3D打印金属材料研究进展

叶兴才

（上海蓝铸特种合金材料有限公司上海市嘉定区201808）

3D打印金属材料研究进展

叶兴才

（上海蓝铸特种合金材料有限公司上海市嘉定区201808）

近年来，随着科学技术发展的不断深入，3D打印技术成为了当下全球研究热点技术之一。而据美国沃勒斯公司近来公布的全球3D打印产业报告分析发现，美国、德国以及日本是世界范围内3D打印技术的领尖国家，占国际3D打印产业的70%以上的份额。3D打印技术是对传统制造产业的一种突破，严格意义上它的核心不是机械制造，而是相关材料的开发及应用。接下来本文将对现阶段3D打印技术材料的研究内容及发展进行详细的阐述，以供今后参考使用。

3D打印技术；金属材料；研究发展；应用

1 我国3D打印金属材料应用现状分析

从实际应用角度分析，3D打印金属粉的氧含量应当不超过200ppm、粒径不超过150微米，且还要求金属粉粒径均匀、球形度高，而现阶段我国3D打印金属粉主要依靠进口。我国3D打印金属粉制粉技术水平有限，特别是一些细粒径粉末的制备较为困难，而目前我国制粉技术水平而言，最终的粉末的收率较低，且氧含量及其他杂质的含量较高，在实际的应用过程中会出现粉末熔化不均的不良现象，同时也会使得最终目标制品中杂质氧化物的含量超标，致密性较差，制品的强度差，结构层次不均等严重问题。而最近几年，我国可以达到3D打印金属粉制粉标准的企业有两个，即中航625以及上海蓝铸。其中中航625的主要服务对象为国内军工企业，同时其在高温合金粉末市场的相关产品涉及的较少。据统计调查发现我国3D技术设备的生产厂家有十多家，但是原材料生产厂家较少，且部分原材料的质量与国外相比还有一定的差距，而国外市场抓住我国3D打印金属粉末依赖进口这一点，采用3D原材料和相关设备捆绑式销售模式，极大地增加了我国相关企业的成本。上海蓝铸合金材料公司对高温合金原材料进行了深入的研究，并取得优良的成绩，在一定程度上打破了3D打印原材料全进口的现象，对我国3D打印技术的发展以及降低我国相关产业的制造成本具有十分积极的意义。

2 浅析3D打印金属材料研究进展

众所周知，3D打印技术的发展是工业产业的发展趋势，同时也是现阶段个性化制造产业发展的必然要求，但是我国3D打印原材料制备技术有限，而进口价格昂贵，这种现象的存在在一定程度上限制了我国3D打印技术在我国的发展，而这些年，随着我国科学技术研究的不断深入，3D打印金属材料的发展也取得了一定的进步，尤其是上海蓝铸和中航625对原材料的研究取得了重大的进步。目前3D打印金属材料的相关研究主要体现在以下几个方面：

2.1 高温合金

现阶段，高温合金在航空发动机、核电装备、燃气轮机等领域得到了广泛的应用，而所谓的高温合金其实质上就是指以铁、钴、镍为基的在600℃以上高温和一定应力环境下工作的金属材料，由于其工作条件的要求，高温合金具有一定的高温强度、抗热和抗氧腐蚀、塑性和韧性强等基本特点。而目前以合金基体可以将高温合金分为三类，即铁基、镍基和钴基。其中上海蓝铸材料公司生产的高温合金粉的耐腐蚀性以及抗氧化性较强，且经过一定的实验测定结果显示，该公司制备的高温合金粉在低温至980℃的温度范围内，其拉伸性和抗疲劳性较高，同时在盐雾环境下，其抗应力腐蚀性也比较高，因而在航空发动机部件、宇航结构部件等生产领域得到了广泛的应用。另外3D打印技术在高温合金形成中的应用切实提高了热加工性能，保证了组织结构的均匀性，进而提高了制品的稳定性，尤其以Inconel718合金在镍基高温合金中的应用最为广泛，同时它也是应用最早的一种高温合金材料。

2.2 不锈钢

通常情况下，不锈钢材料的耐化学腐蚀性、耐高温和应力性能等比较高，同时不锈钢材料的粉末成型工艺简单、收粉率高、成本低等，因此它是3D打印技术中应用最早的金属粉末。而目前我国对不锈钢重点研究在降低空隙率、提高金属粉末球形度等方面。我国相关专家通过设置不同的生产工艺参数，对316L不锈钢粉末进行了深入的研究和SLM试验，通过实验进一步了解了金属晶粒的生长机制，同时对不锈钢球化机理进行了广泛的探究，当激光功率和粉末层厚度为定值情况下，扫描速度的增加可以降低晶粒球化现象，而当扫描速度和粉末层厚度为定值情况下，激光功率的增加为在一定程度下诱导球化现象的发生。上海蓝铸材料公司制备不锈钢粉中铬和镍的含量比较高，而铜金属材料的加入则在一定程度上提高了不锈钢粉的化学惰性，进而提高了它的抗酸能力，特别是抗氯化物间隙、腐蚀和应力腐蚀的能力较高，因而该金属合金粉末制品在纸浆和造纸工业领域被广泛应用。其具体化学成分及含量如表1所示。

表1 不锈钢粉成分含量表（%）

2.3 铝合金

通常情况下，铝合金的物理、化学和力学性能都比较高，因而其在诸多领域都得到了广泛的应用，但是由于铝合金本身化学和物理性能等（如铝合金易发生氧化反应，同时它具有较高的反射性导热性等）的影响在一定程度上使得选择性激光熔化制造难度增加。就现阶段而言，SLM形成铝合金过程中氧化、残余应力、空隙缺陷等问题主要是通过保护气氛来进行解决，同时辅以提高激光功率、降低扫描速度等方式来对铝合金制品质量进行一定的改善和提高。经过相关专家实验研究分析发现，生产工艺水平的提高可以极大地提高铝合金制品的致密度，而其中影响铝合金制品质量的主要因素是金属粉末的形状、粒径以及化学成分构成等。另外经研究分析发现铝合金制品结晶球化现象发生是由铝合金高反射性所引起的。

3 结论

综上所述，3D打印技术的应用从最初的高分子材料到当下金属粉末打印，其技术、设备以及材料被逐渐开发并应用，这是工业发展的需求，同时也是先进科学技术发展的趋势，但是3D打印技术在我国应用的领域还比较窄，各方面技术、材料等对国外依赖性比较强，因此应当加大研究力度，学习国外先进技术和设备等，提高3D打印技术的应用领域，为我国社会工业发展的进步提供强有力的支持。

[1]王成成.3D打印用聚乳酸及其复合材料的研究进展[J].塑料科技，2016（06）.

[2]赵默典.3D打印技术的本质特征及产业化对策探析[J].东北大学学报，2016（02）.

TP391.73

A

1004-7344（2016）28-0294-01

2016-9-9

叶兴才（1968-），男，汉族，湖北红安人，本科，研究方向为增材制造-3D打印金属粉（镍合金粉Inconel718粉，钴合金粉1J22粉）、3D打印金属材料研发/3D金属打印粉的制备工艺/3D打印金属的材料应用。