增材制造之有色金属材料标准研究

吴艳华｜文

增材制造技术是近30年快速发展的特种加工技术，其优势在于三维结构的快速和自由制造，被广泛应用于新产品开发、单件小批量制造。本文阐述了增材制造技术的概述、国内外发展现状与趋势以及增材制造用有色金属材料标准的发展现状。

增材制造，又称“3D打印”技术，是当前受到高度关注的新制造技术。增材制造是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除-切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法，体现了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合，是先进制造业的重要组成部分。增材制造技术被认为是“一项将要改变世界的技术”，比如，对于一些尺寸非常大、结构非常复杂、性能要求非常高的构件，3D打印相比传统的减材加工技术，就有诸如节省材料、方便加工、缩短周期、降低成本等优势。

国内外增材制造发展现状与趋势

我国高度重视增材制造产业，将其作为《中国制造2025》的发展重点。2015年，工业和信息化部、国家发改委、财政部联合印发了《国家增材制造产业发展推进计划（2015～2016年）》，通过政策引导，在社会各界共同努力下，我国增材制造关键技术不断突破，装备性能显著提升，应用领域日益拓展，涌现出一批具有一定竞争力的骨干企业，形成了若干产业集聚区，增材制造产业实现快速发展。2017年11月，工业和信息化部、国家发改委、教育部、公安部、财政部、商务部、文化部、卫生计生委、海关总署、质检总局、知识产权局联合制定了《增材制造产业发展行动计划（2017～2020年）》。

当前，全球范围内新一轮科技革命与产业革命正在萌发，世界各国纷纷将增材制造作为未来产业发展新增长点，推动增材制造技术与信息网络技术、新材料技术、新设计理念的加速融合。全球制造、消费模式开始重塑，增材制造产业迎来巨大的发展机遇。欧美发达国家纷纷制定了发展和推动增材制造技术的国家战略和规划，增材制造技术已受到政府、研究机构、企业和媒体的广泛关注。英国政府自2011年开始持续增大对增材制造技术的研发经费。英国工程与物理科学研究委员会中设有增材制造研究中心，参与机构包括拉夫堡大学、伯明翰大学、英国国家物理实验室、波音公司以及德国EOS公司等15家知名大学、研究机构及企业。除了英美外，其他科技强国和新兴国家也都将增材制造技术作为未来产业发展新的增长点加以培育和支持，以推动增材制造技术的发展。

我国增材制造用有色金属材料标准现状

材料与工艺是经济发展的核心技术，几乎带动所有领域，加快新材料产业发展是建设制造强国的迫切需要。有色金属材料是材料领域的一个极其重要的组成部分，有色金属材料种类繁多，在增材制造领域有着广泛的应用。我们需要对增材制造专用的有色金属新材料进行研究，及时制定相关标准，让研究成果固化于标准中。

全国有色金属标准化技术委员会一直很重视增材制造用有色金属材料的标准制定工作，目前，有3项相关的国家标准及行业标准已经发布，见表1。GB/T 34486-2017《激光成型用钛及钛合金粉》规定了激光成型用钛及钛合金粉的要求、试验方法、检验规则和标志、包装、运输、贮存及合同（或订货单）内容等，本标准对产品化学成分、松装密度、振实密度、流动性以及外观质量的要求均依据实际工业生产水平。GB/T 34508-2017《粉床电子束增材制造TC4合金材料》规定了粉床电子束选区熔化增材制造TC4合金材料的要求、试验方法、检验规则和标志、包装、运输、贮存及合同（或订货单）内容等，粉床电子束增材制造TC4合金产品应用在航空航天、生物医疗、机械等领域，本标准对产品的化学成分、密度、金相组织、无损检验、尺寸及允许偏差、外观质量等6个方面的共性要求进行了规定。YS/T 1139-2016《增材制造TC4钛合金蜂窝结构零件》规定了增材制造TC4钛合金蜂窝结构零件的要求、试验方法、检验规则和标志、包装、运输、贮存及合同（或订货单）内容等，增材制造TC4钛合金蜂窝结构零件应用在航空航天，具有蜂窝结构可设计性强，结构稳定可控性高的特点，本标准对产品的化学成分、外形尺寸、硬度、密度、表面粗糙度、外观质量等6个方面的共性要求进行了规定。

表1 已发布的增材制造用有色金属材料标准

表2 在研的增材制造用有色金属材料标准

在研的增材制造用有色金属材料标准有3项，全部为行业标准计划项目，见表2。《选区激光熔化用镍基合金粉末》规定了选区激光熔化用镍基合金粉末的技术要求、测试方法、检验规则、标志、包装、运输、贮存和质量证明书等内容，本标准与普通镍基粉末标准相比，主要在于对粒度，粒径分布，球形度，流动性，以及空心粉和夹杂等物理化学性能参数提出更高要求。《球形钛铝粉末》规定了球形钛铝粉末的要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输、贮存、质量证明书及订单（或合同）的内容，本标准适用于粉末冶金和增材制造制造钛铝零件所用的球形钛铝粉末原料。《钛及钛合金粉末形貌测定方法》规定了增材制造用钛及钛合金粉末形貌测定的方法原理、仪器、测定步骤和结果计算等内容，是配套增材制造用钛及钛合金粉末的检测方法标准，增材制造用钛及钛合金粉末是一种特殊的高活性金属粉末，要求粉末具有特定的粒度范围和粒度分布，粉末呈球形或类球形，具有良好的流动性。

表3 拟研究制定的增材制造用有色金属材料标准

拟研究制定的增材制造用有色金属材料标准有5项，见表3。这5项拟制定的标准全部为增材制造用有色金属粉末类标准。高品质球形金属粉末是高性能金属增材制造的重要基础原料，与传统粉末冶金相比，增材制造新技术对金属粒径、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。航空航天等领域对应用的金属部件以及粉末原材料的要求比较苛刻。增材制造用金属粉末标准会在化学成分、粒径分布、形态、密度和流动性等方面加以控制和规范，使之满足增材制造的应用。这些增材制造用有色金属粉末标准的制定，可以使增材制造技术用有色金属粉末原料的生产、检验和交付使用的全过程得到进一步规范，并有效提高产品的质量及可靠性，满足增材制造领域对加工原料的严格要求。

结语

我国增材制造产业化仍处于起步阶段，与先进国家相比存在较大差距，特别是在有关核心性能指标、运行可靠性及成型质量上差距较大。从产业现状来看，增材制造技术应用总量较少，没有形成完整的产业体系，离实现大规模产业化、工程化应用还有一定距离。材料是目前增材制造技术的关键，增材制造技术在各领域的应用和推广，需要研究适应于各领域的材料，制定材料和工艺标准将是增材制造技术亟待解决的问题。同时，要鼓励企业及科研院所主持或参与国际标准的制定工作，提升行业话语权。