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(yīng)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(xué)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(jī)械測試,、熱等靜壓等方法,通過電子顯微鏡和計算機(jī)斷層掃描觀察到微米級別的孔隙是影響疲勞強(qiáng)度的主要原因,其中殘余應(yīng)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(dǎo)致零件內(nèi)部存在較高的殘余應(yīng)力,，同時抗裂強(qiáng)度低的馬氏體組織在殘余應(yīng)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(kuò)展,。

        開發(fā)新型鈦基合金是鈦合金SLM應(yīng)用研究的主要方向,。由于鈦以及鈦合金的應(yīng)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(diǎn)很高，一般用于超高溫和強(qiáng)熱振工作環(huán)境,，某國Ultramet公司采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)制備的錸基復(fù)合噴管已經(jīng)成功應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)燃燒室,，工作溫度可達(dá)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(xué)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(xué)和力學(xué)性能,，在許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但是鋁合金自身的特性（易氧化,、高反射性和導(dǎo)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(yán)格的保護(hù)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(jìn)行了SLM試驗(yàn),。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(xué)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(jī)理進(jìn)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(diǎn)認(rèn)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(qiáng)造成的。

3. 不銹鋼

        不銹鋼具有耐化學(xué)腐蝕耐高溫和力學(xué)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(yīng)用于3D金屬打印的材料,。如華中科技大學(xué),、南京航空航天大學(xué)、華南理工大學(xué)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(qiáng)度以及熔化過程中金屬粉末球化的機(jī)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(jìn)行了SLM成形試驗(yàn),得出304L不銹鋼致密度經(jīng)驗(yàn)公式,，總結(jié)出晶粒生長機(jī)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(jī)理和影響球化的因素,，認(rèn)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(dāng)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(yīng)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(qiáng)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(jī)，比如現(xiàn)代先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī),，高溫合金材料的使用量占發(fā)動機(jī)總質(zhì)量的40%--60%。現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機(jī)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?yán)鋮s速度慢,，鑄錠中某些元素和第二偏析嚴(yán)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(yīng)用最早的一種,，也是目前航空發(fā)動機(jī)運(yùn)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(xué)性能都非常優(yōu)異,用其制作的零件強(qiáng)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(yīng)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(qiáng)度高,、尺寸精確,，能制作的最小尺寸可達(dá)1mm，故其零部件力學(xué)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(jìn)行配副,，制成人工髖關(guān)節(jié)假體等，也可以獨(dú)自成形為金屬植入體,。按照ASTMF75標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(shí)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(biāo)準(zhǔn),。

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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。