小知識分享|金屬3D打印用粉末材料有哪些？

        隨著金屬3D打印的快速發(fā)展，3D打印用粉末需求也逐年增加。目前全球有五千多種合金材料，但是用于金屬3D打印的只有十幾種。未來還會加大對合金材料的研究。

1. 鈦合金

        TC4是最早應用于SLM工業(yè)生產(chǎn)的一種鈦合金，對該合金的研究主要集中于揭示材料疲勞性能、裂紋生長行為與微觀組織之間的關(guān)系。有學者在循環(huán)載荷作用下研究TC4合金SLM件的微觀結(jié)構(gòu)與組織缺陷之間的關(guān)系，用機械測試、熱等靜壓等方法,通過電子顯微鏡和計算機斷層掃描觀察到微米級別的孔隙是影響疲勞強度的主要原因,其中殘余應力對疲勞裂紋增長的影響尤為顯著。研究人員通過激光交替掃描策略制備出TC4合金試樣,揭示SLM成形TC4合金過程中的裂紋主要為冷裂紋，含有典型的穿晶斷裂特征。這是由于SLM成形過程中激光熔化金屬粉末產(chǎn)生高溫梯度，導致零件內(nèi)部存在較高的殘余應力，同時抗裂強度低的馬氏體組織在殘余應力的作用下產(chǎn)生裂紋，大的裂紋最終分解為較小的裂紋而終止擴展。

        開發(fā)新型鈦基合金是鈦合金SLM應用研究的主要方向。由于鈦以及鈦合金的應變硬化指數(shù)低(近似為0.15)，塑性剪切變形能力和耐磨性差，因而其制件在高溫和腐蝕磨損條件下的使用受到限制。錸(Re)的熔點很高，一般用于超高溫和強熱振工作環(huán)境，某國Ultramet公司采用金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)制備的錸基復合噴管已經(jīng)成功應用于航空發(fā)動機燃燒室，工作溫度可達2200°C。因此，錸鈦合金的制備在航空航天、核能源和電子領(lǐng)域具有重大意義。鎳具有磁性和良好的可塑性，因此鎳鈦合金是常用的一種形狀記憶合金。鎳鈦合金具有偽彈性、高彈性模量、阻尼特性、生物相容性和耐蝕性等性能。另外，對鈦合金多孔結(jié)構(gòu)人造骨的研究日益增多,日本京都大學通過3D打印技術(shù)給4位頸椎間盤突出患者制作出不同的人造骨并成功移植，所采用人造骨材料即為鎳鈦合金。

2. 鋁合金

        鋁合金具有優(yōu)良的物理性能、化學和力學性能，在許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應用，但是鋁合金自身的特性（易氧化、高反射性和導熱性等）增加了SLM制造的難度。目前SLM成形用鋁合金存在易氧化、制件有殘余力、孔隙缺陷及制件致密度不足等問題，這些問題主要可通過采用嚴格的保護氣氛、增加激光功率（最小為180W）、降低掃描速度等來改善。目前SLM成形用鋁合金材料主要為AI-Si-Mg系合金。研究人員對兩種不同的AISi10Mg粉末進行了SLM試驗。研究發(fā)現(xiàn)，通過不斷優(yōu)化工藝參數(shù)，可獲得99%的致密度和表面粗糙度Ra約為20μm的SLM成形制件。經(jīng)分析得出，粉末形狀、顆粒直徑及化學成分是影響成形質(zhì)量的主要因素。研究人員對SLM成形鋁合金過程中氧化鋁薄膜的產(chǎn)生機理進行了分析，得到了氧化鋁薄膜對熔池與熔池層間潤濕特性的影響規(guī)律。主流觀點認為SLM成形鋁合金制件過程中產(chǎn)生的結(jié)晶球化現(xiàn)象是鋁合金對光的反射性較強造成的。

3. 不銹鋼

        不銹鋼具有耐化學腐蝕耐高溫和力學性能良好等特性，其粉末成形性好、制備工藝簡單且成本低廉，是最早應用于3D金屬打印的材料。如華中科技大學、南京航空航天大學、華南理工大學等院校在不銹鋼3D打印方面研究比較深人�，F(xiàn)研究主要集中在降低孔隙率、增加強度以及熔化過程中金屬粉末球化的機制等方面。李瑞迪等人采用不同的工藝參數(shù)，用304L不銹鋼粉末進行了SLM成形試驗,得出304L不銹鋼致密度經(jīng)驗公式，總結(jié)出晶粒生長機制。潘琰峰分析和探討了316L不銹鋼成形過程中球化產(chǎn)生機理和影響球化的因素，認為在激光功率和粉末層厚一定時,提高掃描速度可減輕球化現(xiàn)象，而當掃描速度和粉末層厚固定時，隨著激光功率的增大，球化現(xiàn)象將加重。姜煒采用一系列的不銹鋼(主要為316L不銹鋼)粉末，分別研究了粉末特性和工藝參數(shù)對SLM成形質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，粉末材料的特殊性能和工藝參數(shù)對SLM成形的影響主要表現(xiàn)在對SLM成形過程中熔池質(zhì)量的影響上，工藝參數(shù)(激光功率、掃描速度)主要影響熔池的深度和寬度，從而影響SLM成形制件的質(zhì)量。

4. 高溫合金

        高溫合金是指鐵、鎳、鈷為基，在600°C以上的高溫及一定應力環(huán)境下長期工作的一類金屬材料，其具有較高的高溫強度、良好的耐熱腐蝕和抗氧化性能，以及良好的塑性和韌性。高溫合金按合金基體種類大致可分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金三類。高溫合金主要用于功性能發(fā)動機，比如現(xiàn)代先進的航空發(fā)動機，高溫合金材料的使用量占發(fā)動機總質(zhì)量的40%--60%�，F(xiàn)代高性能航空發(fā)動機的發(fā)展對高溫合金的使用溫度和性能要求越來越高。傳統(tǒng)的鑄錠冶金工藝冷卻速度慢，鑄錠中某些元素和第二偏析嚴重，加工性能差，組織不均勻，性能不穩(wěn)定。3D打印成為解決高溫合金成型中技術(shù)瓶頸的新方法。Inconel 718合金是鎳基高溫合金中應用最早的一種，也是目前航空發(fā)動機運用最多的一種合金。

5. 鈷鉻合金

       鈷鉻合金是指以鈷和鉻為主要成分的高溫合金，它的耐蝕性和力學性能都非常優(yōu)異,用其制作的零件強度高、耐高溫，且有優(yōu)異的生物相容性，最早用于制作人體關(guān)節(jié),現(xiàn)在已廣泛應用到口腔領(lǐng)域。由于其不含對人體有害的鎳元素與鈹元素，3D打印個性化定制的鈷鉻合金烤瓷牙已成為非貴金屬烤瓷牙的首選。利用傳統(tǒng)鑄造工藝生產(chǎn)的鈷鉻合金產(chǎn)品收縮率大，與初始模型相比誤差較大，而采用3D打印技術(shù)制造的鈷鉻合金零部件強度高、尺寸精確，能制作的最小尺寸可達1mm，故其零部件力學性能比鍛造工藝制成的產(chǎn)品好很多。鑄造的鈷鉻合金假體可以作為金屬球頭與超高分子量聚乙烯進行配副，制成人工髖關(guān)節(jié)假體等，也可以獨自成形為金屬植入體。按照ASTMF75標準的要求，鑄造鈷鉻合金已經(jīng)廣泛用于義齒、血管支架植人體等的制造。其彈性模量不隨抗拉強度的變化而變化，是醫(yī)用鈦合金材料的兩倍，是皮質(zhì)骨的數(shù)倍。研究人員發(fā)現(xiàn)SLM成形的鈷鉻合金烤瓷牙比鑄造成形的具有更高的硬度，通過脫氧和搪瓷燒制過程，合金與搪瓷實現(xiàn)完美結(jié)合，烤瓷牙釋放的鈷鉻離子含量符合ISO安全標準。

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       金屬3D打印技術(shù)已經(jīng)取得了較好的效果，材料的瓶頸勢必會影響3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)對材料提出了更高的要求�，F(xiàn)在適用于工業(yè)用3D打印的金屬材料種類繁多，只是只有專用粉末材料才能滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。