L-PBF激光粉末床激光熔融金屬3D打印高強鋁合金粉末

標題：L-PBF激光粉末床激光熔融金屬3D打印高強鋁合金粉末

在鋁合金3D打印材料領(lǐng)域，高強鋁熱度頗高，不少行業(yè)從業(yè)者對這款材料翹首以盼。但就筆者所了解的情況來看，高強鋁的實際應用可謂寥寥。造成這種現(xiàn)象一定是發(fā)生了什么問題，那究竟是哪里出了問題呢？本文試圖揭示這一狀況。

圖片(AlSi10Mg打印機，壁厚0.8mm)

什么是3D打印高強鋁

高強鋁是相對于普通鋁合金而言的。如今，3D打印常用鋁合金AlSi10Mg的成熟度已經(jīng)非常高，對于一般的應用場合能使用，但該材料的抗拉強度僅300MPa，屈服強度僅260MPa，強度較低，打印后的延伸率為4-6%，高使用溫度小于100℃，無論從性能上還是使用溫度上，都無法滿足航空航天鋁合金結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品高承載應力的苛刻要求。因此，市場上迫切需要高強鋁的3D打印材料解決方案。

一個自然的想法是把傳統(tǒng)高強度的變形鋁合金（如2024、7075等）制成粉末，然后驗證看能不能打印。但是很可惜，經(jīng)過驗證，這條路是走不通的。因為硬鋁的成分是基于傳統(tǒng)制造工藝來設(shè)計的，對于新興的這種增材制造的工藝并不適合。一個重要的原因是，增材制造的熔池在凝固時的冷卻速度遠高于傳統(tǒng)制造工藝（如鑄造），這就會帶來傳統(tǒng)的材料成分設(shè)計不能適合這種快速冷卻的環(huán)境而產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。因此，必須為增材制造開發(fā)專用材料。

江蘇永年激光正在測試國內(nèi)鋁業(yè)龍頭制備的7系航空高強鋁合金的3D打印性能，在探索通過對打印件進行后處理的方式來改善打印的性能，并已取得了一定的進展。

在這種背景下，空客的Scalmalloy應運而生了。這應該是首個專為增材制造工藝開發(fā)的且商業(yè)化運用較為成功的一款材料，而Scalmalloy正是基于Al-Mg-Sc-Zr體系。應該說Al-Mg-Sc-Zr體系并不是空客率先開發(fā)的，因為Al-Mg-Sc-Zr很早就在航空鋁材中得到應用，但空客是個將這種材料體系應用于增材制造且大獲成功的，并將這種粉末命名為Scalmalloy。據(jù)稱，空客為開發(fā)這款材料歷時十年。

當然，空客為了能獲得商業(yè)上的利益申請了多個國家的專利。在某種程度上，這個專利具有太大的寬泛性而讓后來者無法規(guī)避，這也是當前高強鋁3D打印材料面臨的困境之一。

話說回來，因為AlSi10Mg的性能不夠，所以需要高強鋁，因為傳統(tǒng)硬鋁的成分不能夠3D打印，所以必須為3D打印專門開發(fā)高強鋁的成分。又因為空客率先成功實現(xiàn)了Al-Mg-Sc-Zr體系高強鋁的成功開發(fā)并采取了專利制約的手段，所以后來者不得不另辟蹊徑，開發(fā)新的高強鋁成分。所以什么是高強鋁？從廣義上講，3D打印高強鋁是指專為金屬增材制造工藝開發(fā)的能實現(xiàn)室溫下抗拉強度不低于450MPa的一種高強度鋁合金3D打印材料，當然延伸率也不能太低（應不低于8%）。至于屈服強度的下限應該設(shè)在哪，也是一個仁者見仁智者見智的問題。比如，Scalmalloy將其下限定在470MPa，而寶航新材料的內(nèi)控標準則將其定在520MPa。

因此，高強鋁的屈服強度至少2.25倍于AlSi10Mg，這就會帶來應用范圍的急劇擴大。甚至在某些場合可以替代鈦合金，因為鋁的密度僅為鈦的約60%。因此，Scamalloy在剛推出時就強調(diào)了其比強度與鈦相當，而質(zhì)量更輕的優(yōu)勢。

無論如何，空客走在了前面，后來者想要加入，無非是兩條路：一是在Al-Mg-Sc-Zr的體系上繼續(xù)優(yōu)化；一是開辟新的成分。

走優(yōu)化路線的后來者，其實相當于是在前人走過的路上繼續(xù)走下去。這樣成本相對低，風險也小，因為這被證明了是條正確的路，所需考慮的是成分如何優(yōu)化以及是否事實上造成了侵權(quán)。因為空客證明的是一種Al-Mg-Sc-Zr的成分體系，但是在具體元素的含量控制方面并不是沒有可做的空間和優(yōu)化的空間，比如Mg、Sc、Zr具體的成分范圍多少合適？要不要加入微量元素？如何保證材料成分的均勻性？做這樣優(yōu)化的工作并不能說后來者沒有貢獻，空客也不可能一個公司把這個成分體系里的所有成分都研究透。所以后來者沿這條路走是否造成侵權(quán)，也是個值得討論的問題，目前國內(nèi)多家單位和制造商均采用這個體系。

走辟新成分者，也取得了一些成果，大體有四個細分派別：

一是納米強化7075體系，這個早在2019年就被報導。由美國休斯研究實驗室（HRL）開發(fā)的鋯基納米顆粒形核的7075材料，被證明能夠避免易開裂問題，且強度超過600MPa，成為首個可用于增材制造的鍛造等效高強度鋁合金。但據(jù)筆者了解，雖然該材料體系已經(jīng)被作為一個新牌號列入鋁的國際標準，但在商業(yè)化的應用進展上則較為有限。

二是Al-Mn-Sc體系，這個體系由莫納什大學吳鑫華院士領(lǐng)導的研究團隊成功開發(fā)。這個材料被命名為Al250C，據(jù)稱其抗拉強度超過600MPa，屈服強度可達580MPa，延伸率11%，且制備的構(gòu)件在250℃高溫下通過了持續(xù)5000小的穩(wěn)定試驗，相當于發(fā)動機常規(guī)服役25年的要求。這個體系在國內(nèi)也進行了一些開發(fā)和應用。

Al250C熱處理前后樣棒室溫力學性能

Al250C力學性能與其它鋁合金的對比 

三是TiB2增強AlSi10Mg體系，這個體系由上海交通大學王浩偉教授團隊開發(fā)成功，可實現(xiàn)抗拉強度530MPa，延伸率達到13.5%，已經(jīng)在民機項目上得到了應用。該材料體系在商業(yè)化的運作上投入較大，成立了專門的公司，建立了生產(chǎn)制造基地。

四是納米陶瓷增強AlCu體系，這個體系由英國鑄造公司Aeromet International推出，被命名為A20X，該材料經(jīng)熱處理后拉伸強度為511MPa，屈服強度為440MPa，延伸率為13%。該材料體系在商業(yè)上也獲得了較大推廣，國外不少設(shè)備商將其列為可用材料之一。

總結(jié)來看，國外市場高強鋁得到應用推廣的主要是兩種材料，一個是Scalmalloy，一個是A20X。當然也還有一些其他的材料體系（比如俄鋁推出來的不含Sc的高強鋁），可能也開發(fā)出來了，但沒被報道或者影響力有限。就國內(nèi)高強鋁的市場而言，主要有Al-Mg-Sc-Zr、Al-Mn-Sc-Zr(Al250C)、AlSi10Mg/TiB2三個體系在形成銷售。此外，國內(nèi)某公司還提出了一種基于Al-Mg-Er-Zr的體系，未知效果究竟如何。

以上就是高強鋁3D打印材料的大概情況。

阻礙高強鋁應用的是哪些因素

阻礙高強鋁應用的原因主要有如下幾點：

1）認知問題

阻礙新材料得到應用的一個大問題就是認知問題。因為用戶并不知道有這樣高性能的材料出現(xiàn)，或者不知道這樣高性能的材料具體表現(xiàn)如何（因為市場上總會存在著大量的夸大宣傳和奪人眼球的華而不實的東西），或者不知道怎么來用，或者又不知道從哪里購買到。這當然需要行業(yè)內(nèi)真正的從業(yè)者來宣傳、來推廣，來做些切實的工作，也有賴于用戶對新材料抱有好奇心，愿意去嘗試，去學習新知。

2）專利問題

主要的是針對Al-Mg-Sc-Zr體系高強鋁的專利問題，當然Al-Mn-Sc體系或者其他體系，估計也會存在類似問題。但空客的這份專利問題尤為突出?？湛驮谥袊钥罩锌蛙嚪佬l(wèi)和太空有限責任公司為申請人，申請了一份名為：用于粉末冶金技術(shù)的含鈧的鋁合金的專利（專利申請?zhí)枮椋?/span>201611272966.6）。其專利對該含鈧鋁合金成分做了如下規(guī)定：

Mg: 0.5 -10 %；Sc: 0.1 - 30%；Zr: 0.05 - 1.5%；Mn: 0.01 - 1.5%

當然還有一些其他微量元素。但是這樣的一份如此寬泛的范圍，可以說違反了材料學的常識。因為如果專利保護的是如此寬廣的范圍，那材料學所要進行的成分研究可以說毫無意義。實際上材料對成分是極為敏感的，一些元素的極小含量的改變都會造成材料性能的極大變化，這才使得進行材料優(yōu)化這樣的工作具有實際意義。

但是空客的專利無疑是懸在頭頂?shù)囊话堰_摩克利斯之劍。你要使用這個材料體系，就繞不過它這個專利。這在某種程度上，是國外先進的公司采取的一種限制競爭者的手段。但我們已經(jīng)面臨太多類似狀況了，所以用戶不敢輕易使用是可以理解的。但是這里仍需指出這樣的專利保護是有問題的，或者至少是不妥的。

3）成本問題

以Al-Mg-Sc-Zr高強鋁粉末材料為例，市場上其售價高達1500-2000元/kg，相比而言AlSi10Mg價格則不到400元/kg，而同期TC4的價格已經(jīng)低至1200元/kg。用戶會認為，這個比鈦合金價格還高的高強鋁真的有應用的必要嗎？這里需要解釋下Al-Mg-Sc-Zr高強鋁粉末成本高昂的原因。

主要的還是當前需求量少，當期攤銷成本就高昂下不來。其次是原材料價格貴，尤其是AlSc原材料，高達幾百元/kg，是常規(guī)鋁材料的幾十倍，而且受到國際形勢影響，現(xiàn)在鋁價也在持續(xù)上漲。再次是工藝成本，由于加入了高比例的合金元素，因此會造成成分的偏析和霧化的不順暢，這就造成產(chǎn)量的低下，單位成本自然過高。與此同時，我們應該客觀地看到，鈦合金在其應用之初也高達2000-3000元/kg，甚至AlSi10Mg也高達1000元/kg。尤其是在進口商一家獨大的情況下，材料價格更是居高不下。反之，正是由于國產(chǎn)材料商的加入和努力，3D打印材料的價格才越來越親民，與此同時，應用范圍也進一步擴大。如果基于這一點，行業(yè)也應該團結(jié)起來，商量針對Al-Mg-Sc-Zr體系高強鋁專利的對策。

如果未來其市場需求量能達到上百噸級，則筆者大膽預測Al-Mg-Sc-Zr體系高強鋁的價格可降至與鈦合金持平甚至更低。

4）打印工藝問題

這個問題涉及到實際的使用層面。當然會有一部分先驅(qū)愿意去嘗試新的材料，但是這種Al-Mg-Sc-Zr材料的打印并不如AlSi10Mg那樣簡單。雖然其工藝窗口較其他體系的高強鋁更為寬泛，但由于其含有較大含量的Mg（Mg是一種極易揮發(fā)的元素），因此在打印過程中會產(chǎn)生大量黑煙。在工藝控制不好的時候，還會產(chǎn)生孔洞。關(guān)鍵的，這種材料在打印過程中還會產(chǎn)生大量細小的黑渣，而這就會在風場控制不好的時候，沉積在打印層的粉末上，從而給后來的成形帶來性能隱患。此外，高強鋁顧名思義，其強度是很高的，但應力也很大，要如何規(guī)避高應力帶來的風險？這就涉及零件在打印的時候需要考慮對模型做合適的擺放、需要加入合理的支撐，以及設(shè)定合適的熱處理制度和步驟。Al-Mg-Sc-Zr體系材料之所以實現(xiàn)高強度，是因為該材料在熱處理時生成了大量細小彌散的Al3Sc（Zr）相，其尺寸可達到納米級。因此該材料又不同于普通的AlSi10Mg。以上這些都是專業(yè)的知識，非經(jīng)大量實際的摸索不足以理解這一材料體系。

從這里還可以看出，材料又和設(shè)備是相關(guān)的，因為不同的設(shè)備會在激光、風場、軟件、硬件等配置上存在或多或少的差別，這就造成雖然是同一種粉末，可能打印參數(shù)就不一樣。這就需要投入時間來根據(jù)特定設(shè)備做材料參數(shù)開發(fā)的工作，這需要設(shè)備商的參與。

5）前期投入問題

從以上的論述可以看出，高強鋁不只粉末材料價格高昂，且在打印開發(fā)時還會面臨一系列的問題，這都需要不低的前期投入。那對于一般的工業(yè)制造企業(yè)而言，在未來市場不明確的情況下，貿(mào)然投入一筆經(jīng)費來做新材料的開發(fā)確實會很有風險性。尤其是對于一些“老板式”的企業(yè)來說，更是如此，必須把每一筆錢用在刀刃上。因此，投入的動力不足也是高強鋁遇冷的原因之一。

6）應用范例問題

應用范例是高強鋁真正核心的問題。就是作為一款高強度性能的材料，究竟在哪些地方能夠發(fā)揮它的作用？前面已經(jīng)談及這種材料價格偏高，因此必然把它的早期應用，限制在一些對成本不敏感、但對性能有超高追求的領(lǐng)域，如航空航天。目前鋁在航空航天的應用僅僅是一些非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，或者散熱件，那高強鋁的問世實際使得高強鋁具備了承擔結(jié)構(gòu)件的可能性。這樣的好處是顯而易見的，因為首先帶來了減重，其次是3D打印工藝能夠?qū)崿F(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)和一體化制造，帶來多方面的效益。但是這都需要我國的航空航天部門或單位多做一些探索性的工作，多給高強鋁一些應用的機會。

有何破解之法

筆者認為對于高強鋁，當前面臨著四大爭論：

? 體系之爭，這么多體系的高強鋁，到底哪一個是能夠走通的？

? 專利之爭，選用Al-Mg-Sc-Zr或Al-Mn-Sc-Zr，會不會造成侵權(quán)？

? 價格之爭，比鈦還高的價格，有誰或者什么地方能用得起？真的有必要嗎？

? 投入之爭，前期的投入不低，為什么要自己來投？何不等成熟的時候直接來用？

這些爭論看起來都是難以解決的，但是筆者認為企業(yè)向來追求實用主義，這個東西到底有沒有用？能不能用？哪個好？拿來實際測試，實際做一做就可知真假了。真的假不了，假的也真不了，關(guān)鍵是能不能解決實際問題？能不能帶來實際效果？

而對于投入問題，筆者看法是這樣：對于一個新材料而言，始終存在著前期的投入成本。你敢先前一步去測試、去使用，就快人一步，也許就意味著建立了競爭力。

作為行業(yè)內(nèi)專注于鋁合金3D打印材料的專業(yè)制造商，寶航新材料一直致力于為用戶提供多種鋁合金3D打印材料解決方案。高強鋁是公司的核心產(chǎn)品線之一。

寶航新材料主要基于Al-Mg-Sc-Zr體系生產(chǎn)制造高強鋁3D打印粉末，這是因為公司認為這個材料體系成熟度高，具有市場前景性。公司已經(jīng)能夠批量生產(chǎn)制造屈服強度500MPa級、600MPa級的高強鋁粉末。

圖片

此外，寶航新材料基于Al-Mg-Sc-Zr體系的高強鋁已有近三年的材料研發(fā)和打印工藝經(jīng)驗。在新用戶使用高強鋁的時候，公司能夠提供打印和工藝參數(shù)方面的指導，幫助用戶縮短高強鋁打印開發(fā)的周期，并能盡快實現(xiàn)零件的打印。

公司開發(fā)的高強鋁在多種金屬3D打印設(shè)備上均進行了打印測試驗證，包括：E-plus M260，E-plus M450，Farsoon M271，BLT S310，LiM M260, EOS M400等，公司正不斷的積累高強鋁在不同設(shè)備上的打印性能數(shù)據(jù)，以期進一步提升材料的穩(wěn)定性。

在高強鋁的應用開發(fā)方面，公司也在積極的同國內(nèi)的一些設(shè)備商、打印服務(wù)商和應用單位合作，與某單位合作成功開發(fā)了某型號無人作戰(zhàn)平臺高強鋁液壓缸缸體零件，實現(xiàn)了零件內(nèi)部復雜管道的設(shè)計和制造，達到設(shè)計性能要求，進入服役階段。公司近日成功實現(xiàn)了某高強鋁零件的打印，成形外輪廓尺寸約為250mm，該零件順利通過了X射線檢測的無損探傷。下一步，寶航新材料也計劃與航空航天等應用部門加強交流合作，推動高強鋁的更多應用。

一款新材料要真正得到應用，需要更多的人關(guān)注、感興趣和實際應用，在此筆者也希望國內(nèi)3D打印的專家、學者、工程師和使用單位能夠?qū)@款材料感興趣，多用它，用好它。

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