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金屬3D打印材料知多少?
發佈時間:2018-05-12   閱覽次數:1647次

“3D打印是一項基礎技術,與其他技術融合發展後,可以在很多領域得到廣泛應用。當前,我們對3D打印的認識和應用纔剛剛開始,其爆發力還沒有真正出來。”5月3日,在第五屆世界3D打印技術產業大會新聞發佈會上,中國3D打印技術產業聯盟執行理事長羅軍說。

3D打印,自20世紀90年代中期被髮明以來,在近幾年迎來了高速發展時期。不論是國家政府部門,還是傳統企業,都在積極促進3D打印與行業間的深度融合,以期推動3D打印的市場應用,帶動傳統行業的轉型升級。但是,從目前的實際情況來講,3D打印還沒有形成一個完善的產業鏈,制約它發展的原因有多種,其中3D打印材料的研發應用還不太成熟是一個較爲關鍵的因素。

金屬3D打印應用領域相當廣泛,包括石化工程應用、航空航天、汽車製造、注塑模具、輕金屬合金鑄造、食品加工、醫療、造紙、電力工業、珠寶、時裝等。

目前,金屬3D打印技術主要有選擇性激光燒結(SLS)、電子束熔融(EBM)、選擇性激光熔化(SLM)和激光近淨成形(LENS),其中選擇性激光熔化爲研究的熱點,其使用高能激光源,可以熔融多種金屬粉末。國內外金屬3D打印機採用的金屬粉末一般有:工具鋼、馬氏體鋼、不鏽鋼、純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、銅基合金、鈷鉻合金等。常用的粉體爲鈦粉、鋁合金粉和不鏽鋼粉。

銅基材料

銅基合金是以銅爲基加入一定量其他元素組成的合金。銅合金強度中等,易於加工,較耐疲勞,色澤美觀,並具有良好的電導性、熱導性和耐蝕性,是重有色金屬材料中的一個重要分支。銅合金廣泛使用於工業各部門中,其產量僅次於鋼鐵和鋁,是金屬材料中的第三大合金類別。

應用於3D打印的銅合金,俗稱青銅,具有良好的導熱性和導電性,可以結合設計自由度,產生複雜的內部結構和冷卻通道,適合冷卻更有效的工具插入模具,如半導體器件,也可用於微型換熱器,具有壁薄、形狀複雜的特徵。

3D打印的銅合金零件具有良好的機械性能、優秀的細節表現及表面質量,以及易於打磨等優點,廣泛應用於首飾和文化教育領域,也可用於微型換熱器,具有薄壁、形狀複雜的特徵零件。

工具鋼和馬氏體剛

以工具鋼和馬氏體鋼爲例,工具鋼的適用性來源於其優異的硬度、耐磨性和抗形變能力,以及在高溫下保持切削刃的能力。模具H13熱作工具鋼就是其中一種,能夠承受不確定時間的工藝條件;馬氏體鋼,以馬氏體300爲例,又稱“馬氏體時效”鋼,在時效過程中的高強度、韌性和尺寸穩定性都是衆所周知的。他們與其他鋼不同,因爲他們是不含碳的,屬於金屬間化合物,通過豐富的鎳、鈷和鉬的冶金反應硬化。由於高硬度和耐磨性,馬氏體300才適用於許多模具的應用,例如,注塑模具、輕金屬合金鑄造、衝壓和擠壓等,同時,其也廣泛應用於航空航天、高強度機身部件和賽車零部件。

模具鋼

模具鋼的基本組織是由馬氏體基體以及基體上分佈着的碳化物和金屬間化合物等構成,性能是由模具材料的成分和熱處理後的組織所決定的。模具鋼是用來製造冷沖模、熱鍛模、壓鑄模等模具的鋼種。

主要應用於模型隨形冷卻水路、異形水路模具鑲嵌件、滑塊,典型應用於精密注塑模具、壓鑄模具製造,具有顯著優勢:

1. 大幅降低製造成本,使模具設計週期和產品設計週期一直,減少時間和材料消耗,從而提高整體的生產效益;

2. 有效降低殘餘應力,防止產品翹曲變形,保證尺寸精度;

3. 3D打印的特徵是沒有造型上的限制,即使是物體內複雜造型與管線,也就是說模具隨形冷卻水路可以實現任意形狀的冷卻通道設計,極大降低冷卻時間;

4. 對比傳統模具製造方式,3D打印模具使用壽命更長(上百萬模次),生產效率更高(生產週期縮短30%-70%)。

不鏽鋼

不鏽鋼(Stainless Steel)是不鏽耐酸鋼的簡稱,耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質或具有不鏽性的鋼種稱爲不鏽鋼。10.5%鉻含量最低的鋼合金,不鏽鋼不容易生鏽腐蝕。由於兩者在化學成分上的差異而使他們的耐蝕性不同,普通不鏽鋼一般不耐化學介質腐蝕,而耐酸鋼則一般均具有不鏽性。

目前,應用於金屬3D打印的不鏽鋼主要有三種:奧氏體不鏽鋼316L、馬氏體不鏽鋼15-5PH、馬氏體不鏽鋼17-4PH。

奧氏體不鏽鋼316L,具有高強度和耐腐蝕性,可在很寬的溫度範圍下降到低溫,可應用於航空航天、石化等多種工程應用,也可以用於食品加工和醫療等領域。

馬氏體不鏽鋼15-5PH,又稱馬氏體時效(沉澱硬化)不鏽鋼,具有很高的強度、良好的韌性、耐腐蝕性,而且可以進一步的硬化,是無鐵素體。目前,廣泛應用於航空航天、石化、化工、食品加工、造紙和金屬加工業。

馬氏體不鏽鋼17-4PH,在高達315℃下仍具有高強度高韌性,而且耐腐蝕性超強,隨着激光加工狀態可以帶來極佳的延展性。目前華中科技大學、南京航空航天大學、中北大學等院校在金屬3D打印方面研究比較深入;現在的研究主要集中在降低孔隙率、增加強度以及對熔化過程的金屬粉末球化機制等方面。

鈦合金

鈦合金具有耐高溫、高耐腐蝕性、高強度、低密度以及生物相容性等優點,在航空航天、化工、核工業、運動器材及醫療器械等領域得到了廣泛的應用。

目前,應用於金屬3D打印的鈦合金主要是鈦合金5級和鈦合金23級,因爲其優異的強度和韌性,結合耐腐蝕、低比重和生物相容性,所以在航空航天和汽車製造中具有非常理想的應用,而且,因爲強度高、模量低、耐疲勞性強,應用於生產生物醫學植入物。鈦合金23級,純度更高,是神級一樣的牙科和醫療鈦品級。

飛機鈦合金大型整體關鍵構件激光成形技術是“3D打印技術”的高端發展形勢,對航空工業來說是一場革命性的技術,而跑在這項技術前列的是中美兩國,而中國則領先美國。TiAl6V4(TC4)是最早使用於SLM工業生產的一種合金。但是3D打印鈦零件由於鈦本身的抗塑性剪切變形能力和耐磨性差,限制了其在高溫和腐蝕耐磨條件下的使用。因此錸(Re)和鎳(Ni)被引入鈦合金中,3D打印的Re基複合噴灌已經成功應用於航空發動機燃燒室,工作溫度可達2200℃。

鋁合金

鋁合金具有優良的物理、化學和力學性能,在許多領域獲得了廣泛的應用,但是鋁合金自身的特性(如易氧化、高反射性和導熱性等)增加了選擇性激光熔化製造的難度。目前,SLM成形鋁合金中存在氧化、殘餘應力、空隙缺陷及緻密度等問題,這些問題主要通過嚴格的保護氣氛,增加激光功率,降低掃面速度等改善。

目前,應用於金屬3D打印的鋁合金主要集中在Al-Si-Mg系合金,主要有鋁硅AlSi12和AlSi10Mg兩種。AlSi12是具有良好的熱性能的輕質增材製造金屬粉末,可應用於薄壁零件如換熱器或其他汽車零部件,還可應用於航空航天及航空工業級的原型及生產零部件;硅/鎂組合使鋁合金更具強度和硬度,使其適用於薄壁以及複雜的幾何形狀的零件,尤其是在具有良好的熱性能和低重量場合中。

鎳基合金

一般情況下,鎳基合金都具有良好的抗拉伸、抗疲勞和抗熱疲勞性能。目前,主要有Inconel 738、Hastelloy X、Inconel 625、Inconel 713、Inconel 718等。

Inconel 738具有良好的高溫蠕變斷裂強度,抗熱腐蝕性是較低鉻含量的超合金,可長期暴露於高達920-980℃的高溫腐蝕性的環境中,適用於飛機發動機、燃氣輪機。

Hastelloy X在高溫下具有高強度和抗氧化性,在高達1200℃的環境中,也具有良好的延展性,目前,主要應用於航空航天技術中,例如燃氣輪機部件和燃燒區組件如過渡管、燃燒器罐、噴杆、排氣管、加力燃燒室等;而且還因爲具有耐應力腐蝕開裂的性能,應用於工業爐、石油化工及化學過程工業中。

Inconel 625在高溫約815℃的條件下依然具有良好的負載性能,而且耐腐蝕性強,廣泛應用於航空航天、化工及電力工業中。

Inconel 713具有優異的抗熱疲勞性能,以及在927℃的特殊斷裂強度,適用於噴氣發動機燃氣輪機葉片。

Inconel 718是基於鐵鎳硬化的超合金,具有良好的耐腐蝕性及耐熱、拉伸、疲勞、蠕變性,適用於各種高端應用,例如,飛機渦輪發動機和陸基渦輪機等。

鈷鉻合金

鈷鉻合金具有高強度、耐腐蝕性強、良好的生物相容性以及無磁性的性能,主要應用於外科植入物包括合金人工關節、膝關節和髖關節,同時其還可用於發動機部件以及時裝、珠寶行業等。

我國3D打印技術正處於加速發展時期,金屬3D打印材料研究不斷加大力度,國家、各地方政府不斷出臺各種政策鼓勵3D打印產業發展。基於此,2017中國鑄造活動周技術交流專題特邀清華大學資深專家做了《智能鑄型研究》報告,深度講解3D打印鑄型的應用進展,引起參會代表強烈關注。

鎂合金

鎂合金作爲最輕的結構合金,由於其特殊的高強度和阻尼性能,在諸多應用領域鎂合金具有替代鋼和鋁合金的可能。例如鎂合金在汽車以及航空器組件方面的輕量化應用,可降低燃料使用量和廢氣排放。鎂合金具有原位降解性並且其楊氏模量低,強度接近人骨,優異的生物相容性,在外科植入方面比傳統合金更有應用前景。

我國3D打印技術正處於加速發展時期,金屬3D打印材料研究不斷加大力度,國家、各地方政府不斷出臺各種政策鼓勵3D打印產業發展。基於此,2017中國鑄造活動周技術交流專題特邀清華大學材料學院資深專家做了《智能鑄型研究》報告,深度講解3D打印在鑄造生產的應用,重點講述了3D打印鑄型技術研究成果,引起參會代表強烈關注。

2018中國鑄造活動周聚焦行業前沿技術應用,關於3D打印技術在鑄造生產的最新應用進展情況將邀請相關專家進行深入講解。同期舉辦的2018中國鑄造工業展將有相關領域領軍企業參展,展示3D打印設備、3D打印材料等。歡迎大家踊躍報名參會參展,現場與專家和相關企業深入交流。


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