銅合金

材料與激光器的發(fā)展推動(dòng)銅合金3D打印

     銅似乎不適合用于3D打印來(lái)加工，因?yàn)檫@種金屬容易直接反射3D打印機(jī)的激光束。銅金屬在激光熔化的過(guò)程吸收率低，激光難以持續(xù)熔化銅金屬粉末，從而導(dǎo)致成形效率低，冶金質(zhì)量難以控制。

     繼2016年和2017年，NASA 在馬歇爾太空飛行中心對(duì)3D打印的GRCop-84組件進(jìn)行熱火試驗(yàn)后，NASA的銅基和鎳基合金3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到這些技術(shù)所制造的零件通過(guò)熱火試驗(yàn)。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，多家制造企業(yè)在開(kāi)發(fā)銅合金3D打印工藝。國(guó)內(nèi)金屬3D打印企業(yè)鉑力特已在銅金屬激光成形領(lǐng)域取得了進(jìn)展，研制出針對(duì)難熔金屬和高導(dǎo)熱、高反射金屬的3D打印工藝，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜流道的銅材料制造工藝，成功制備出3D打印銅合金尾噴管。

      國(guó)際上，Aerojet Rocketdyne在火箭銅合金推力室3D打印領(lǐng)域取得的突破，為制造新一代RL10發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)了可能性。3D打印銅合金推力室部件將替代以前的RL10C-1推力室部件。被替代的推力室部件是由傳統(tǒng)工藝制造的，由多個(gè)不銹鋼零件焊接而成，而3D打印的銅合金推力室部件則由兩個(gè)銅合金零件構(gòu)成。

      初創(chuàng)的航天企業(yè)Launcher 與合作伙伴3T、EOS 也開(kāi)發(fā)了3D打印銅合金火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件，3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)零件數(shù)量，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，并且更加易于制造復(fù)雜功能集成的部件，Launcher 開(kāi)發(fā)的3D打印銅合金（Cucrzr）發(fā)動(dòng)機(jī)部件就集成了復(fù)雜冷卻通道，這一設(shè)計(jì)將使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻效率得到提升。

      關(guān)于銅的3D打印用激光器，根據(jù)IDTechEx Research 的《激光二極管與直接二極管激光器，2019-2029 年：技術(shù)、市場(chǎng)與預(yù)測(cè)》報(bào)告，過(guò)去 30 年來(lái)，激光二極管的平均功率顯著提升，而每瓦平均價(jià)格卻呈指數(shù)級(jí)下降。因此，激光二極管正在取代一些已有的激光和非激光技術(shù)，同時(shí)也使全新的光學(xué)技術(shù)成為可能。

2018 年，島津公司擬（日本）實(shí)現(xiàn)了其 BLUE IMPACT 藍(lán)光沖擊二極管激光器的商業(yè)化，。島津 450 納米藍(lán)色二極管激光器的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是銅材料的 3D 打印。銅對(duì)藍(lán)色激光的吸收率很高，背反射的減少可以使加工過(guò)程變快，這對(duì)傳統(tǒng)的紅外激光器是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。新研發(fā)的 3D 打印機(jī)可以用純銅粉高效打印物體。現(xiàn)有的 3D 打印機(jī)技術(shù)一般采用 CuCr1Zr 等銅合金來(lái)代替純銅。

 鋁合金

開(kāi)始越過(guò)發(fā)展門檻的鋁合金

SLM選區(qū)金屬熔化技術(shù)

      鋁合金，由于其天然的輕量化特點(diǎn)，在工業(yè)制造領(lǐng)域占有重要的一席之地。根據(jù)SmarTech的預(yù)測(cè)，鋁合金占金屬3D打印中所有金屬粉末的消耗量（按體積計(jì)算）從2014年的5.1%逐漸提高到2026年的11.7%左右，鋁合金在汽車行業(yè)的10年復(fù)合增長(zhǎng)率在51.2%。鋁合金材料的全球供應(yīng)鏈似乎已經(jīng)“越過(guò)門檻”，成為支持增材制造技術(shù)的下一代機(jī)遇。鋁合金的3D打印現(xiàn)在開(kāi)始趕上鎳，鋼和鈦。

    鋁硅AlSi12-鋁硅12是一種具有良好的熱性能的輕質(zhì)增材制造金屬粉末。AlSi10Mg-硅/鎂組合帶來(lái)顯著的強(qiáng)度和硬度的增加。這種鋁合金適用于薄壁，復(fù)雜的幾何形狀的零件，是需要良好的熱性能和低重量場(chǎng)合中理想的應(yīng)用材料。零件組織致密，有鑄造或鍛造零件的相似性。典型的應(yīng)用包括汽車，航空航天和航空工業(yè)級(jí)的原型及生產(chǎn)零部件，例如換熱器這樣的薄壁零件。

      壓鑄合金AlSi10Mg類似美國(guó)合金360,雖然這并不是一個(gè)被廣泛認(rèn)可的高強(qiáng)度鑄造合金，但它已被證明通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砟軌虍a(chǎn)生相當(dāng)高的強(qiáng)度，3D科學(xué)谷了解到雖然這一事實(shí)也還備受爭(zhēng)議。但從廣義上講，這種合金可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的熱處理工藝，固溶處理后人工時(shí)效，稱為T6周期。溶液處理500°C以上， 4-12h，溫度不應(yīng)超過(guò)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(shí)間6-24h，通過(guò)精確的時(shí)間和溫度控制最終性能。抗拉強(qiáng)度可以從220MPa到340MPa之間，抗拉屈服強(qiáng)度在180MPa和280MPa之間。其他合金包括169（A357）和AlSi7Mg。

     此外，市場(chǎng)研究另外專有的合金如Scalmalloy已經(jīng)被用于空客的增材制造應(yīng)用中，這是一些令人興奮的進(jìn)展。HRL實(shí)驗(yàn)室的研究人員根據(jù)晶體學(xué)信息選擇了鋯基納米顆粒成核劑，并將它們組裝到了7075和6061系列鋁合金粉末中。在用成核劑進(jìn)行功能化之后，這些先前與增材制造制造不相容的高強(qiáng)度鋁合金可以使用粉末床選擇性激光熔化設(shè)備進(jìn)行成功的加工。成型后的材料無(wú)裂紋，等軸（即，其長(zhǎng)度，寬度和高度上的晶粒大致相等），實(shí)現(xiàn)了細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)，并與鍛造材料具有相當(dāng)?shù)牟牧蠌?qiáng)度。

     根據(jù)中國(guó)日?qǐng)?bào)，蘇州倍豐創(chuàng)始人、澳大利亞工程院吳鑫華院士領(lǐng)導(dǎo)莫納什大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出了牌號(hào)為Al250C的高強(qiáng)高韌增材制造專用鋁合金材料，為3D打印鋁合金材料再添一名明星成員。Al250C是研究團(tuán)隊(duì)專門為3D 打印設(shè)計(jì)的材料，已經(jīng)達(dá)到了批產(chǎn)和商業(yè)化使用階段。Al250C材料強(qiáng)度達(dá)到目前可用于3D打印的鋁合金材料中最高水平，屈服強(qiáng)度可達(dá)580MPa，抗拉強(qiáng)度590MPa以上，延伸率可達(dá)11%，制備構(gòu)件通過(guò)了250℃高溫下持續(xù)5000小時(shí)的穩(wěn)定試驗(yàn)， 相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)服役25年的要求。

      總部位于英國(guó)的鑄造專家Aeromet International專利的用于增材制造的鋁合金粉末A20X所制造的零件已經(jīng)超過(guò)500MPa的極限拉伸強(qiáng)度（UTS）。Aeromet 稱，這一成就使的該鋁合金材料成為“市售的用于增材制造的最強(qiáng)鋁合金粉末之一”。A20X是一種鋁 – 銅合金材料，具有精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，與其他合金相比，具有“高的強(qiáng)度，抗疲勞和優(yōu)化的熱性能。”目前已獲得金屬材料特性開(kāi)發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化（MMPDS）和航空航天材料標(biāo)準(zhǔn)（AMS）的批準(zhǔn)，該材料已被全球領(lǐng)先的航空鑄造供應(yīng)商采用。

     南京航空航天大學(xué)幾年前開(kāi)發(fā)出基于SLM成形的鋁基納米復(fù)合材料，用于激光增材技術(shù)領(lǐng)域，有效的解決鋁基納米復(fù)合材料在激光增材過(guò)程中工藝性能與力學(xué)性能不匹配、增強(qiáng)顆粒分布不均勻以及陶瓷相與基材相之間潤(rùn)濕性較差的問(wèn)題，使得所獲得的產(chǎn)品具備良好的界面結(jié)合以及優(yōu)異的力學(xué)性能。

粘結(jié)劑噴射間接金屬3D打印技術(shù)

     上述的是通過(guò)SLM選區(qū)激光金屬熔化3D打印技術(shù)所加工鋁合金的發(fā)展情況。隨著鋁合金材料以及粘結(jié)劑技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)粘結(jié)劑噴射間接金屬3D打印工藝實(shí)現(xiàn)鋁合金零部件增材制造具有了更高可行性。根據(jù)3D科學(xué)谷市場(chǎng)觀察，材料科學(xué)企業(yè)Equispheres 開(kāi)發(fā)了一種適用于粘結(jié)劑噴射3D打印的新型鋁合金粉末。    Equispheres 與加拿大麥吉爾大學(xué)合作對(duì)AlSi10Mg鋁合金粉末進(jìn)行了測(cè)試，觀察到 Equispheres標(biāo)準(zhǔn)AlSi10Mg鋁合金粉末具有無(wú)壓縮、亞固相燒結(jié)，以及具有良好的致密化（優(yōu)于95％）和優(yōu)異的微觀結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，該材料能夠適用粘結(jié)劑噴射3D打印及其后處理中的燒結(jié)過(guò)程。

     作為汽車制造中大量使用的鋁合金材料，一直以來(lái)難以搭上粘結(jié)劑噴射技術(shù)的順風(fēng)船，以更低的成本和更高的效率實(shí)現(xiàn)汽車零部件增材制造。主要原因是粘結(jié)劑噴射3D打印工藝在完成打印后需要進(jìn)行燒結(jié)后處理，在此過(guò)程中易導(dǎo)致鋁合金燃燒，這是粘結(jié)劑噴射3D打印進(jìn)行鋁合金加工的一大挑戰(zhàn)。從這個(gè)角度來(lái)看，Equispheres 推出的可用于粘結(jié)劑噴射技術(shù)的鋁合金粉末則為該技術(shù)的應(yīng)用打開(kāi)了新空間。但粘結(jié)劑噴射3D打印鋁合金的機(jī)械性能與硬度能否滿足汽車零部件制造領(lǐng)域的要求，3D科學(xué)谷將保持關(guān)注。

3D打印砂型+鑄造

    此外，3D打印砂型與鑄造的方式是生產(chǎn)鎂鋁合金的一種現(xiàn)實(shí)可行的方法。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，國(guó)際上，關(guān)于鑄造在交通工具領(lǐng)域的輕量化應(yīng)用，一個(gè)現(xiàn)實(shí)的例子是歐特克通過(guò)voxeljet-維捷的3D打印設(shè)備來(lái)制造熔模并鑄造鎂鋁合金，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)座椅的輕量化。這種座椅結(jié)構(gòu)件適合任何標(biāo)準(zhǔn)的商用噴氣式飛機(jī)，預(yù)計(jì)可以通過(guò)減重為航空公司節(jié)約數(shù)百萬(wàn)美元的成本。

 金剛石與硬質(zhì)合金

金剛石

       山特維克增材制造部門的研究人員通過(guò)立體光刻技術(shù)（SLA）開(kāi)發(fā)了一種由金剛石粉末和聚合物組成的漿料，用于3D打印金剛石復(fù)合材料。該材料已經(jīng)過(guò)測(cè)試并保持了純金剛石的物理特性。

     山特維克開(kāi)發(fā)了專有的后處理步驟，復(fù)合材料的硬度是鋼的三倍，導(dǎo)熱系數(shù)高于銅，密度接近鋁，從發(fā)電到采礦再到醫(yī)療植入物，各種各樣的行業(yè)都可以從3D打印金剛石中受益。

硬質(zhì)合金

      湖南伊澍智能制造有限公司研發(fā)了一種硬質(zhì)合金材料增材制造-3D打印工藝，在這種工藝中，硬質(zhì)合金-金剛石復(fù)合材料中的WC-Co硬質(zhì)合金層和金剛石層通過(guò)3D打印的方式實(shí)現(xiàn)層與層之間的結(jié)合。這種結(jié)合是通過(guò)化學(xué)鍵方式所進(jìn)行的結(jié)合，相比傳統(tǒng)的物理結(jié)合，這種結(jié)合方式更牢固，在使用過(guò)程中能夠避免涂層的剝落，同時(shí)具有較好的硬度。

      湖南伊澍智能制造采用的增材制造工藝為基于粉末床熔融的電子束熔化（EBM）3D打印技術(shù)，并基于這一工藝開(kāi)展了對(duì)WC-Co硬質(zhì)合金層-金剛石復(fù)合材料組分以及材料增材制造工藝參數(shù)的研究。

       材料的研究包括對(duì)WC-Co硬質(zhì)合金中Co的質(zhì)量含量、粒徑，金剛石材料的粒徑、純度，以及兩種材料的質(zhì)量比等方面。在工藝參數(shù)方面，湖南伊澍智能制造探索了這種復(fù)合材料的3D打印參數(shù)，例如電子束熔化掃描的掃描速率、電流、熔化溫度等。

通過(guò)對(duì)以上工藝制造的樣件，能夠得到熱導(dǎo)系數(shù)為500～550W/mK，摩擦系數(shù)為0.3～0.5，熱膨脹系數(shù)為0.9～1.18×10-6，硬度值為4800～5000HV的硬質(zhì)合金-金剛石復(fù)合材料，材料具有較好的硬度，沖擊韌性為300～320J，能夠很好的避免涂層的剝落。

(責(zé)任編輯：admin)

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