一文看懂鋁合金制造在3D打印領(lǐng)域的現(xiàn)狀與發(fā)展態(tài)勢

一文看懂鋁合金制造在3D打印領(lǐng)域的現(xiàn)狀與發(fā)展態(tài)勢
    鋁合金，由于其天然的輕量化特點(diǎn)，在工業(yè)制造領(lǐng)域占有重要的一席之地。不過隨著3D打印在鈦金屬領(lǐng)域的崛起以及低成本鈦金屬的發(fā)展趨勢，鋁合金似乎遇到了鈦合金和復(fù)合輕量化塑料材料的雙重夾擊。甚至包括傳統(tǒng)加工行業(yè)的鋁合金輪轂，也面臨著無充氣整體輪胎發(fā)展趨勢的威脅，那么鋁合金是否可以借助3D打印技術(shù)獲得一定程度突圍，在金屬3D打印領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀如何呢？
本期，3D科學(xué)谷從市場發(fā)展態(tài)勢，粉末材料當(dāng)前的技術(shù)突破，以及鋁合金與3D打印技術(shù)的多種結(jié)合方式，鋁合金的應(yīng)用優(yōu)勢領(lǐng)域，為谷友深入分析鋁合金制造在3D打印領(lǐng)域的現(xiàn)狀與發(fā)展態(tài)勢。

▲點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的鋁合金3D打印
 市場發(fā)展態(tài)勢：
   鋁合金的市場發(fā)展態(tài)勢方面，根據(jù)SmarTech的預(yù)測，鋁合金占金屬3D打印中所有金屬粉末的消耗量（按體積計算）從2014年的5.1%逐漸提高到2026年的11.7%左右，鋁合金在汽車行業(yè)的10年復(fù)合增長率在51.2%。
鋁硅AlSi12-鋁硅12是一種具有良好的熱性能的輕質(zhì)增材制造金屬粉末。AlSi10Mg-硅/鎂組合帶來顯著的強(qiáng)度和硬度的增加。這種鋁合金適用于薄壁，復(fù)雜的幾何形狀的零件，是需要良好的熱性能和低重量場合中理想的應(yīng)用材料。零件組織致密，有鑄造或鍛造零件的相似性。典型的應(yīng)用包括汽車，航空航天和航空工業(yè)級的原型及生產(chǎn)零部件，例如換熱器這樣的薄壁零件。
    當(dāng)然不同的金屬3D打印技術(shù)存在著一定層面的競爭或互補(bǔ)關(guān)系。競爭的主旋律圍繞著在提供高度的精度以及零件復(fù)雜性的同時，滿足更高的效率和更低的成本。
    壓鑄合金AlSi10Mg類似美國合金360,雖然這并不是一個被廣泛認(rèn)可的高強(qiáng)度鑄造合金，但它已被證明通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砟軌虍a(chǎn)生相當(dāng)高的強(qiáng)度，3D科學(xué)谷了解到雖然這一事實(shí)也還備受爭議。但從廣義上講，這種合金可以通過標(biāo)準(zhǔn)的熱處理工藝，固溶處理后人工時效，稱為T6周期。溶液處理500°C以上， 4-12h，溫度不應(yīng)超過550°C，其次是水或聚合物熔體淬火。人工老化溫度在155°C-165°C之間，時間6-24h，通過精確的時間和溫度控制終性能?？估瓘?qiáng)度可以從220MPa到340MPa之間，抗拉屈服強(qiáng)度在180MPa和280MPa之間。其他合金包括169（A357）和AlSi7Mg。
    此外，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究另外專有的合金如Scalmalloy已經(jīng)被用于空客的增材制造應(yīng)用中，這是一些令人興奮的進(jìn)展。
在超過5,500種合金材料中，絕大多數(shù)材料仍無法通過金屬3D打印技術(shù)制造。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，美國HRL 實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，影響合金材料在增材制造工藝中使用的原因是，打印過程中材料的熔融和凝固產(chǎn)生了具有大柱晶粒和周期性裂紋的微觀結(jié)構(gòu)。HRL 實(shí)驗(yàn)室表示，可以通過在增材制造材料中引入納米顆粒成核劑的方式來解決這一問題。
    HRL實(shí)驗(yàn)室的研究人員根據(jù)晶體學(xué)信息選擇了鋯基納米顆粒成核劑，并將它們組裝到了7075和6061系列鋁合金粉末中。在用成核劑進(jìn)行功能化之后，這些先前與增材制造制造不相容的高強(qiáng)度鋁合金可以使用粉末床選擇性激光熔化設(shè)備進(jìn)行成功的加工。成型后的材料無裂紋，等軸（即，其長度，寬度和高度上的晶粒大致相等），實(shí)現(xiàn)了細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)，并與鍛造材料具有相當(dāng)?shù)牟牧蠌?qiáng)度。
   如今，為了進(jìn)入商業(yè)化過程，HRL實(shí)驗(yàn)室成功將這種合金注冊下來，美國鋁業(yè)協(xié)會負(fù)責(zé)監(jiān)督整個行業(yè)使用的合金注冊和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)會的新增材制造合金注冊系統(tǒng)于2019年2月推出，以響應(yīng)越來越多的增材制造合金，個注冊的正是HRL實(shí)驗(yàn)室的高強(qiáng)度鋁。這將永遠(yuǎn)將HRL與這種特殊的合金成分聯(lián)系在一起。這一點(diǎn)，值得國內(nèi)企業(yè)借鑒。
    而國內(nèi)，中航邁特與GE增材在2019年7月宣布聯(lián)合共建北京亦莊增材制造創(chuàng)新中心，推動增材制造高性能鈦鋁合金、高溫合金等材料及其零部件產(chǎn)品在民用航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用。
  除了空客的Scalmalloy已經(jīng)被用于空客的增材制造應(yīng)用中，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，SLM選區(qū)激光熔化金屬3D打印鋁合金的一個經(jīng)典應(yīng)用是Betatype公司3D打印鋁合金熱交換器，通過粉末床激光熔化工藝創(chuàng)造出所需的超高密度點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。在3D科學(xué)谷看來，鋁合金材質(zhì)方面的輕量化優(yōu)勢與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方面的輕量化雙重加強(qiáng)，成為一種頗具前景的輕量化實(shí)現(xiàn)方式。
   不過鋁合金的加工領(lǐng)域國際上的一家公司走出了更系統(tǒng)化的路線，針對于鋁合金的加工，Sintavia開發(fā)出了完整的端到端的參數(shù)體系，Sintavia通過專有工藝來打印F357鋁粉末，從而滿足航空航天和汽車行業(yè)對低密度、良好的加工性和熱傳導(dǎo)元件的需求。航空航天和汽車行業(yè)對于鋁硅合金的需求正在上升，Sintavia的綜合制造能力使得F357鋁合金的制造更加快速，并且達(dá)到或超過行業(yè)的嚴(yán)格驗(yàn)證參數(shù)要求。
   Sintavia獨(dú)家的鋁合金加工工藝是一整套的體系，不僅包括預(yù)構(gòu)建材料分析，還包括后期熱處理和壓力消除，從而能夠生產(chǎn)出高達(dá)125%的設(shè)計強(qiáng)度，精密度達(dá)100%。通過常溫、高溫強(qiáng)度驗(yàn)證，以及零度以下的溫度驗(yàn)證，Sintavia能夠快速生產(chǎn)出滿足要求的鋁件。
    此前，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，國內(nèi)方面，2018年東風(fēng)汽車公司通用鑄鍛廠聯(lián)合其他三家單位建立戰(zhàn)略合作。四方利用各自優(yōu)勢，建立產(chǎn)學(xué)研全面合作關(guān)系，共建汽車輕量化鋁合金低壓鑄造研究中心，共同在汽車用鑄造鋁合金材料、鋁合金鑄件輕量化設(shè)計、鋁合金鑄造技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用等方面開展全方位合作。
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，國際上，關(guān)于鑄造在交通工具領(lǐng)域的輕量化應(yīng)用，一個現(xiàn)實(shí)的例子是歐特克嘗試通過3D打印熔模來鑄造鎂鋁合金，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)座椅的輕量化。這種座椅結(jié)構(gòu)件適合任何標(biāo)準(zhǔn)的商用噴氣式飛機(jī)，預(yù)計可以通過減重為航空公司節(jié)約數(shù)百萬美元的成本。
    雖然，金屬3D打印在推動制造業(yè)跨越式發(fā)展，并能夠生產(chǎn)非常復(fù)雜的產(chǎn)品，但目前材料選項(xiàng)仍然有限。目前增材制造支持的材料只有幾十種，但鑄造可以在成千上萬種的金屬和復(fù)合材料中進(jìn)行選擇。因此，該項(xiàng)目利用了3D打印的技術(shù)優(yōu)勢，而不完全依賴于3D打印技術(shù)。
   利用3D打印和鑄造，來生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品可以將3D打印制造復(fù)雜產(chǎn)品的優(yōu)勢以及鑄造領(lǐng)域多年來成熟的產(chǎn)業(yè)化工藝做到優(yōu)勢結(jié)合。
   借助顆粒增強(qiáng)獲得的鋁硅基復(fù)合材料可顯著提高傳統(tǒng)的鋁硅合金的力學(xué)性能，已經(jīng)被廣泛的研究并在實(shí)際工程中獲得應(yīng)用。
   目前對于激光增材制造的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，在成形加工過程中主要面臨這樣一些問題：
- 由于鋁對激光具有很高的激光反射率，通常低功率激光器難以使得鋁合金發(fā)生完全熔化，增強(qiáng)顆粒的加入能夠在程度上提高粉體對激光的吸收率，但增強(qiáng)顆粒加入過多則會導(dǎo)致材料延伸性能下降；
- 研究表明，降低增強(qiáng)體的顆粒尺寸達(dá)到納米級可以有效提高金屬基復(fù)合材料的機(jī)械性能，如提高強(qiáng)度和減少裂紋，但是當(dāng)增強(qiáng)顆粒的尺寸減小至納米尺度時，顆粒之間會因強(qiáng)烈的范德瓦爾力以及極大的表面張力而緊密地團(tuán)聚在一起，從而很不利于增強(qiáng)顆粒在基體中的均勻分散，在激光增材制造過程中，所形成熔池中特有的Marongoni流可以起到均勻分散第二相的作用，但該Marangoni流又與熔池的溫度場緊密相連；
- 由于通常加入的增強(qiáng)顆粒為陶瓷相，而陶瓷相與基體相之間的潤濕性很差，同時它們之間的熱膨脹系數(shù)差異也往往較大，這就導(dǎo)致在成形過程中形成的液相不能均勻鋪展，同時在隨后的凝固過程中產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力而出現(xiàn)裂紋。

為解決上述存在的技術(shù)問題，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，南京航空航天大學(xué)幾年前開發(fā)出基于SLM成形的鋁基納米復(fù)合材料，用于激光增材技術(shù)領(lǐng)域，有效的解決鋁基納米復(fù)合材料在激光增材過程中工藝性能與力學(xué)性能不匹配、增強(qiáng)顆粒分布不均勻以及陶瓷相與基材相之間潤濕性較差的問題，使得所獲得的產(chǎn)品具備良好的界面結(jié)合以及優(yōu)異的力學(xué)性能。
   展望下一步，從發(fā)展趨勢來看，人工智能將在材料開發(fā)領(lǐng)域扮演越來越重要的角色。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，由英國劍橋的一家人工智能公司Intellegens開發(fā)的一種新的機(jī)器學(xué)習(xí)算法已被用于設(shè)計一種新的用于金屬增材制造的鎳基合金。未來，是否鋁合金材料開發(fā)領(lǐng)域出現(xiàn)越來越多的人工智能的身影，3D科學(xué)谷認(rèn)為這是一種必然。
關(guān)于3D打印在發(fā)動機(jī)領(lǐng)域價值創(chuàng)造的詳細(xì)剖析，敬請查閱已經(jīng)發(fā)布的《3D打印與航空發(fā)動機(jī)白皮書》，并關(guān)注后期將要發(fā)布的《3D打印與航空發(fā)動機(jī)白皮書V2》