金屬3D打印/增材制造的現狀及國際標準（下）
如果說5年前，金屬3D打印還主要用于制造一些看起來“笨笨”的，“毛毛”的產品，那么如今的金屬3D打印則“脫胎換骨”，更多的用于生產像發動機關鍵零部件，復雜的航空控制閥這樣的零件。
在金屬3D打印快速發展的今天，對于企業來說，既要跟上節拍，抓住機遇，又要注意方向，防止高速發展中出現跑偏，那么有哪些可以借鑒和參考的行業共識與標準呢？本期，繼續上期話題，一起來領略金屬合金3D打印/增材制造的現狀與現行使用的國際標準以及正在開發的國際標準。
“接上期”金屬3D打印/增材制造的現狀及國際標準（上）
圖：現行的金屬組分分析標準，適用于3D打印金屬粉末
另外一種常見的合金是鋼粉，常用的是工具鋼和不銹鋼。
工具鋼的適用性來源于其優異的硬度、耐磨性和抗變形能力。其中，由于高硬度和耐磨性，馬氏體300適用于許多模具的應用（注塑模具、輕金屬合金鑄造、沖壓和擠壓）也為各種高性能的工業工程部（航空航天、高強度機身部件和賽車所應用）。
在金屬3D打印過程中，目前有一個非常明確的經驗法則：碳鋼更難處理。最流行的合金是馬氏體鋼，通常稱為M300或1.2709，是工具鋼的一種。然而，這種合金實際上最初是為了滿足導彈和火箭發動機這些航空航天領域所使用的反沖彈簧、驅動器、起落架部件、高性能的軸、齒輪、緊固件等零件發明的。后來，這種合金被模具行業廣泛使用，并在壓鑄行業用作長期模具。與鈦合金的加工類似，馬氏體時效鋼可以通過采用幾種不同的熱處理方法獲得不同的性能。不過與鈦合金不同的是，即便不經過熱處理，馬氏體鋼也可能滿足制造的要求。如拉伸強度可以從1000MPa的程度通過時效硬化達到2000MPa。
不銹鋼與碳鋼不同，目前的鉻含量不同，最低的鋼合金具有10.5%鉻含量，不銹鋼不容易生銹腐蝕。奧氏體不銹鋼具有高強度和耐腐蝕性。316L可在很寬的溫度范圍內下降到低溫。它可用于航空航天、石油、天然氣等多種工程應用，也可用于食品加工和醫療等領域。
金屬3D打印主要用的是馬氏體沉淀硬化不銹鋼，要么17-4PH或15-5PH，15-5PH可以提供更好的高溫抗氧化性，馬氏體時效（沉淀硬化）不銹鋼具有很高的強度和更進一步的硬化。它具有良好的韌性、耐腐蝕、無鐵素體。15-5PH廣泛應用于航空航天，石化，化工，食品加工，造紙和金屬加工業。馬氏體不銹鋼的耐腐蝕性提供了一個優秀的選項，高達315°C下仍然擁有高強度、高韌性，隨著激光加工狀態帶來極佳的延展性。17-4PH可以建立一個廣泛的激光性能。
金屬3D打印不銹鋼除了馬氏體不銹鋼還有ASM 300系列奧氏體不銹鋼，包括316L和304L。奧氏體不銹鋼的高強度和耐腐蝕性。316L可在很寬的溫度范圍內下降到低溫。它可用于航空航天、石油、天然氣等多種工程應用，也可用于食品加工和醫療等領域。
與先前描述的合金類似，這兩種不銹鋼最初作為金屬打印材料是因為工業用途范圍廣泛，這些鋼通常用于航空航天部門，或用于醫療設備，并在重工業，如石油和天然氣領域應用廣泛。
沉淀硬化（PH）不銹鋼通常具有抗拉強度高、耐腐蝕性和適度良好的抗高溫氧化性能，同時還具有良好的韌性。即使沒有任何初始溶液pH處理這些不銹鋼，材料可以具備高于1400mpa的抗拉強度。當然不同的供應商供應的材料之間雖然有微小的成分差異，也會導致3D金屬打印完成后材料性能的顯著變化。然而，最終的屬性非常依賴于確切的熱處理方法。例如，一個常見的錯誤是沒有對17-4PH進行充分的時效硬化以獲得完全的馬氏體結構。這導致結果顯著低于預期的機械性能，這種不銹鋼不能通過增材制造的方法用來生產高質量部件。最后，熱處理是這些鋼的一個關鍵步驟，如果想要達到最佳的性能。
對于奧氏體不銹鋼，316L是迄今為止最常用的金屬材料。作為一個標準的工業合金，特別是在一些酸性環境中具有優秀的表現，并且具有優越的強度相比。這些單相不銹鋼是非熱處理的，這意味著它們的強度不能通過通過增加熱處理來獲得提高。一些報道的數據表明，700MPa的抗拉強度是可以實現的，但大多數用戶的報告都在600MPa左右。
還有一種“多才多藝”的合金是鈷鉻鉬合金，簡單稱為鈷鉻，在牙科部門最為普遍。這是ISO 5832合金的衍生物，或ASTM F75，歷史淵源為鎢鉻鈷合金?合金，它最初是作為整形外科植入物用鑄造合金。但是用于牙科的合金不同于用于植入物的鈷鉻合金，因為它含鎳（Ni）的自由基，并有更多的鎢（W）的成分。牙科合金具有很好的強度（＞1300MPa,消除應力后），并且具備很好的生物相容性，與陶瓷涂層不易的分離。3D金屬打印可以將這種材料制成牙橋、牙冠等產品，與傳統制造技術相比具有縮短制造流程、提高精度、降低成本的優勢。
鈷鉻合金（Co28Cr6Mo）由于高耐磨性，良好的生物相容性，無鎳（鎳含量＜0.1%）組成，使其常用于外科植入物包括合金人工關節，膝關節和髖關節。也可用于發動機部件，風力渦輪機和許多其他工業部件，以及時裝行業，珠寶等。與Stellite21合金類似，這種合金具有較好的拉伸強度（＞1100mpa）具有高韌性、延性（伸長率18-20%），良好的耐腐蝕性，以及在高溫下正常工作的性能。與大多數增材制造的金屬一樣，最終的性能可以根據具體的要求，通過精心選擇的熱處理周期來實現。
其他高溫合金主要是基于Ni基合金，Inconel有兩個最常見的型號是625和718。使用合金的選擇通常取決于最大工作溫度和強度要求的組合。這些鎳基合金具有高合金含量，能夠承受各種各樣的嚴重腐蝕環境。即使在更嚴重的腐蝕環境中，鎳和鉻的組合可以耐氧化化學反應，鉬的存在使這些合金抗點蝕和縫隙腐蝕，鈮行則在焊接過程中防止隨后的晶間應力腐蝕開裂。
圖：ASTM關于X射線和CT檢查的標準
*ASTM E07.02對于增材制造確定缺陷提供了大量的參考
圖：現行標準
ASTM F42關于鈦合金，鎳基合金的粉末標準及加工標準，F2924,F3001,F3049,F3055,F3056
ASTM F42關于鋼、不銹鋼、相關合金熱等靜壓的標準，A1080
ASTM F42關于高溫工作環境下法蘭、配件、閥門的熱等靜壓標準，A988/A988M
圖：正在開發的標準
ASTM F42關于粉末床融化工藝加工鉻鉬合金(UNS R30075)的詳述,WK51329
ASTM F42關于鋁合金熱等靜壓的新指南，WK47205
ASTM F42關于粉末床融化工藝加工不銹鋼合金(S31603)的詳述，WK48732
ASTM F42關于粉末床融化工藝加工AlSi10Mg的詳述，WK53423
圖：ASTM F42關于通過粉末床激光融化技術加工不銹鋼合金的標準，F3184
圖：SAE將出臺的通過粉末床激光融化技術加工鎳基超合金625的航空零件增材制造標準
圖：ASTM F42將于2017年出臺更多關于鎳基超合金的激光粉末床融化加工標準
所以要“玩轉”這些合金的3D打印，3D科學谷認為需要對這些成分的屬性熟知，作為粗糙的經驗法則，選擇625合金用于具有較高的強度和抗蠕變、斷裂和腐蝕環境，在高溫下即使在980°C至1140°C的范圍內，625的名義室溫抗拉強度在827-1034MPa之間。718可用于在損害稍低的工作溫度，通常是在700°C到760°°C 的范圍，也被用在1000°C的環境下。718合金的室溫抗拉強度在1170-1275MPa之間。注意，這兩種合金也可以在非常低的低溫環境下使用。
總體來說，625在溫度高達約815條件下依然提供優良的負載性能，此外，耐腐蝕性能，這種合金廣泛應用于需要高的點蝕、縫隙腐蝕和耐高溫的行業，例如航空航天，化工和電力工業中的應用。713具有優異的抗熱疲勞性能，以及在927°C的特殊斷裂強度，非常適合于噴氣發動機燃氣輪機葉片。718具有優異的耐腐蝕性以及良好的耐熱和拉伸，疲勞，蠕變性能，Inconel 718適合各種高端應用包括飛機渦輪發動機和陸基渦輪機（葉片，環，套管，緊固件和儀表零件）。其他高溫合金包括哈氏C276和Mar-M247。
鋁合金方面，鋁硅AlSi12-鋁硅12是一種具有良好的熱性能的輕質增材制造金屬粉末。典型的應用是薄壁零件如換熱器，或其他汽車，航空航天和航空工業級的原型及生產零部件。而AlSi10Mg-硅/鎂組合帶來顯著的強度和硬度的增加。這種鋁合金適用于薄壁，復雜的幾何形狀的零件，是需要良好的熱性能和低重量場合中理想的應用材料。零件組織致密，有鑄造或鍛造零件的相似性。
壓鑄合金AlSi10Mg類似美國合金360,雖然這并不是一個被廣泛認可的高強度鑄造合金，但它已被證明通過適當的熱處理能夠產生相當高的強度，3D科學谷了解到雖然這一事實也還備受爭議。但從廣義上講，這種合金可以通過標準的熱處理工藝，固溶處理后人工時效，稱為T6周期。溶液處理500°C以上， 4-12h，溫度不應超過550°C，其次是水或聚合物熔體淬火。人工老化溫度在155°C-165°C之間，時間6-24h，通過精確的時間和溫度控制最終性能。抗拉強度可以從220MPa到340MPa之間，抗拉屈服強度在180MPa和280MPa之間。 其他合金包括169（A357）和AlSi7Mg。根據3D科學谷的市場研究另外專有的合金如Scalmalloy已經被用于空客的增材制造應用中，這是一些令人興奮的進展。
圖：現有的關于表面質量與表面處理的標準
其他純金屬粉末和合金銅（Cu）、鎢（W）、鉭（Ta）也經常出現在金屬3D打印研究或專業商業工業應用。新的金屬和合金將不斷涌現，金屬打印系統不斷獲得改進。作為金屬3D打印企業來說，重要的是結合市場的需求，在一個應用點上深挖，形成自己的一套方法。
圖：ASTM將要發布的增材制造設計準則WK54856和新指南WK38342，以及為增材制造而設計的產品定義
圖：ASTM F42關于DED直接能量沉積加工技術的標準指南，F3187-16
圖：ASTM F42關于設備與檢測技術之間的增材制造術語標準，ISO/ASTM 52921
圖：ASTM 正在開發的標準
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