金屬3D打印的常用材料有哪些？

金屬3D打印的常用材料有哪些？

金屬3D打印是屬于數(shù)字熱加工的一項(xiàng)技術(shù)，目前制備金屬的3D打印技術(shù)主要有：選區(qū)激光熔化/燒結(jié)（SLM/SLS)、電子束選區(qū)熔化（EBSM)、激光近凈成形（LENS)等。與傳統(tǒng)工藝相比，金屬3D打印有直接成型，無需模具，可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)并制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)，高效、低消耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)。
但是，因?yàn)榻饘?D打印材料本身的材料屬性，其都有特定的應(yīng)用領(lǐng)域范圍，因此，金屬3D打印材料選擇的過程是一個(gè)權(quán)衡多個(gè)因素的過程。而且，3D打印金屬不能僅僅憑借金屬3D打印機(jī)的參數(shù)來衡定，每種金屬材料都有適合自身特性的極限點(diǎn)，包括應(yīng)用、功能、穩(wěn)定性、耐久性、美觀性、經(jīng)濟(jì)性都是設(shè)計(jì)師要考慮的因素。

現(xiàn)今，國內(nèi)外金屬3D打印機(jī)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、高熵合金，以及貴金屬黃金、鉑金，難熔金屬鎢合金等。

1、工具鋼和馬氏體鋼

以工具鋼和馬氏體鋼為例，工具鋼的適用性來源于其優(yōu)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(shí)間的工藝條件；馬氏體鋼，以馬氏體300為例，又稱“馬氏體時(shí)效”鋼，在時(shí)效過程中的高強(qiáng)度、韌性和尺寸穩(wěn)定性都是眾所周知的。他們與其他鋼不同，因?yàn)樗麄兪遣缓嫉?，屬于金屬間化合物，通過豐富的鎳、鈷和鉬的冶金反應(yīng)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(yīng)用，例如，注塑模具、輕金屬合金鑄造、沖壓和擠壓等，同時(shí)，其也廣泛應(yīng)用于航空航天、高強(qiáng)度機(jī)身部件和賽車零部件。

2、不銹鋼

不銹鋼與碳鋼不同，目前的鉻含量不同，10.5%鉻含量低的鋼合金，不銹鋼不容易生銹腐蝕。目前，應(yīng)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(qiáng)度和耐腐蝕性，可在很寬的溫度范圍下降到低溫，可應(yīng)用于航空航天、石化等多種工程應(yīng)用，也可以用于食品加工和醫(yī)療等領(lǐng)域。

馬氏體不銹鋼15-5PH，又稱馬氏體時(shí)效（沉淀硬化）不銹鋼，具有很高的強(qiáng)度、良好的韌性、耐腐蝕性，而且可以進(jìn)一步的硬化，是無鐵素體。目前，廣泛應(yīng)用于航空航天、石化、化工、食品加工、造紙和金屬加工業(yè)。

馬氏體不銹鋼17-4PH，在高達(dá)315℃下仍具有高強(qiáng)度高韌性，而且耐腐蝕性超強(qiáng)，隨著激光加工狀態(tài)可以帶來極佳的延展性。

3、合金

金屬3D打印材料應(yīng)用為廣泛的金屬粉末合金主要有純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、鈷鉻合金、銅基合金等。

1）純鈦及鈦合金

目前應(yīng)用于市場的純鈦，又稱商業(yè)純鈦，分為1級和2級粉體，2級強(qiáng)于1級，對于大多數(shù)的應(yīng)用同樣具有耐腐蝕性。因?yàn)榧冣?級具有良好的生物相容性，因此在醫(yī)療行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。

鈦是鈦合金產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。目前，應(yīng)用于金屬3D打印的鈦合金主要是鈦合金5級和鈦合金23級，因?yàn)槠鋬?yōu)異的強(qiáng)度和韌性，結(jié)合耐腐蝕、低比重和生物相容性，所以在航空航天和汽車制造中具有非常理想的應(yīng)用，而且，因?yàn)閺?qiáng)度高、模量低、耐疲勞性強(qiáng)，應(yīng)用于生產(chǎn)生物醫(yī)學(xué)植入物。鈦合金23級，純度更高，是神級一樣的牙科和醫(yī)療鈦品級。

2）鋁合金

目前，應(yīng)用于金屬3D打印的鋁合金主要有鋁硅AlSi12和AlSi10Mg兩種。鋁硅12，是具有良好的熱性能的輕質(zhì)增材制造金屬粉末，可應(yīng)用于薄壁零件如換熱器或其他汽車零部件，還可應(yīng)用于航空航天及航空工業(yè)級的原型及生產(chǎn)零部件；硅/鎂組合使鋁合金更具強(qiáng)度和硬度，使其適用于薄壁以及復(fù)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。

3）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(qiáng)度，抗熱腐蝕性是較低鉻含量的超合金，可長期暴露于高達(dá)920-980℃的高溫腐蝕性的環(huán)境中，適用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)。

Hastelloy X在高溫下具有高強(qiáng)度和抗氧化性，在高達(dá)1200℃的環(huán)境中，也具有良好的延展性，目前，主要應(yīng)用于航空航天技術(shù)中，例如燃?xì)廨啓C(jī)部件和燃燒區(qū)組件如過渡管、燃燒器罐、噴桿、排氣管、加力燃燒室等；而且還因?yàn)榫哂心蛻?yīng)力腐蝕開裂的性能，應(yīng)用于工業(yè)爐、石油化工及化學(xué)過程工業(yè)中。

Inconel 625(GH3536)在高溫約815℃的條件下依然具有良好的負(fù)載性能，而且耐腐蝕性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于航空航天、化工及電力工業(yè)中。

Inconel 713具有優(yōu)異的抗熱疲勞性能，以及在927℃的特殊斷裂強(qiáng)度，適用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)葉片。

Inconel 718（GH4169）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(yīng)用，例如，飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和陸基渦輪機(jī)等。

4）鈷鉻合金

鈷鉻合金具有高強(qiáng)度、耐腐蝕性強(qiáng)、良好的生物相容性以及無磁性的性能，主要應(yīng)用于外科植入物包括義齒烤瓷內(nèi)冠、合金人工關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)，同時(shí)其還可用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件以及時(shí)裝、珠寶行業(yè)等。

5）銅基合金

應(yīng)用于市場的銅基合金，俗稱青銅，具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，可以結(jié)合設(shè)計(jì)自由度，產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和冷卻通道，適合冷卻更有效的工具插入模具，如半導(dǎo)體器件，也可用于微型換熱器，具有壁薄、形狀復(fù)雜的特征，現(xiàn)在江蘇永年激光已經(jīng)成功開發(fā)出無氧銅打印工藝。

金屬3D打印材料的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，例如，石化工程應(yīng)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(yī)療、造紙、電力工業(yè)、珠寶、時(shí)裝等。相信隨著科技的不斷進(jìn)步，今后金屬3D打印材料的應(yīng)用對社會(huì)的影響會(huì)越來越大。