增材制造之有色金屬材料標準研究

吳艷華｜文

增材制造技術是近30年快速發展的特種加工技術，其優勢在于三維結構的快速和自由制造，被廣泛應用于新產品開發、單件小批量制造。本文闡述了增材制造技術的概述、國內外發展現狀與趨勢以及增材制造用有色金屬材料標準的發展現狀。

增材制造，又稱“3D打印”技術，是當前受到高度關注的新制造技術。增材制造是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統的材料去除-切削加工技術，是一種“自下而上”的制造方法，體現了信息網絡技術與先進材料技術、數字制造技術的密切結合，是先進制造業的重要組成部分。增材制造技術被認為是“一項將要改變世界的技術”，比如，對于一些尺寸非常大、結構非常復雜、性能要求非常高的構件，3D打印相比傳統的減材加工技術，就有諸如節省材料、方便加工、縮短周期、降低成本等優勢。

國內外增材制造發展現狀與趨勢

我國高度重視增材制造產業，將其作為《中國制造2025》的發展重點。2015年，工業和信息化部、國家發改委、財政部聯合印發了《國家增材制造產業發展推進計劃（2015～2016年）》，通過政策引導，在社會各界共同努力下，我國增材制造關鍵技術不斷突破，裝備性能顯著提升，應用領域日益拓展，涌現出一批具有一定競爭力的骨干企業，形成了若干產業集聚區，增材制造產業實現快速發展。2017年11月，工業和信息化部、國家發改委、教育部、公安部、財政部、商務部、文化部、衛生計生委、海關總署、質檢總局、知識產權局聯合制定了《增材制造產業發展行動計劃（2017～2020年）》。

當前，全球范圍內新一輪科技革命與產業革命正在萌發，世界各國紛紛將增材制造作為未來產業發展新增長點，推動增材制造技術與信息網絡技術、新材料技術、新設計理念的加速融合。全球制造、消費模式開始重塑，增材制造產業迎來巨大的發展機遇。歐美發達國家紛紛制定了發展和推動增材制造技術的國家戰略和規劃，增材制造技術已受到政府、研究機構、企業和媒體的廣泛關注。英國政府自2011年開始持續增大對增材制造技術的研發經費。英國工程與物理科學研究委員會中設有增材制造研究中心，參與機構包括拉夫堡大學、伯明翰大學、英國國家物理實驗室、波音公司以及德國EOS公司等15家知名大學、研究機構及企業。除了英美外，其他科技強國和新興國家也都將增材制造技術作為未來產業發展新的增長點加以培育和支持，以推動增材制造技術的發展。

我國增材制造用有色金屬材料標準現狀

材料與工藝是經濟發展的核心技術，幾乎帶動所有領域，加快新材料產業發展是建設制造強國的迫切需要。有色金屬材料是材料領域的一個極其重要的組成部分，有色金屬材料種類繁多，在增材制造領域有著廣泛的應用。我們需要對增材制造專用的有色金屬新材料進行研究，及時制定相關標準，讓研究成果固化于標準中。

全國有色金屬標準化技術委員會一直很重視增材制造用有色金屬材料的標準制定工作，目前，有3項相關的國家標準及行業標準已經發布，見表1。GB/T 34486-2017《激光成型用鈦及鈦合金粉》規定了激光成型用鈦及鈦合金粉的要求、試驗方法、檢驗規則和標志、包裝、運輸、貯存及合同（或訂貨單）內容等，本標準對產品化學成分、松裝密度、振實密度、流動性以及外觀質量的要求均依據實際工業生產水平。GB/T 34508-2017《粉床電子束增材制造TC4合金材料》規定了粉床電子束選區熔化增材制造TC4合金材料的要求、試驗方法、檢驗規則和標志、包裝、運輸、貯存及合同（或訂貨單）內容等，粉床電子束增材制造TC4合金產品應用在航空航天、生物醫療、機械等領域，本標準對產品的化學成分、密度、金相組織、無損檢驗、尺寸及允許偏差、外觀質量等6個方面的共性要求進行了規定。YS/T 1139-2016《增材制造TC4鈦合金蜂窩結構零件》規定了增材制造TC4鈦合金蜂窩結構零件的要求、試驗方法、檢驗規則和標志、包裝、運輸、貯存及合同（或訂貨單）內容等，增材制造TC4鈦合金蜂窩結構零件應用在航空航天，具有蜂窩結構可設計性強，結構穩定可控性高的特點，本標準對產品的化學成分、外形尺寸、硬度、密度、表面粗糙度、外觀質量等6個方面的共性要求進行了規定。

表1 已發布的增材制造用有色金屬材料標準

表2 在研的增材制造用有色金屬材料標準

在研的增材制造用有色金屬材料標準有3項，全部為行業標準計劃項目，見表2。《選區激光熔化用鎳基合金粉末》規定了選區激光熔化用鎳基合金粉末的技術要求、測試方法、檢驗規則、標志、包裝、運輸、貯存和質量證明書等內容，本標準與普通鎳基粉末標準相比，主要在于對粒度，粒徑分布，球形度，流動性，以及空心粉和夾雜等物理化學性能參數提出更高要求。《球形鈦鋁粉末》規定了球形鈦鋁粉末的要求、試驗方法、檢驗規則、標志、包裝、運輸、貯存、質量證明書及訂單（或合同）的內容，本標準適用于粉末冶金和增材制造制造鈦鋁零件所用的球形鈦鋁粉末原料。《鈦及鈦合金粉末形貌測定方法》規定了增材制造用鈦及鈦合金粉末形貌測定的方法原理、儀器、測定步驟和結果計算等內容，是配套增材制造用鈦及鈦合金粉末的檢測方法標準，增材制造用鈦及鈦合金粉末是一種特殊的高活性金屬粉末，要求粉末具有特定的粒度范圍和粒度分布，粉末呈球形或類球形，具有良好的流動性。

表3 擬研究制定的增材制造用有色金屬材料標準

擬研究制定的增材制造用有色金屬材料標準有5項，見表3。這5項擬制定的標準全部為增材制造用有色金屬粉末類標準。高品質球形金屬粉末是高性能金屬增材制造的重要基礎原料，與傳統粉末冶金相比，增材制造新技術對金屬粒徑、粒度分布、粉末球形度、空心粉率等物理性能等提出了更高的要求。航空航天等領域對應用的金屬部件以及粉末原材料的要求比較苛刻。增材制造用金屬粉末標準會在化學成分、粒徑分布、形態、密度和流動性等方面加以控制和規范，使之滿足增材制造的應用。這些增材制造用有色金屬粉末標準的制定，可以使增材制造技術用有色金屬粉末原料的生產、檢驗和交付使用的全過程得到進一步規范，并有效提高產品的質量及可靠性，滿足增材制造領域對加工原料的嚴格要求。

結語

我國增材制造產業化仍處于起步階段，與先進國家相比存在較大差距，特別是在有關核心性能指標、運行可靠性及成型質量上差距較大。從產業現狀來看，增材制造技術應用總量較少，沒有形成完整的產業體系，離實現大規模產業化、工程化應用還有一定距離。材料是目前增材制造技術的關鍵，增材制造技術在各領域的應用和推廣，需要研究適應于各領域的材料，制定材料和工藝標準將是增材制造技術亟待解決的問題。同時，要鼓勵企業及科研院所主持或參與國際標準的制定工作，提升行業話語權。