區(qū)熔化技術(shù)對粉末的需求[14]。

圖2 等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化（PREP）制粉原理圖

氣霧化技術(shù)制備的粉末氧含量和粉末球形度雖然不及PREP法有優(yōu)勢，但是能獲得粒徑分布較窄、整體球形度可接受的粉末，且生產(chǎn)效率高，合金利用率高，成為增材制造金屬粉末的主流技術(shù)[15]。氣霧化技術(shù)是利用高壓、高速氣流沖擊金屬熔體，熔體在碰撞過程中破裂成細小液滴，經(jīng)過快速球化、冷卻凝固成金屬顆粒的過程[16]，原理圖如圖3所示。氣霧化技術(shù)涉及的工藝非常多，想要獲得高品質(zhì)金屬粉末，需要對工藝進行嚴(yán)格控制，如充氣壓力、熔體溫度、噴盤錐角、噴嘴長度等。前期的研究針對霧化工藝和原理做了很多工作[17-18]，為氣霧化技術(shù)的快速發(fā)展起到了關(guān)鍵性作用。

圖3 惰性氣體霧化制粉原理圖

4 增材制造金屬材料的研究進展

鈦合金由于比強度高、生物相容性強、耐蝕性強等優(yōu)點，被應(yīng)用于飛機、汽車、軍工裝備、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，成為尖端科學(xué)和高技術(shù)領(lǐng)域無可取代的材料。但是鈦合金具有導(dǎo)熱性差、塑性低、比熱低等特點，大大限制了鈦合金的發(fā)展與應(yīng)用。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)解決了鈦合金成型難的問題。當(dāng)前，鈦合金粉末最主要制備方式為霧化法，又細分為離心霧化法、等離子霧化法及氣霧化法等。

瑞典Arcam公司在2019年報道稱，由于增材制造高端鈦粉需求量劇增，旗下金屬粉末制造子公司AP&C三臺新型等離子霧化器投產(chǎn)，產(chǎn)能擴大三倍。等離子霧化生產(chǎn)的鈦粉具有純凈度高、球形度好和衛(wèi)星粉含量少等特點。

郭快快等[21]通過自主設(shè)計的電極感應(yīng)熔煉氣霧化（EIGA）設(shè)備研究了不同功率參數(shù)對TC4鈦合金粉末特性的影響，包括粒度分布、組織形貌、空心粉等。研究表明，該方法制備的合金粉末整體球形度高、空心粉少。隨著功率的升高，粉末平均粒徑減小，如圖4所示，粉末中的氧含量也隨之升高；功率為56kW時，粉末松裝密度最好，且符合激光增材制造用TC4鈦合金粉末松裝密度比要求。金瑩等[22]研究了不同霧化壓力對電極感應(yīng)熔煉TC4粉末性能的影響，發(fā)現(xiàn)在3.5～6.0MPa范圍，霧化壓力越大，粉末平均粒徑越小。

圖4 不同功率參數(shù)的粉末粒徑分布

據(jù)報道，中航邁特公司通過吸收國外先進技術(shù)，研發(fā)制造了多條EIGA、VIGA金屬粉末制備裝置[23]。目前，鈦基合金粉末細粉（≤45μm）收得率為30%～55%，達到國際先進水平。生產(chǎn)的鈦合金粉末可滿足SLM、LSF等增材制造工藝的使用標(biāo)準(zhǔn)和要求。

俞俊鐘[8]對國內(nèi)外增材制造SLM用TC4金屬粉末從六個維度即流動性、松裝密度、顆粒粒形、粉徑分布、空心粉和夾雜、微量元素進行了對比分析。國內(nèi)粉末數(shù)據(jù)來自國家增材制造產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心近年來對增材制造SLM用TC4金屬粉末的抽查和委托性檢驗數(shù)據(jù)。對比發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)TC4流動性略差于國外，分別為26.8（s/50g）、35.1（s/50g），國產(chǎn)粉末一致性差，鋪粉均勻性存在較大問題；國產(chǎn)粉末松裝密度低于國外同類TC4，可能影響打印件致密度；國產(chǎn)TC4和國外粉末球形度分別為0.89和0.91；國產(chǎn)粉末粒徑數(shù)值波動大，一致性差于國外同類型粉末，粒徑分布寬不利于激光融化成形；國產(chǎn)TC4粉末空心粉含量與國外粉相差無幾，但夾雜明顯高于國外粉末；國產(chǎn)粉末氧含量和氮含量波動較大，一致性不如國外粉末。從以上六個維度可知，國產(chǎn)粉末與國外粉末還有很大差距，國內(nèi)企業(yè)應(yīng)看到差距，針對各個性能指標(biāo)提升技術(shù)水平。

高溫合金是一種可以用在600℃以上使用的合金材料，是制造航空航天發(fā)動機熱端部件的關(guān)鍵材料。增材制造技術(shù)可以滿足航空航天高端產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜的需求，因此近年來在該領(lǐng)域取得了快速發(fā)展。國內(nèi)外對高溫合金在增材制造中的應(yīng)用做了很多相關(guān)研究。趙衛(wèi)衛(wèi)等[24]研究了不同熱處理制度對Inconel 718（激光立體成形）的顯微組織和機械性能的影響規(guī)律。Trosch等[25]研究了IN718（選區(qū)激光熔化成型）的微觀組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能，并與鑄造和鍛造件作對比。王文強等[26]以增材制造用GH3625金屬粉末為對象，通過顯微CT表征粉末樣品的三維結(jié)構(gòu)，對粉末的球形度、粒度等特性進行定量分析，該方法為增材制造用金屬粉末質(zhì)量的表征提供了新的思路，有助于對粉末進行全方位立體解析。

深圳市萬澤中南研究院有限公司致力于高溫合金材料的研發(fā)與相關(guān)構(gòu)件的生產(chǎn)，自主研發(fā)了多款可運用于高端航空零部件的單晶高溫合金和粉末高溫合金材料。在增材制造高溫領(lǐng)域，萬澤中南設(shè)計了一款承溫可達850℃的粉末合金，該合金Co含量較高，達到26%，W略大于Mo，總量不少于5%（wt），wTi/wAl接近1，wAl+wTi不小于6%，γ′含量較高的同時兼顧成形性能，確保有優(yōu)異的打印性能及抗裂紋擴展能力[27]。該合金粉末球形度好，易鋪粉，3D打印成形組織缺陷少，高溫力學(xué)性能優(yōu)越。該合金經(jīng)過SLM+HIP成型，750℃/650MPa下持久性能壽命可達45.6h；室溫和850℃屈服強度分別為1199MPa和852MPa，高于相同工藝下IN718、Rene88DT、IN738LC等合金。該合金的優(yōu)異性能表明其可用于打印發(fā)動機、燃氣輪機高溫部件或其他熱端承力結(jié)構(gòu)件，為高溫領(lǐng)域增材制造提供了全新的金屬原材料選擇。

鐵基合金是增材制造研究較早、較深的一類合金，增材制造技術(shù)的發(fā)展推動了模具制造技術(shù)的發(fā)展，其中鋼是應(yīng)用最廣泛的材料。從模具鋼粉末材料設(shè)計到粉末材料制備，已有大量研究。針對模具鋼的工藝特點，學(xué)者提出了兩種成分設(shè)計思路以提升模具鋼性能：調(diào)控模具鋼的元素配比和第二相顆粒強化合金。

季憲泰等[28]研究了不同Cr含量對激光選區(qū)熔化技術(shù)制備的S136模具鋼組織和性能的影響。結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)腃r元素使試樣表面生成致密的氧化膜，可提升材料的抗蝕性，但過量的Cr元素會導(dǎo)致S136模具鋼內(nèi)部孔洞和裂紋等缺陷，致密度變差，嚴(yán)重降低模具鋼的強度與硬度。增材制造專用模具鋼粉末需求逐年提升，國內(nèi)多家粉末生產(chǎn)制備廠商開始進入該領(lǐng)域，例如西安塞隆金屬材料有限責(zé)任公司利用研發(fā)改進的PREP設(shè)備制備出不銹鋼粉末等先進粉末，中航邁特采用氣霧法開展了模具鋼用等一系列合金粉末的制備工藝研發(fā)。

鋁合金具有輕量化的特點，日常運用非常廣泛，在工業(yè)制造領(lǐng)域也占有一席之地。據(jù)報道，鋁合金在金屬增材制造技術(shù)中的粉末消耗量從2014年的5.1%預(yù)計會提高到2026年的11.7%，在汽車領(lǐng)域增材制造中10年增長率為51.2%。圖5是利用鋁合金打印的點陣結(jié)構(gòu)。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，Scalmalloy鋁合金已成功應(yīng)用于空中客車公司的增材制造中。美國QuesTek公司2020年1月21日報道，QuesTek Innovations LLC和德國航空中心將開發(fā)可打印鋁合金，該合金具有良好的高溫強度，可替代鈦合金實現(xiàn)減重。

圖5 鋁合金打印的點陣結(jié)構(gòu)（來源網(wǎng)絡(luò)）

5 結(jié)語

全球增材制造技術(shù)正處于高速發(fā)展階段，我國增材制造技術(shù)研發(fā)主要集中在打印成型方面，對合金材料和粉末制造裝備等基礎(chǔ)研究的投入明顯不足，這嚴(yán)重限制了我國增材制造的發(fā)展。我國急需在新合金材料的開發(fā)、金屬粉末制造裝備等方面加大投入，形成有自主知識產(chǎn)權(quán)的材料體系及制造技術(shù)。