3D打印金屬材料研究進(jìn)展

鄭　增, 王聯(lián)鳳, 嚴(yán)　彪

(1.同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海　201804; 2.上海市金屬功能材料應(yīng)用開發(fā)

重點實驗室, 上海　201804; 3.上海航天設(shè)備制造總廠, 上海　200245)

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3D打印金屬材料研究進(jìn)展

鄭增1,2, 王聯(lián)鳳1,3, 嚴(yán)彪1,2

(1.同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海201804; 2.上海市金屬功能材料應(yīng)用開發(fā)

重點實驗室, 上海201804; 3.上海航天設(shè)備制造總廠, 上海200245)

摘要：3D打印技術(shù)是快速原型制造技術(shù)的一種,也被稱為增材制造技術(shù),被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù),其中金屬3D打印被認(rèn)為是將來制造業(yè)的主導(dǎo)方向.金屬粉末材料是金屬打印的物質(zhì)基礎(chǔ),同時也是3D打印技術(shù)發(fā)展的突破點.綜述了3D打印金屬粉體材料的研究現(xiàn)狀,重點介紹了鈦合金、鋁合金、不銹鋼、高溫合金和鎂合金等5種金屬粉體材料在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用,并對金屬粉體材料的運用進(jìn)行總結(jié)和展望.

關(guān)鍵詞：3D打印; 增材制造; 金屬粉體材料

3D打印,即快速原型制造技術(shù)的一種,它是通過三維建模軟件對零部件形狀進(jìn)行建模,再通過軟件對三維模型進(jìn)行切片,最終計算機(jī)輸出數(shù)字信號控制專用3D打印機(jī)進(jìn)行打印得到最終產(chǎn)品.近幾年,隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展,它在航空航天、汽車、生物醫(yī)藥和建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍逐步拓寬,其方便快捷、材料利用率高等優(yōu)勢不斷顯現(xiàn).目前金屬3D打印技術(shù)主要有選擇性激光燒結(jié)(SLS)[1]、電子束熔融(EBM)[2]、選擇性激光熔化(SLM)[3]和激光近凈成形(LENS)[4].其中選擇性激光熔化為研究的熱點,其使用高能激光源,可以熔融多種金屬粉末.本文綜述了常見的金屬粉體材料以及其3D打印研究現(xiàn)狀,并對金屬粉體材料的運用進(jìn)行展望.

1鈦合金

鈦合金具有耐高溫、高耐腐蝕性、高強(qiáng)度、低密度以及生物相容性等優(yōu)點,在航空航天、化工、核工業(yè)、運動器材及醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[5-7].傳統(tǒng)鍛造和鑄造技術(shù)制備的鈦合金件已被廣泛地應(yīng)用在高新技術(shù)領(lǐng)域,如美國F14、F15、F117、B2和F22軍機(jī)的用鈦比例分別為:24%,27%,25%,26%和42%,一架波音747飛機(jī)用鈦量達(dá)到42.7 t.但是傳統(tǒng)鍛造和鑄造方法生產(chǎn)大型鈦合金零件,由于產(chǎn)品成本高、工藝復(fù)雜、材料利用率低以及后續(xù)加工困難等不利因素,阻礙了其更為廣泛的應(yīng)用[8].而金屬3D打印技術(shù)可以從根本上解決這些問題,因此該技術(shù)近年來成為一種直接制造鈦合金零件的新型技術(shù).

TiAl6V4(TC4)是最早使用于SLM工業(yè)生產(chǎn)的一種合金,現(xiàn)在對其研究主要集中于揭示疲勞性能和裂紋生長行為與微觀組織之間的關(guān)系.Leuders等[9]認(rèn)為必須在循環(huán)載荷作用下研究TC4合金SLM件的微觀結(jié)構(gòu)與組織缺陷之間的關(guān)系,采用機(jī)械測試、熱等靜壓等方法,通過電子顯微鏡和計算機(jī)斷層掃描觀察到微米級別的孔隙是影響疲勞強(qiáng)度的主要原因,其中殘余應(yīng)力對疲勞裂紋增長的影響尤為顯著.張升等[10]通過激光交替掃描策略制備出TC4合金試樣,發(fā)現(xiàn)SLM成形TC4合金過程中的裂紋主要為冷裂紋,具有典型的穿晶斷裂特征.這是由于SLM成形過程中激光熔化金屬粉末產(chǎn)生高溫梯度導(dǎo)致零件內(nèi)部存在較高的殘余應(yīng)力,同時抗裂強(qiáng)度低的馬氏體組織在殘余應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋,粗大的裂紋最終分解為較小的裂紋而終止擴(kuò)展.

開發(fā)新型鈦基合金是鈦合金SLM應(yīng)用研究的主要方向.由于鈦以及鈦合金的應(yīng)變硬化指數(shù)低(近似為0.15),抗塑性剪切變形能力和耐磨性差,因而限制了其制件在高溫和腐蝕磨損條件下的使用.然而錸(Re)的熔點很高,一般用于超高溫和強(qiáng)熱震工作環(huán)境,如美國Ultramet公司采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)制備Re基復(fù)合噴管已經(jīng)成功應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)燃燒室,工作溫度可達(dá)2 200 ℃.因此,Re-Ti合金的制備在航空航天、核能源和電子領(lǐng)域具有重大意義[11-13].Ni具有磁性和良好的可塑性,因此Ni-Ti合金是常用的一種形狀記憶合金.Ni-Ti合金具有偽彈性、高彈性模量、阻尼特性、生物相容性和耐腐蝕性等性能[14-18].另外鈦合金多孔結(jié)構(gòu)人造骨的研究日益增多[19],日本京都大學(xué)通過3D打印技術(shù)給4位頸椎間盤突出患者制作出不同的人造骨并成功移植,該人造骨即為Ni-Ti合金.

2鋁合金

鋁合金具有優(yōu)良的物理、化學(xué)和力學(xué)性能,在許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用,但是鋁合金自身的特性(如易氧化、高反射性和導(dǎo)熱性等)增加了選擇性激光熔化制造的難度.目前SLM成形鋁合金中存在氧化、殘余應(yīng)力、孔隙缺陷及致密度等問題,這些問題主要通過嚴(yán)格的保護(hù)氣氛,增加激光功率(最小為150 W),降低掃面速度等來改善[20-21].

目前SLM成形鋁合金材料主要集中在Al-Si-Mg系合金.Kempen等[22]對兩種不同的AlSi10Mg粉末進(jìn)行了SLM成形試驗.研究發(fā)現(xiàn),不斷優(yōu)化工藝參數(shù),可獲得99%致密度和約20 μm表面粗糙度的成形性能.分析得出,粉末形狀、粒徑及化學(xué)成分是影響成形質(zhì)量的主要原因.Buch等[23]研究獲得了致密度達(dá)99.5%、抗拉強(qiáng)度達(dá)400 MPa的鋁合金試樣.Louvis等[21]對SLM成形鋁合金過程中氧化鋁薄膜產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了分析,得到了氧化鋁薄膜對熔池與熔池層間潤濕特性的影響規(guī)律.趙官源等[24]認(rèn)為SLM制造鋁合金產(chǎn)生的結(jié)晶球化現(xiàn)象是因為鋁合金對光的反射性較強(qiáng)造成的.

3不銹鋼

不銹鋼具有耐化學(xué)腐蝕、耐高溫和力學(xué)性能良好等特性,由于其粉末成型性好、制備工藝簡單且成本低廉,是最早應(yīng)用于3D金屬打印的材料.如華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中北大學(xué)等院校在金屬3D打印方面研究比較深入.現(xiàn)研究主要集中在降低孔隙率、增加強(qiáng)度以及對熔化過程的金屬粉末球化機(jī)制等方面.

李瑞迪等[25]采用不同的工藝參數(shù),對304L不銹鋼粉末進(jìn)行了SLM成形試驗,得出304L不銹鋼致密度經(jīng)驗公式,并總結(jié)出晶粒生長機(jī)制.潘琰峰[26]分析和探討了316L不銹鋼成形過程中球化產(chǎn)生機(jī)理和影響球化的因素,認(rèn)為在激光功率和粉末層厚一定時,適當(dāng)增大掃描速度可減小球化現(xiàn)象,在掃描速度和粉末層厚固定時,隨著激光功率的增大,球化現(xiàn)象加重.Ma等[27]通過對1Cr18Ni9Ti不銹鋼粉末進(jìn)行激光熔化,發(fā)現(xiàn)粉末層厚從60 μm增加到150 μm時,枝晶間距從0.5 μm增加到1.5 μm,最后穩(wěn)定在2.0 μm左右,試樣的硬度依賴于熔化區(qū)域各向異性的微結(jié)構(gòu)和晶粒大小.姜煒[28]采用一系列的不銹鋼粉末(主要為316L不銹鋼),分別研究粉末特性和工藝參數(shù)對SLM成形質(zhì)量的影響,結(jié)果表明,粉末材料的特殊性能和工藝參數(shù)對SLM成形影響的機(jī)理主要是在于對選擇性激光成形過程當(dāng)中熔池質(zhì)量的影響,工藝參數(shù)(激光功率、掃描速度)主要影響熔池的深度和寬度,從而決定SLM成形件的質(zhì)量.

4高溫合金

高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基,能在600 ℃以上的高溫及一定應(yīng)力環(huán)境下長期工作的一類金屬材料.其具有較高的高溫強(qiáng)度、良好的抗熱腐蝕和抗氧化性能以及良好的塑性和韌性.目前按合金基體種類大致可分為鐵基、鎳基和鈷基合金3類[29].高溫合金主要用于高性能發(fā)動機(jī),在現(xiàn)代先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)中,高溫合金材料的使用量占發(fā)動機(jī)總質(zhì)量的40%～60%.現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展對高溫合金的使用溫度和性能的要求越來越高.傳統(tǒng)的鑄錠冶金工藝?yán)鋮s速度慢,鑄錠中某些元素和第二相偏析嚴(yán)重,熱加工性能差,組織不均勻,性能不穩(wěn)定[30].而3D打印技術(shù)在高溫合金成形中成為解決技術(shù)瓶頸的新方法.美國航空航天局聲稱,在2014年8月22日進(jìn)行的高溫點火試驗中,通過3D打印技術(shù)制造的火箭發(fā)動機(jī)噴嘴產(chǎn)生了創(chuàng)紀(jì)錄的9 t推力.

Inconel 718合金是鎳基高溫合金中應(yīng)用最早的一種,也是目前航空發(fā)動機(jī)使用量最多的一種合金.張穎等[31]通過研究Inconel 718合金SLM激光工藝參數(shù),發(fā)現(xiàn)隨著激光能量密度的增加,試樣的微觀組織經(jīng)歷了粗大柱狀晶、聚集的枝晶、細(xì)長且均勻分布的柱狀枝晶等組織變化過程,在優(yōu)化工藝參數(shù)的前提下,可獲得致密度達(dá)100%的試樣.鈷鉻合金具有良好的生物相容性,安全可靠且價格便宜,已廣泛應(yīng)用于牙科領(lǐng)域.鈷鉻合金不含對人體有害的鎳、鈹元素,由其制備而成的烤瓷牙已成為非貴金屬烤瓷牙的首選.SLM制作合金烤瓷牙真正能夠做到“私人訂制”.Zhang等[32]發(fā)現(xiàn)通過SLM成形的鈷鉻合金烤瓷牙比鑄造成形具有更高的硬度,經(jīng)過脫氧和搪瓷燒制過程,合金與搪瓷實現(xiàn)完美結(jié)合,其釋放鈷鉻離子含量符合ISO安全標(biāo)準(zhǔn).

5鎂合金

鎂合金作為最輕的結(jié)構(gòu)合金,由于其特殊的高強(qiáng)度和阻尼性能,在諸多應(yīng)用領(lǐng)域鎂合金具有替代鋼和鋁合金的可能.例如鎂合金在汽車以及航空器組件方面的輕量化應(yīng)用,可降低燃料使用量和廢氣排放.鎂合金具有原位降解性并且其楊氏模量低,強(qiáng)度接近人骨,優(yōu)異的生物相容性,在外科植入方面比傳統(tǒng)合金更有應(yīng)用前景[33-34].

Wei等[35]通過不同功率的激光熔化AZ91D金屬粉末,發(fā)現(xiàn)能量密度在83～167 J/mm3之間能夠獲得無明顯宏觀缺陷的制件.在層狀結(jié)構(gòu)中,離異共晶β-Mg17Al12沿著等軸晶α-Mg基體晶界分布,掃描路徑重合區(qū)域的α-Mg平均晶粒尺寸比掃描路徑中心區(qū)域的要大.由于固溶強(qiáng)化和晶粒細(xì)化,SLM成形鎂合金相比鑄造成形具有更高的強(qiáng)度和硬度.NgCC[36]在氬氣保護(hù)氣氛中使用Nd:YAG激光熔化純鎂粉,隨著激光能力密度的減小,試樣的晶粒尺寸發(fā)生粗化,試樣硬度隨著激光密度的增加發(fā)生顯著降低,硬度范圍為0.59～0.95 GPa,相應(yīng)的彈性模量為27～33 GPa.如何降低氧化和熱影響區(qū)的影響,提高制件質(zhì)量,需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù),如通過鎂以及鎂合金不同粒徑粉末的混合.

6總結(jié)與展望

3D打印技術(shù)自20世紀(jì)90年代出現(xiàn)以來,從一開始高分子材料的打印逐漸聚焦到金屬粉末的打印,一大批新技術(shù)、新設(shè)備和新材料被開發(fā)應(yīng)用.當(dāng)前,信息技術(shù)創(chuàng)新步伐不斷推進(jìn),工業(yè)生產(chǎn)正步入智能化、數(shù)字化的新階段.2014年德國提出“工業(yè)4.0”發(fā)展計劃,勢必引起工業(yè)領(lǐng)域顛覆性的改變與創(chuàng)新,而3D打印技術(shù)將是工業(yè)智能化發(fā)展的強(qiáng)大推力.金屬粉末3D打印技術(shù)目前已取得了一定成果,但材料瓶頸勢必影響3D打印技術(shù)的推廣,3D打印技術(shù)對材料提出了更高的要求.現(xiàn)適用于工業(yè)用3D打印的金屬材料種類繁多,但是只有專用的粉末材料才能滿足工業(yè)生產(chǎn)要求.3D打印金屬材料的發(fā)展方向主要有3個方面:一是如何在現(xiàn)有使用材料的基礎(chǔ)上加強(qiáng)材料結(jié)構(gòu)和屬性之間的關(guān)系研究,根據(jù)材料的性質(zhì)進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù),增加打印速度,降低孔隙率和氧含量,改善表面質(zhì)量;二是研發(fā)新材料使其適用于3D打印,如開發(fā)耐腐蝕、耐高溫和綜合力學(xué)性能優(yōu)異的新材料;三是修訂并完善3D打印粉體材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系,實現(xiàn)金屬材料打印技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制度化和常態(tài)化.

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Research Progress of Metal Materials for 3D Printing

ZHENG Zeng1,2, WANG Lianfeng1,3, YAN Biao1,2

(1.School of Materials Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China;2.Shanghai Key Lab of D & A for Metal-Functional Materials, Shanghai 201804, China;3.Shanghai Aerospace Equipment Manufacturer, Shanghai 200245, China)

Abstract：3D printing is a kind of rapid prototyping technology,which is also known as additive manufacturing technology and hailed as the core technology of the third industrial revolution.3D metal printing is considered to be the dominant direction of manufacturing in the future.Metal powder material is the material basis of metal printing and the breakthrough of the development of 3D printing.The paper summarizes the research status of metal powder materials for 3D printing,focuses on the application of 5 kinds of metal powder materials,such as Ti alloy,Al alloy,stainless steel,superalloy and Mg alloy in 3D printing and make the summary and prospects on their application.

Keywords：3D printing; additive manufacturing; metal powder materials

中圖分類號：TP 334.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：鄭增(1990—),男,碩士研究生,主要從事金屬粉體材料激光熔化等方面的研究. E-mail: zhengzeng0304@163.com通訊作者： 嚴(yán)彪(1961—),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事金屬材料表面處理等方面的研究. E-mail: 84016@tongji.edu.cn

收稿日期：2015-01-05