那么火的金属3D打印,它都用到哪些材料?
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3D打印,自20世纪90年代中期被发明以来,在近几年终于迎来了一个较受关注的高速发展期。不论是国家政府部门,还是传统企业,都在积极促进3D打印与行业间的深度融合,以期推动该技术的市场应用,带动传统行业的转型升级。然而,从目前的实际情况来讲,3D打印还没有形成一个完善的产业链,制约它发展的原因有多种,其中3D打印材料的研发应用还不太成熟是一个较为关键的因素。那么,目前在3D打印材料中最受重视的金属材料,发展到了哪个阶段呢?
金属3D打印是属于数字热加工的一项技术,目前制备金属的33D打印技术主要有:选区激光熔化/烧结(SLM/SLS)、电子束选区熔化(EBSM)、激光近净成形(LENS)等。与传统工艺相比,金属3D打印有直接成型,无需模具,可以实现个性化设计并制作复杂结构,高效、低消耗、低成本等优点。但是因为其是数字热加工,变形是无法消除的,变形量需要从工艺和经验上去控制,最后还要经过数控机床等技术的后期加工处理。
图1 3D打印例子(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
虽然说3D打印在国内近几年热度才升起来,但就国际而言,3D打印发展早在20世纪80年代就已经兴起了。国际范围内,美国Argen Corporation(在牙科金属材料领域尤其有实力),美国Carpenter Technology,德国Concept Laser, 英国CPM,德国EOS,意大利Legor Group,英国LPW Technology,美国Pyrogenesis(在国防领域尤其擅长),瑞典Sandvik,德国SLM Solutions等企业在各自的金属打印领域提供了一系列的行业解决方案。相比国外,国内金属3D打印材料大部分依赖进口,价格昂贵,这也促使国内致力于3D打印金属材料的企业和机构自主研发金属3D打印材料,最具代表性的可提供金属材料及服务的企业有西安铂力特、银邦股份、上海材料研究所、上海康速金属材料、鑫烯三维科技等企业。
图2 工具钢(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

金属3D打印材料的市场应用

金属3D打印材料的应用领域相当广泛,例如,石化工程应用、航空航天、汽车制造、注塑模具、轻金属合金铸造、食品加工、医疗、造纸、电力工业、珠宝、时装等。
但是,因为金属3D打印材料本身的材料属性,其都有特定的应用领域范围,因此,金属3D打印材料选择的过程是一个权衡多个因素的过程。而且,3D打印金属不能仅仅凭借金属3D打印机的参数来衡定,每种金属材料都有适合自身特性的极限点,包括应用、功能、稳定性、耐久性、美观性、经济性都是设计师要考虑的因素。
现今,国内外金属3D打印机采用的金属粉末一般有:工具钢、马氏体钢、不锈钢、纯钛及钛合金、铝合金、镍基合金、铜基合金、钴铬合金等。

工具钢和马氏体钢

工具钢以工具钢和马氏体钢为例,工具钢的适用性来源于其优异的硬度、耐磨性和抗形变能力,以及在高温下保持切削刃的能力。模具H13热作工具钢就是其中一种,能够承受不确定时间的工艺条件;马氏体钢,以马氏体300为例,又称“马氏体时效”钢,在时效过程中的高强度、韧性和尺寸稳定性都是众所周知的。他们与其他钢不同,因为他们是不含碳的,属于金属间化合物,通过丰富的镍、钴和钼的冶金反应硬化。由于高硬度和耐磨性,马氏体300才适用于许多模具的应用,例如,注塑模具、轻金属合金铸造、冲压和挤压等,同时,其也广泛应用于航空航天、高强度机身部件和赛车零部件。
图3 不锈钢(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

不锈钢

不锈钢与碳钢不同,目前的铬含量不同,10.5%铬含量最低的钢合金,不锈钢不容易生锈腐蚀。目前,应用于金属3D打印的不锈钢主要有三种:奥氏体不锈钢316L、马氏体不锈钢15-5PH、马氏体不锈钢17-4PH。
奥氏体不锈钢316L,具有高强度和耐腐蚀性,可在很宽的温度范围下降到低温,可应用于航空航天、石化等多种工程应用,也可以用于食品加工和医疗等领域。
马氏体不锈钢15-5PH,又称马氏体时效(沉淀硬化)不锈钢,具有很高的强度、良好的韧性、耐腐蚀性,而且可以进一步的硬化,是无铁素体。目前,广泛应用于航空航天、石化、化工、食品加工、造纸和金属加工业。
马氏体不锈钢17-4PH,在高达315℃下仍具有高强度高韧性,而且耐腐蚀性超强,随着激光加工状态可以带来极佳的延展性。
图4 钛合金(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

合金


金属3D打印材料应用最为广泛的金属粉末合金主要有纯钛及钛合金、铝合金、镍基合金、钴铬合金、铜基合金等。
  1. 纯钛及钛合金
    目前应用于市场的纯钛,又称商业纯钛,分为1级和2级粉体,2级强于1级,对于大多数的应用同样具有耐腐蚀性。因为纯钛2级具有良好的生物相容性,因此在医疗行业具有广泛的应用前景。
    钛是钛合金产业的关键。目前,应用于金属3D打印的钛合金主要是钛合金5级和钛合金23级,因为其优异的强度和韧性,结合耐腐蚀、低比重和生物相容性,所以在航空航天和汽车制造中具有非常理想的应用,而且,因为强度高、模量低、耐疲劳性强,应用于生产生物医学植入物。钛合金23级,纯度更高,是神级一样的牙科和医疗钛品级。
    图5 铝合金(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
  2. 铝合金
    目前,应用于金属3D打印的铝合金主要有铝硅AlSi12和AlSi10Mg两种。铝硅12,是具有良好的热性能的轻质增材制造金属粉末,可应用于薄壁零件如换热器或其他汽车零部件,还可应用于航空航天及航空工业级的原型及生产零部件;硅/镁组合使铝合金更具强度和硬度,使其适用于薄壁以及复杂的几何形状的零件,尤其是在具有良好的热性能和低重量场合中。
    图6 镍合金粉
  3. 镍基合金
    一般情况下,镍基合金都具有良好的抗拉伸、抗疲劳和抗热疲劳性能。目前,主要有Inconel 738、Hastelloy X、Inconel 625、Inconel 713、Inconel 718等。
    Inconel 738具有良好的高温蠕变断裂强度,抗热腐蚀性是较低铬含量的超合金,可长期暴露于高达920-980℃的高温腐蚀性的环境中,适用于飞机发动机、燃气轮机。
    Hastelloy X在高温下具有高强度和抗氧化性,在高达1200℃的环境中,也具有良好的延展性,目前,主要应用于航空航天技术中,例如燃气轮机部件和燃烧区组件如过渡管、燃烧器罐、喷杆、排气管、加力燃烧室等;而且还因为具有耐应力腐蚀开裂的性能,应用于工业炉、石油化工及化学过程工业中。
    Inconel 625在高温约815℃的条件下依然具有良好的负载性能,而且耐腐蚀性强,广泛应用于航空航天、化工及电力工业中。
    Inconel 713具有优异的抗热疲劳性能,以及在927℃的特殊断裂强度,适用于喷气发动机燃气轮机叶片。
    Inconel 718是基于铁镍硬化的超合金,具有良好的耐腐蚀性及耐热、拉伸、疲劳、蠕变性,适用于各种高端应用,例如,飞机涡轮发动机和陆基涡轮机等。
  4. 钴铬合金
    钴铬合金具有高强度、耐腐蚀性强、良好的生物相容性以及无磁性的性能,主要应用于外科植入物包括合金人工关节、膝关节和髋关节,同时其还可用于发动机部件以及时装、珠宝行业等。
  5. 铜基合金
    应用于市场的铜基合金,俗称青铜,具有良好的导热性和导电性,可以结合设计自由度,产生复杂的内部结构和冷却通道,适合冷却更有效的工具插入模具,如半导体器件,也可用于微型换热器,具有壁薄、形状复杂的特征。
原载:网络
上载于:2016-9-5 16:56:21

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