金屬粉末已成為金屬零件3D打印產(chǎn)業(yè)鏈重*重要的一環(huán)

    3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前，應(yīng)用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料等，此外還有用于打印首飾用的金、銀等貴金屬粉末材料。3D 打印金屬粉末作為金屬零件3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈*重要的一環(huán)，也是*大的價值所在。

    在“2013年世界3D 打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會”上，世界3D 打印行業(yè)的權(quán)威專家對3D打印金屬粉末給予明確定義，即指尺寸小于1mm 的金屬顆粒群。包括單一金屬粉末、合金粉末以及具有金屬性質(zhì)的某些難熔化合物粉末。目前，3D 打印金屬粉末材料包括鈷鉻合金、不銹鋼、工業(yè)鋼、青銅合金、鈦合金和鎳鋁合金等。但是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。

    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(yōu)點，在航空航天、化工、核工業(yè)、運動器材及醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)鍛造和鑄造技術(shù)制備的鈦合金件已被廣泛地應(yīng)用在高新技術(shù)領(lǐng)域，一架波音747飛機用鈦量達到42.7t。但是傳統(tǒng)鍛造和鑄造方法生產(chǎn)大型鈦合金零件，由于產(chǎn)品成本高、工藝復(fù)雜、材料利用率低以及后續(xù)加工困難等不利因素，阻礙了其更為廣泛的應(yīng)用。而金屬3D打印技術(shù)可以從根本上解決這些問題，因此該技術(shù)近年來成為一種直接制造鈦合金零件的新型技術(shù)。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），抗塑性剪切變形能力和耐磨性差，因而限制了其制件在高溫和腐蝕磨損條件下的使用。

    然而錸（Re）的熔點很高，一般用于超高溫和強熱震工作環(huán)境，如美國 Ultramet公司采用金屬有機化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）制備 Re基復(fù)合噴管已經(jīng)成功應(yīng)用于航空發(fā)動機燃燒室，工作溫度可達2200℃。因此，Re-TI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。Ni具有磁性和良好的可塑性，因此Ni-TI合金是常用的一種形狀記憶合金。合金具有偽彈性、高彈性模量、阻尼特性、生物相容性和耐腐蝕性等性能。另外鈦合金多孔結(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，該人造骨即為Ni-TI合金。

    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，由于其粉末成型性好、制備工藝簡單且成本低廉，是*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)、東北大學(xué)等院校在金屬3D 打印方面研究比較深入�，F(xiàn)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。李瑞迪等采用不同的工藝參數(shù)，對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，并總結(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，適當(dāng)增大掃描速度可減小球化現(xiàn)象，在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)象加重。Ma等通過對1Cr18Ni9Ti不銹鋼粉末進行激光熔化，發(fā)現(xiàn)粉末層厚從60μm 增加到150μm時，枝晶間距從0.5μm增加到1.5μm，*后穩(wěn)定在2.0μm 左右，試樣的硬度依賴于熔化區(qū)域各向異性的微結(jié)構(gòu)和晶粒大小。姜煒采用一系列的不銹鋼粉末，分別研究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 成形影響的機理主要是在于對選擇性激光成形過程當(dāng)中熔池質(zhì)量的影響，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，從而決定SLM 成形件的質(zhì)量。

    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(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度、良好的抗熱腐蝕和抗氧化性能以及良好的塑性和韌性。目前按合金基體種類大致可分為鐵基、鎳基和鈷基合金3類。高溫合金主要用于高性能發(fā)動機，在現(xiàn)代先進的航空發(fā)動機中，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的要求越來越高。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相偏析嚴(yán)重，熱加工性能差，組織不均勻，性能不穩(wěn)定。而3D打印技術(shù)在高溫合金成形中成為解決技術(shù)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(shù)制造的火箭發(fā)動機噴嘴產(chǎn)生了創(chuàng)紀(jì)錄的9t推力。

    鎂合金

    鎂合金作為*輕的結(jié)構(gòu)合金，由于其特殊的高強度和阻尼性能，在諸多應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)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，優(yōu)異的生物相容性，在外科植入方面比傳統(tǒng)合金更有應(yīng)用前景。