簡介

    金屬3D打印材料的應用領域相當廣泛，例如，石化工程應用、航空航天、汽車制造、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）和激光近凈成形（LENS），其中選擇性激光熔化為研究的熱點，其使用高能激光源，可以熔融多種金屬粉末。

    國內外金屬3D打印機采用的金屬粉末一般有：工具鋼、馬氏體鋼、不銹鋼、純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、銅基合金、鈷鉻合金等。常用的粉體為鈦粉、鋁合金粉和不銹鋼粉。

    匯總

    工具鋼和馬氏體鋼

    工具鋼的適用性來源于其優異的硬度、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為例，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眾所周知的。

    他們與其他鋼不同，因為他們是不含碳的，屬于金屬間化合物，通過豐富的鎳、鈷和鉬的冶金反應硬化。由于高硬度和耐磨性，馬氏體300才適用于許多模具的應用，例如，注塑模具、輕金屬合金鑄造、沖壓和擠壓等，同時，其也廣泛應用于航空航天、高強度機身部件和賽車零部件。

GKN Hoeganaes金屬粉末

    不銹鋼

    不銹鋼與碳鋼不同，目前的鉻含量不同，10.5%鉻含量最低的鋼合金，不銹鋼不容易生銹腐蝕。目前，應用于金屬3D打印的不銹鋼主要有三種：

    奧氏體不銹鋼316L、馬氏體不銹鋼15-5PH、馬氏體不銹鋼17-4PH。

    奧氏體不銹鋼316L，具有高強度和耐腐蝕性，可在很寬的溫度范圍下降到低溫，可應用于航空航天、石化等多種工程應用，也可以用于食品加工和醫療等領域。

    馬氏體不銹鋼15-5PH，又稱馬氏體時效（沉淀硬化）不銹鋼，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，廣泛應用于航空航天、石化、化工、食品加工、造紙和金屬加工業。馬氏體不銹鋼17-4PH，在高達315℃下仍具有高強度高韌性，而且耐腐蝕性超強，隨著激光加工狀態可以帶來極佳的延展性。

    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。

    傳統鍛造和鑄造技術制備的鈦合金件已被廣泛地應用在高新技術領域，如美國F14、F15、F117、B2和F22軍機的用鈦比例分別為：24%、27%、25%、26%和42%，一架波音747飛機用鈦量達到42.7t。但是傳統鍛造和鑄造方法生產大型鈦合金零件，由于產品成本高、工藝復雜、材料利用率低以及后續加工困難等不利因素，阻礙了其更為廣泛的應用。而金屬3D打印技術可以從根本上解決這些問題，因此該技術近年來成為一種直接制造鈦合金零件的新型技術。

    TiAl6V4（TC4）是最早使用于SLM工業生產的一種合金。但是3D打印鈦零件由于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基復合噴灌已經成功應用于航空發動機燃燒室，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制造的難度。

    目前，SLM成形鋁合金中存在氧化、殘余應力、空隙缺陷及致密度等問題，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，SLM成形鋁合金材料主要集中在Al-Si-Mg系合金，主要有鋁硅AlSi12和AlSi10Mg兩種。

    鋁硅12，是具有良好的熱性能的輕質增材制造金屬粉末，可應用于薄壁零件，如換熱器或其他汽車零部件，還可應用于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，使其適用于薄壁以及復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。

    高溫合金

    高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應力環境下長期工作的一類金屬材料，其具有較高的高溫強度、良好的抗熱腐蝕性和抗氧化性能以及良好的塑性和韌性。

鐵基合金粉末

    目前按合金基體種類大致可分為鐵基、鎳基和鈷基合金三大類。高溫合金主要用于高性能發動機，在現代先進的航空發動機中，高溫合金材料的使用量占發動機總質量的40%～60%。

    現代高性能航空發動機的發展對高溫合金的使用溫度和性能的要求越來越高。傳統的鑄錠冶金工藝冷卻速度慢，鑄錠中某些元素和第二相偏析嚴重，熱加工性能差，組織不均勻，性能不穩定。

    而3D打印技術在高溫合金成形中成為解決技術瓶頸的新方法。美國航空航天局聲稱，在2014年8月22日進行的高溫點火試驗中，通過3D打印技術制造的火箭發動機噴嘴產生了創紀錄的9噸推力。

    Inconel 718是基于鐵鎳硬化的超合金，具有良好的耐腐蝕性及耐熱、拉伸、疲勞、蠕變性，適用于各種高端應用，例如，飛機渦輪發動機和陸基渦輪機等。Inconel 718合金是鎳基高溫合金中應用最早的一種，也是目前航空發動機使用量最多的一種合金。

    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，主要應用于外科植入物包括合金人工關節、膝關節和髖關節，同時還可用于發動機部件以及時裝、珠寶行業等。

    鎂合金

    鎂合金作為最輕的結構合金，由于其特殊的高強度和阻尼性能，在諸多應用領域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，并且其楊氏模量低，強度接近人骨，有優異的生物相容性，在外科植入方面比傳統合金更有應用前景。

    銅基合金

    應用于市場的銅基合金，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，產生復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，也可用于微型換熱器，具有壁薄、形狀復雜的特征。

    小結

    現在適用于工業用3D打印的金屬材料種類繁多，但是大部分只有專用的粉末材料才能滿足3D找印的工業生產要求。簡單概括，3D 打印金屬粉末除需具備良好的可塑性外，還必須滿足粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求。

    相比國外，國內金屬3D打印材料大部分依賴進口，價格昂貴，這也促使國內致力于3D打印金屬材料的企業和機構自主研發金屬3D打印材料。

    最具代表性的可提供金屬材料及服務的企業有西安鉑力特、中航邁特、無錫銀邦、上海材料研究所、上?？邓俳饘俨牧稀Ⅵ蜗┤S科技等企業；支持金屬3D打印的設備公司有，中航天地、武漢濱湖、廣東信達雅、永年激光、南京煜宸、中山漢邦、鑫精合、華曙高科、多能正光、北京隆源、易加三維、恒通智能、吳江中瑞、北方恒利等企業。

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責任編輯：王元

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