替代中溫鈦合金，蘇州倍豐與英美企業(yè)搶灘高強(qiáng)度鋁合金3D打印

替代中溫鈦合金，蘇州倍豐與英美企業(yè)搶灘高強(qiáng)度鋁合金3D打印
目前在航空航天領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以解決極端復(fù)雜的精密構(gòu)件加工制造難題，在隨形內(nèi)流道、復(fù)雜薄壁、點(diǎn)陣鏤空、復(fù)雜內(nèi)腔、多部件集成等復(fù)雜結(jié)構(gòu)問(wèn)題上有先天優(yōu)勢(shì)，是3D打印技術(shù)快速發(fā)展的重要領(lǐng)域。
但在3D打印鋁合金的應(yīng)用中，由于傳統(tǒng)鋁合金的成形特點(diǎn)，大部分牌號(hào)不適用于3D打印。僅有適用于3D打印的幾種鑄鋁牌號(hào)合金，由于其自身材料性能限制，無(wú)法適用于航空航天高端領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，難以滿足高強(qiáng)、高溫使用要求，因此大大限制了3D打印在航空航天減重上的應(yīng)用需求。

▲Aeromet用于增材制造的A20X粉末
來(lái)源：Aeromet
正在跨越門檻的鋁合金3D打印
中國(guó)-蘇州倍豐
根據(jù)中國(guó)日?qǐng)?bào)，蘇州倍豐創(chuàng)始人、澳大利亞工程院吳鑫華院士近日宣布，經(jīng)過(guò)近兩年的研究，吳院士領(lǐng)導(dǎo)莫納什大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出了牌號(hào)為Al250C的高強(qiáng)高韌增材制造專用鋁合金材料，為3D打印鋁合金材料再添一名明星成員。Al250C是研究團(tuán)隊(duì)專門為3D 打印設(shè)計(jì)的材料，目前已經(jīng)達(dá)到了批產(chǎn)和商業(yè)化使用階段。
本次Al250C粉末產(chǎn)品的推出，立刻受到了包括美國(guó)通用，波音， 雷神， 賽峰等多家航空巨頭的高度贊賞和重視。用該材料制作航空鋁合金3D打印結(jié)構(gòu)件，更有希望替代目前航空航天上的部分鈦合金構(gòu)件，達(dá)到航天航空領(lǐng)域降低重量與節(jié)約成本的目的。
該Al250C材料強(qiáng)度達(dá)到目前可用于3D打印的鋁合金材料中高水平，屈服強(qiáng)度可達(dá)580MPa，抗拉強(qiáng)度590MPa以上，延伸率可達(dá)11%，制備構(gòu)件通過(guò)了2500C高溫下持續(xù)5000小時(shí)的穩(wěn)定試驗(yàn)， 相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)服役25年的要求。之前市場(chǎng)上常用的鋁合金AlMg7Si和AlMg10Si的屈服強(qiáng)度為260 MPa, 打印后的延伸率為4-6%，高使用溫度小于100℃，無(wú)論從性能上還是使用溫度上，都無(wú)法滿足航空航天鋁合金產(chǎn)品的苛刻要求，

▲Al250C材料與其他材料比較
而吳院士開發(fā)的Al250C的強(qiáng)度接近常用AlSi10Mg系鋁合金材料強(qiáng)度的2倍。特別指出的是，該材料表現(xiàn)出了十分優(yōu)異的高溫使用壽命，對(duì)比目前適用于金屬3D打印的Scalmalloy鋁合金，其在250℃時(shí)的使用壽命僅為100小時(shí)，而Al250C在同樣溫度下的使用壽命超過(guò)5000小時(shí)，極大提高了使用壽命。
據(jù)悉，目前采用該高強(qiáng)鋁合金材料所開發(fā)的航空散熱結(jié)構(gòu)件成功替代了傳統(tǒng)采用鈦合金制作的中溫構(gòu)件，大幅度減輕了該結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)重量，成功幫助法國(guó)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)瘦身。
而在不久之前，蘇州倍豐還剛剛利用該材料打印出了致密度、強(qiáng)韌性等性能指標(biāo)良好的Al250C航空鋁合金產(chǎn)品。同時(shí)，他們還會(huì)進(jìn)一步研究Al250C生產(chǎn)工藝的優(yōu)化及其極具潛力的規(guī)?；I(yè)應(yīng)用。

▲3D打印Al250C材料所制造的零件
據(jù)介紹，研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)了化學(xué)成分調(diào)整、后處理工藝優(yōu)化等手段，采用自主擁有高強(qiáng)鋁合金霧化凝固過(guò)程的控制技術(shù)和高純氣體霧化技術(shù)，生產(chǎn)出批次性穩(wěn)定、性能優(yōu)異的高強(qiáng)耐熱該新型鋁合金Al250C粉體材料，已經(jīng)達(dá)到了商業(yè)化應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。
英國(guó)-Aeromet International
總部位于英國(guó)的鑄造專家Aeromet International近日宣布，其專利的用于增材制造的鋁合金粉末A20X所制造的零件已經(jīng)超過(guò)500MPa的極限拉伸強(qiáng)度（UTS）。Aeromet 稱，這一成就使的該鋁合金材料成為“市售的用于增材制造的強(qiáng)鋁合金粉末之一”。

▲3D打印A20X鋁合金材料所制造的零件
該里程碑是進(jìn)一步開發(fā)和優(yōu)化A20X鋁粉研究項(xiàng)目HighSAP的一部分。致力于優(yōu)化增材制造的高強(qiáng)度鋁合金粉末（HighSAP）項(xiàng)目涉及到航空發(fā)動(dòng)機(jī)巨頭Rolls-Royce-羅羅，英國(guó)金屬3D打印機(jī)制造商Renishaw-雷尼紹和英國(guó)霧化專家Phoenix Scientific Industries（PSI）。HighSAP還得到了英國(guó)國(guó)家航空航天技術(shù)開發(fā)計(jì)劃（NATEP）的支持。
A20X是一種鋁 - 銅合金材料，具有精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，與其他合金相比，具有“更高的強(qiáng)度，抗疲勞和優(yōu)化的熱性能。”目前已獲得金屬材料特性開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化（MMPDS）和航空航天材料標(biāo)準(zhǔn)（AMS）的批準(zhǔn)，該材料已被全球領(lǐng)先的航空鑄造供應(yīng)商采用。
Aeromet用于增材制造的A20X粉末源于其鋁合金鑄造合金，目前在測(cè)試中，3D打印的A20X粉末材料所制造的極限拉伸強(qiáng)度為511MPa，還超過(guò)了之前3D打印的A20X零部件所達(dá)到的477MPa極限拉伸強(qiáng)度的記錄。
3D科學(xué)谷在《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(shì)》中談到鋁合金與3D打印技術(shù)存在多種結(jié)合方式，當(dāng)然不同的金屬3D打印技術(shù)存在著一定層面的競(jìng)爭(zhēng)或互補(bǔ)關(guān)系。競(jìng)爭(zhēng)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(shí)，滿足更高的效率和更低的成本。
鋁合金的3D打印正在更多的“綁定”金屬3D打印工藝，從而形成多樣化的發(fā)展，并且?guī)?lái)了持續(xù)發(fā)展的機(jī)遇。由于粘結(jié)劑噴射金屬3D打印工藝* (*參考資料： 一文看懂面向規(guī)模制造的粘結(jié)劑噴射高速金屬3D打印技術(shù)態(tài)勢(shì)與挑戰(zhàn)）的后處理熱加工過(guò)程容易導(dǎo)致鋁合金燃燒，使得粘結(jié)劑噴射金屬3D打印工藝在鋁合金的加工方面目前不具備優(yōu)勢(shì)。而PBF（包括SLM/DMLS,EBM工藝）粉末床熔化金屬3D打印成為鋁合金更為理想的加工工藝 。
根據(jù)SmarTech，3D打印行業(yè)目前正在發(fā)生著兩個(gè)顯著的發(fā)展趨勢(shì)，個(gè)是鋁合金材料的全球供應(yīng)鏈似乎已經(jīng)“越過(guò)門檻”，成為支持增材制造技術(shù)的下一代機(jī)遇。鋁合金的3D打印現(xiàn)在開始趕上鎳，鋼和鈦。
在超過(guò)5,500種合金材料中，絕大多數(shù)材料仍無(wú)法通過(guò)金屬3D打印技術(shù)制造。美國(guó)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(guò)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)室的解決方案是通過(guò)在增材制造材料中引入納米顆粒成核劑的方式來(lái)解決這一問(wèn)題。
在用成核劑進(jìn)行功能化之后，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(wú)裂紋，等軸（即，其長(zhǎng)度，寬度和高度上的晶粒大致相等），美國(guó)HRL 實(shí)驗(yàn)室于2017年實(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。
在替代中溫鈦合金的賽道上，3D科學(xué)谷看到中國(guó)，英國(guó)，美國(guó)紛紛不約而同的從開發(fā)材料以及與3D打印工藝結(jié)合的角度發(fā)力，根據(jù)SmarTech，鋁合金產(chǎn)品的開發(fā)和商業(yè)化都在顯著增加，為穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)性的加工所打包的“流行鍛造合金配方”（“popular wrought alloy formulations” ）將繼續(xù)發(fā)展，這是含有稀土元素的專用增材制造用特定合金，未來(lái)五年應(yīng)該會(huì)看到這種材料更加多樣化的3D打印市場(chǎng)機(jī)會(huì)。