3D打印金属材料研究进展

郑　增, 王联凤, 严　彪

(1.同济大学材料科学与工程学院, 上海　201804; 2.上海市金属功能材料应用开发

重点实验室, 上海　201804; 3.上海航天设备制造总厂, 上海　200245)



3D打印金属材料研究进展

郑增1,2, 王联凤1,3, 严彪1,2

(1.同济大学材料科学与工程学院, 上海201804; 2.上海市金属功能材料应用开发

重点实验室, 上海201804; 3.上海航天设备制造总厂, 上海200245)

摘要：3D打印技术是快速原型制造技术的一种,也被称为增材制造技术,被誉为“第三次工业革命”的核心技术,其中金属3D打印被认为是将来制造业的主导方向.金属粉末材料是金属打印的物质基础,同时也是3D打印技术发展的突破点.综述了3D打印金属粉体材料的研究现状,重点介绍了钛合金、铝合金、不锈钢、高温合金和镁合金等5种金属粉体材料在3D打印技术中的应用,并对金属粉体材料的运用进行总结和展望.

关键词：3D打印; 增材制造; 金属粉体材料

3D打印,即快速原型制造技术的一种,它是通过三维建模软件对零部件形状进行建模,再通过软件对三维模型进行切片,最终计算机输出数字信号控制专用3D打印机进行打印得到最终产品.近几年,随着3D打印技术的快速发展,它在航空航天、汽车、生物医药和建筑等领域的应用范围逐步拓宽,其方便快捷、材料利用率高等优势不断显现.目前金属3D打印技术主要有选择性激光烧结(SLS)[1]、电子束熔融(EBM)[2]、选择性激光熔化(SLM)[3]和激光近净成形(LENS)[4].其中选择性激光熔化为研究的热点,其使用高能激光源,可以熔融多种金属粉末.本文综述了常见的金属粉体材料以及其3D打印研究现状,并对金属粉体材料的运用进行展望.

1钛合金

钛合金具有耐高温、高耐腐蚀性、高强度、低密度以及生物相容性等优点,在航空航天、化工、核工业、运动器材及医疗器械等领域得到了广泛的应用[5-7].传统锻造和铸造技术制备的钛合金件已被广泛地应用在高新技术领域,如美国F14、F15、F117、B2和F22军机的用钛比例分别为:24%,27%,25%,26%和42%,一架波音747飞机用钛量达到42.7 t.但是传统锻造和铸造方法生产大型钛合金零件,由于产品成本高、工艺复杂、材料利用率低以及后续加工困难等不利因素,阻碍了其更为广泛的应用[8].而金属3D打印技术可以从根本上解决这些问题,因此该技术近年来成为一种直接制造钛合金零件的新型技术.

TiAl6V4(TC4)是最早使用于SLM工业生产的一种合金,现在对其研究主要集中于揭示疲劳性能和裂纹生长行为与微观组织之间的关系.Leuders等[9]认为必须在循环载荷作用下研究TC4合金SLM件的微观结构与组织缺陷之间的关系,采用机械测试、热等静压等方法,通过电子显微镜和计算机断层扫描观察到微米级别的孔隙是影响疲劳强度的主要原因,其中残余应力对疲劳裂纹增长的影响尤为显著.张升等[10]通过激光交替扫描策略制备出TC4合金试样,发现SLM成形TC4合金过程中的裂纹主要为冷裂纹,具有典型的穿晶断裂特征.这是由于SLM成形过程中激光熔化金属粉末产生高温梯度导致零件内部存在较高的残余应力,同时抗裂强度低的马氏体组织在残余应力的作用下产生裂纹,粗大的裂纹最终分解为较小的裂纹而终止扩展.

开发新型钛基合金是钛合金SLM应用研究的主要方向.由于钛以及钛合金的应变硬化指数低(近似为0.15),抗塑性剪切变形能力和耐磨性差,因而限制了其制件在高温和腐蚀磨损条件下的使用.然而铼(Re)的熔点很高,一般用于超高温和强热震工作环境,如美国Ultramet公司采用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)制备Re基复合喷管已经成功应用于航空发动机燃烧室,工作温度可达2 200 ℃.因此,Re-Ti合金的制备在航空航天、核能源和电子领域具有重大意义[11-13].Ni具有磁性和良好的可塑性,因此Ni-Ti合金是常用的一种形状记忆合金.Ni-Ti合金具有伪弹性、高弹性模量、阻尼特性、生物相容性和耐腐蚀性等性能[14-18].另外钛合金多孔结构人造骨的研究日益增多[19],日本京都大学通过3D打印技术给4位颈椎间盘突出患者制作出不同的人造骨并成功移植,该人造骨即为Ni-Ti合金.

2铝合金

铝合金具有优良的物理、化学和力学性能,在许多领域获得了广泛的应用,但是铝合金自身的特性(如易氧化、高反射性和导热性等)增加了选择性激光熔化制造的难度.目前SLM成形铝合金中存在氧化、残余应力、孔隙缺陷及致密度等问题,这些问题主要通过严格的保护气氛,增加激光功率(最小为150 W),降低扫面速度等来改善[20-21].

目前SLM成形铝合金材料主要集中在Al-Si-Mg系合金.Kempen等[22]对两种不同的AlSi10Mg粉末进行了SLM成形试验.研究发现,不断优化工艺参数,可获得99%致密度和约20 μm表面粗糙度的成形性能.分析得出,粉末形状、粒径及化学成分是影响成形质量的主要原因.Buch等[23]研究获得了致密度达99.5%、抗拉强度达400 MPa的铝合金试样.Louvis等[21]对SLM成形铝合金过程中氧化铝薄膜产生的机理进行了分析,得到了氧化铝薄膜对熔池与熔池层间润湿特性的影响规律.赵官源等[24]认为SLM制造铝合金产生的结晶球化现象是因为铝合金对光的反射性较强造成的.

3不锈钢

不锈钢具有耐化学腐蚀、耐高温和力学性能良好等特性,由于其粉末成型性好、制备工艺简单且成本低廉,是最早应用于3D金属打印的材料.如华中科技大学、南京航空航天大学、中北大学等院校在金属3D打印方面研究比较深入.现研究主要集中在降低孔隙率、增加强度以及对熔化过程的金属粉末球化机制等方面.

李瑞迪等[25]采用不同的工艺参数,对304L不锈钢粉末进行了SLM成形试验,得出304L不锈钢致密度经验公式,并总结出晶粒生长机制.潘琰峰[26]分析和探讨了316L不锈钢成形过程中球化产生机理和影响球化的因素,认为在激光功率和粉末层厚一定时,适当增大扫描速度可减小球化现象,在扫描速度和粉末层厚固定时,随着激光功率的增大,球化现象加重.Ma等[27]通过对1Cr18Ni9Ti不锈钢粉末进行激光熔化,发现粉末层厚从60 μm增加到150 μm时,枝晶间距从0.5 μm增加到1.5 μm,最后稳定在2.0 μm左右,试样的硬度依赖于熔化区域各向异性的微结构和晶粒大小.姜炜[28]采用一系列的不锈钢粉末(主要为316L不锈钢),分别研究粉末特性和工艺参数对SLM成形质量的影响,结果表明,粉末材料的特殊性能和工艺参数对SLM成形影响的机理主要是在于对选择性激光成形过程当中熔池质量的影响,工艺参数(激光功率、扫描速度)主要影响熔池的深度和宽度,从而决定SLM成形件的质量.

4高温合金

高温合金是指以铁、镍、钴为基,能在600 ℃以上的高温及一定应力环境下长期工作的一类金属材料.其具有较高的高温强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化性能以及良好的塑性和韧性.目前按合金基体种类大致可分为铁基、镍基和钴基合金3类[29].高温合金主要用于高性能发动机,在现代先进的航空发动机中,高温合金材料的使用量占发动机总质量的40%～60%.现代高性能航空发动机的发展对高温合金的使用温度和性能的要求越来越高.传统的铸锭冶金工艺冷却速度慢,铸锭中某些元素和第二相偏析严重,热加工性能差,组织不均匀,性能不稳定[30].而3D打印技术在高温合金成形中成为解决技术瓶颈的新方法.美国航空航天局声称,在2014年8月22日进行的高温点火试验中,通过3D打印技术制造的火箭发动机喷嘴产生了创纪录的9 t推力.

Inconel 718合金是镍基高温合金中应用最早的一种,也是目前航空发动机使用量最多的一种合金.张颖等[31]通过研究Inconel 718合金SLM激光工艺参数,发现随着激光能量密度的增加,试样的微观组织经历了粗大柱状晶、聚集的枝晶、细长且均匀分布的柱状枝晶等组织变化过程,在优化工艺参数的前提下,可获得致密度达100%的试样.钴铬合金具有良好的生物相容性,安全可靠且价格便宜,已广泛应用于牙科领域.钴铬合金不含对人体有害的镍、铍元素,由其制备而成的烤瓷牙已成为非贵金属烤瓷牙的首选.SLM制作合金烤瓷牙真正能够做到“私人订制”.Zhang等[32]发现通过SLM成形的钴铬合金烤瓷牙比铸造成形具有更高的硬度,经过脱氧和搪瓷烧制过程,合金与搪瓷实现完美结合,其释放钴铬离子含量符合ISO安全标准.

5镁合金

镁合金作为最轻的结构合金,由于其特殊的高强度和阻尼性能,在诸多应用领域镁合金具有替代钢和铝合金的可能.例如镁合金在汽车以及航空器组件方面的轻量化应用,可降低燃料使用量和废气排放.镁合金具有原位降解性并且其杨氏模量低,强度接近人骨,优异的生物相容性,在外科植入方面比传统合金更有应用前景[33-34].

Wei等[35]通过不同功率的激光熔化AZ91D金属粉末,发现能量密度在83～167 J/mm3之间能够获得无明显宏观缺陷的制件.在层状结构中,离异共晶β-Mg17Al12沿着等轴晶α-Mg基体晶界分布,扫描路径重合区域的α-Mg平均晶粒尺寸比扫描路径中心区域的要大.由于固溶强化和晶粒细化,SLM成形镁合金相比铸造成形具有更高的强度和硬度.NgCC[36]在氩气保护气氛中使用Nd:YAG激光熔化纯镁粉,随着激光能力密度的减小,试样的晶粒尺寸发生粗化,试样硬度随着激光密度的增加发生显著降低,硬度范围为0.59～0.95 GPa,相应的弹性模量为27～33 GPa.如何降低氧化和热影响区的影响,提高制件质量,需要进一步优化工艺参数,如通过镁以及镁合金不同粒径粉末的混合.

6总结与展望

3D打印技术自20世纪90年代出现以来,从一开始高分子材料的打印逐渐聚焦到金属粉末的打印,一大批新技术、新设备和新材料被开发应用.当前,信息技术创新步伐不断推进,工业生产正步入智能化、数字化的新阶段.2014年德国提出“工业4.0”发展计划,势必引起工业领域颠覆性的改变与创新,而3D打印技术将是工业智能化发展的强大推力.金属粉末3D打印技术目前已取得了一定成果,但材料瓶颈势必影响3D打印技术的推广,3D打印技术对材料提出了更高的要求.现适用于工业用3D打印的金属材料种类繁多,但是只有专用的粉末材料才能满足工业生产要求.3D打印金属材料的发展方向主要有3个方面:一是如何在现有使用材料的基础上加强材料结构和属性之间的关系研究,根据材料的性质进一步优化工艺参数,增加打印速度,降低孔隙率和氧含量,改善表面质量;二是研发新材料使其适用于3D打印,如开发耐腐蚀、耐高温和综合力学性能优异的新材料;三是修订并完善3D打印粉体材料技术标准体系,实现金属材料打印技术标准的制度化和常态化.

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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

中图分类号：TP 334.8

文献标志码：A

作者简介：郑增(1990—),男,硕士研究生,主要从事金属粉体材料激光熔化等方面的研究. E-mail: zhengzeng0304@163.com通讯作者： 严彪(1961—),男,教授,博士生导师,主要从事金属材料表面处理等方面的研究. E-mail: 84016@tongji.edu.cn

收稿日期：2015-01-05