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3D打印用金屬材料的研究現狀

?????? 來源: 材易通 ???????發布時間:2021-04-28


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    增材制造又稱3D打印技,是快速成形技的一種,已代金屬制造。本文要介金屬增材制造的幾種技設備,以及增材制造用不同種金屬材料的最新展。

      3D打印主要技
      1
、激光區熔化技SLM
      
在金屬增材制造中,SLM是應用最普遍的技術之一,由Fraunhofer研究所于1995年在德國提出,利用激光選區熔化打印金屬材料,下圖為其技術原理圖。SLM技術的激光器能量密度很高,能夠直接用激光熔化粉體,不需要粘結劑,具有很高的成形性能。經過SLM技術制備的零件具備相當高的致密度,力學性能優異,非常適合實際工程應用。

 

 SLM技術原理圖

      2、子束區熔化技EBM
      EBM
是在真空環境下通過高能電子束熔化金屬粉體打印的技術,通過EBM技術可以成形結構復雜、成分純度高的金屬零件,但是其成形尺寸受到了粉體環境與車床的限制。

 

 EBM設備示意圖

      3、激光熔融沉LDMD
      LDMD
技術也稱為激光堆焊技術,早在二十世紀六十年代就被提出,通過使用高能激光在兩個金屬材料表層之間形成熔覆層,然后經快速固化得到性能良好的涂覆層。但是受到工藝與殘余應力等影響,熔覆層常常存在缺陷,在成形精度、成本等方面仍有不足。

 

LDMD技術原理圖

      3D打印設備及應用狀況

      目前,增材制造設備較有名的公司主要有Zcorporation、3D system等,其中,3D system的實力最強,代表了當前增材制造技術水平和未來發展趨勢,能夠為不同需求的客戶提供打印系統。

在工業產品解決方案中,3D systemSLM技術目前有DMP Flex(見下圖)、DMP Factory等系列,可為不同需求的客戶提供專業化服務。GE航空集團采用激光選區熔化技術為LEAP噴氣式發動機制造燃油噴嘴,目前已經接受了超過4000LEAP噴氣式發動機的訂單,其中有相當多零部件需要通過3D打印制造(見下圖)。

 

 DMP Flex350金屬打印機

 

 通過激光選區熔化零件

      3D打印合金種
      鈦合金

鈦合金是增材制造技術廣泛研究的金屬材料之一,具有高強度和抗斷裂性、優異的耐侵蝕性和抗疲勞性及生物相容性,被廣泛用于航空航天和生物醫學等領域。在許多高新技術領域,由傳統技術制備的鈦合金部件已經被廣泛應用,如美軍戰斗機。由于高端領域的技術要求提高,傳統的制造設備及工藝已不能滿足需要,限制了其應用范圍,而3D打印可以從源頭解決傳統工藝的不利影響,成為制造鈦合金零件的新型技術。

不少研究報道了鈦合金可以應用不同的3D打印方法來處理,如粉末床熔化技術(PBF)和直接能量沉積技術(DED)等。鈦合金激光快速成形技術(Laser Rapid Forming, LRF)是在快速原型技術和大功率激光熔覆技術基礎上發展起來的一項新型快速制造技術,于1995年在美國第一次被提出,其在零件缺陷修復、鈦合金和高溫合金等難變形或復雜零件的近凈成形制造中得到了推廣應用。

鈦合金激光快速成形技術以鈦合金粉末為原料,通過激光熔化/快速凝固逐層沉積“生長制造”,由零件CAD模型一步完成全致密、高性能鈦合金結構件的“近凈成形制造。下圖為鈦合金激光成形系統示意圖。其具有加工周期短、制造成本低、柔性高、綜合性能優異等特點,有望為航空航天領域的一些制造技術難題提供新的解決方案。

 

 鈦合金激光快速成形系統示意圖

增材制造對鈦合金粉末的基本要求

就激光選區熔化技術來說,對鈦合金粉末的基本要求是在基板上均勻鋪展即可,但粉末的多項指標會影響最終成形件性能,如外觀質量、化學成分、粒度及粒度分布、粒形、流動性、比表面、松裝密度、純凈度和空心粉含量等。

1)外觀質

鈦合金粉末外觀應呈銀灰色,表面不應出現有明顯氧化色的顆粒,不應存在異物或團聚體。
2
)化學成分

鈦合金粉末化學成分應符合GB/T 3620.1-2016《鈦及鈦合金牌號和化學成分》的要求,成分允許偏差應符合GB/T 3620.2-2007《鈦及鈦合金加工產品化學成分允許偏差》的要求。其他可選檢驗元素包括Al、V、Sn、Mo、Cr、Mn、Zr、Ni、Cu、Si、Y。
3
)粒度及粒度分布

粉末粒度指粉末顆粒的大小,對粉末體而言,指顆粒的平均大小。用于增材制造的鈦合金粉末的粒度應為正態分布,粒徑范圍為053μm。
4
)粒形

粉末顆粒形貌應為球形或近似球形。粉末的球形度不應小于0.9。
5
)流

粉末的流動性指粉末通過一個限定孔的性能,常用50g粉末通過一個限定孔所用的時間來表征,其中安息角不應大于45°?;魻柫魉偌?span lang="EN-US">50g粉末通過標準漏斗的時間不應大于38秒。
6
)比表面

粉末的比表面指每克粉末具有的總表面積,常用cm2/gm2/g來表示。其與粉末的顆粒形狀、顆粒大小、粒度組成及松裝密度等有密切關系,且相互制約。在其他條件一定的情況下,粉末顆粒形狀越復雜,則粉末比表面越大,表面能越高。
7
)松裝密度

松裝密度不應低于1.9g/cm3,振實密度不應低于2.3g/cm3,有效密度與理論密度比值不應低于0.9。
8
純凈

粉末中不應有無機非金屬夾雜物、異質金屬顆粒、污染物及其他可能對最終的激光選區熔化鈦合金成形件使用性能有害的外來物質。
9
)空心粉含量

粉末中空心粉含量不應大于2%。

3D打印合金粉末的國內外技術對比及主要差距

高品質鈦合金粉末是粉末鈦合金增材制造技術的基礎。近年來,國內外相關機構對鈦合金粉末進行了大量研究。通過對比分析可見,國內鈦合金粉末質量和國外還存在一定差距,具體表現如下:

1鈦合金粉末的松裝密度略低于國外同類產品,影響最終制件致密

在松裝密度方面,國內外差距不是很大,國內TC4鈦合金的松裝密度和松裝密度方差分別為2.33g/cm30.18,而國外同類產品分別為2.55g/cm30.21。國外的鈦合金粉末稍好,但差異不明顯。鈦合金粉末的松裝密度與不同粒徑級配有直接關系,在保證樣品粒徑分布滿足增材制造要求的前提下,應盡可能提高松裝密度。

2國內合金粉末的流性和一致性差,以保證鋪粉的均勻性

鈦合金粉末的流動性是影響增材制件內部質量的重要因素。國內粉末的流動性略低于國外粉末,但差距不是很大,分別為35.1s/50g)和26.8s/50g)。而在一致性方面,國內粉末明顯低于國外粉末,其方差分別為5.30.7。流動性和一致性較差的粉末容易出現鋪粉不均勻,這是導致增材制件內部和表面缺陷的直接原因。因此,制備鈦合金粉末時應嚴格篩選,盡可能保證鈦合金粉末顆粒形貌均為球形,以提高粉末流動性。

3國內合金粉末粒徑分布不一致,波性大

在鈦合金粉末粒徑方面,國內外粉末差別不大,分別在25~60μm之間和23~55μm之間。但是國內鈦合金粉末粒徑數值波動較大,明顯低于國外粉末。

4國內合金粉末普遍存在空心粉和異質夾雜情況,影響最制件

鈦合金粉末不可避免地存在空心球的情況,在空心球率方面,國內外鈦合金粉末沒有明顯差別,國內粉末的空心球率和方差分別為0.250.2,國外粉末分別為0.260.2。但在異質雜質方面,國內鈦合金粉末的夾雜率明顯高于國外粉末,需要從原材料上進行大量研究,以降低粉末夾雜率。

5國內合金粉末的微量元素波大,影響最制件性能

在微量元素控制方面,國內外的差別不是很大,均能滿足標準要求,如粉末中氧含量指標均在1500ppm以下,氮含量指標均在500ppm以下。但國產粉末中的微量元素含量波動較大,一致性方面低于國外粉末。

研究

最近的研究表明,使用3D打印鈦合金可以制造復雜的結構,例如多孔結構和晶格結構(見下圖)。與塊狀鈦相比,3D打印制造的鈦合金多孔結構和晶格結構的機械性能顯示了更高的能量吸收能力和耐沖擊性。由于美國食品和藥物管理局(FDA)已批準3D打印制造的鈦植入物,鈦合金在3D打印的幫助下進行進一步的設計修改可為醫療植入物帶來巨大發展。

 

 使用SLM技術制造的多孔與晶格結構

鋁合

鋁合金雖然使用量很大,在硬度導電性及熱導率等方面也具有良好的性能,但是由于較差的激光吸收率和低的可焊性,易于3D打印技術制造的鋁合金仍然受限。不過,其在3D打印技術制造方面仍具有很高的研究價值與潛力。目前,用于增材制造的常見鋁合金是共晶Al-SiAl-Si-Mg合金(如Al12SiAlSi10Mg)。這些合金中都包含Si,而Si在合金制造過程中可以增加合金對激光的吸收率。

研究

 史淑文等采用SLM研究了Al12Si合金的力學性能,得出合金在激光能量密度為200J/mm3時拉伸強度、屈服強度及延伸率達到最大,且Si相析出和生長可以降低合金的硬度與強度,但對韌性和阻尼系數有一定的提高。

 Siddique等通過3D打印技術對Al12Si合金的研究得出,對合金裂紋的生長和疲勞行為的有效控制方法是對基板進行預熱處理。

 Read等研究了SLM工藝對AlSi10Mg合金機械性能的影響,經SLM工藝優化后AlSi10Mg合金可以抵抗400MPa的拉伸強度,這是很少的采用較全面系統的試驗設計方法進行SLM工藝優化的研究。另一項研究表明,通過3D打印加工形成的細晶粒微觀結構與基于鑄造的相同材料相比,通過激光PBF加工的AlSi10Mg具有出色的抗氣蝕性能。

銹鋼

不銹鋼因其優良的抗化學腐蝕、耐高溫和力學性能,是最早應用于3D打印的材料。奧氏體、馬氏體等都已通過3D打印進行了加工。與常規生產的鋼相比,增材制造的鋼表現出不同的微觀結構和析出相,這也可能是導致其機械性能變化的原因。通常對3D打印加工鋼進行熱處理,以獲得所需性能。有研究表明,通過激光PBF技術處理的SS316L具有完全的奧氏體和柱狀晶粒,尺寸約1μm,相較于傳統工藝制造的SS316L精細得多。還有研究表明,奧氏體和鐵素體相均來源于經直接能量沉積(DED)處理的SS316L。在DED處理中,凝固過程中微偏析導致CrMo富集,這兩者都是鐵素體相穩定劑。雖然在PBF SS316L中也發現了CrMo的富集,但鐵素體相穩定劑的量不足以穩定鐵素體相區。此外,在馬氏體不銹鋼方面,激光熔覆420不銹鋼件的耐腐蝕比常規鍛造420不銹鋼件提高了30%,目前市場上以2Cr1317-4PH兩種材料為主,德國EOS公司還特別研制了MS1PH1等牌號合金供增材制造技術專用。

鎂合金

鎂合金作為最輕的結構合金,因其特殊的高強度和阻尼性能,非常有潛力在諸多應用領域替代鋼和鋁合金,如在航空領域,部件輕量化可降低燃料使用量,以及優秀的生物相容性較傳統合金更有應用前景。Wei等研究發現,AZ91D合金在能量密度為83-167J/mm3之間能夠獲得無明顯宏觀裂紋的高密度粉末,樣品均出現分層特征,相鄰軌道和層堆疊在一起,顯微硬度均顯示方向獨立性,室溫環境下的顯微硬度和抗拉強度優于壓鑄樣品,細化和固溶強化是AZ91D的主要強化機制。Ng等在高純氬氣環境下使用Nd:YAG激光熔化鎂粉的研究中發現,激光能量密度對樣品的硬度影響較大,并成反比關系,因此就如何降低氧化和熱影響區對合金的影響,提高制件質量,需要進一步優化工藝參數。

高溫合金

高溫合金指可以持續承受一定應力并在600℃以上的環境下長時間穩定工作的一類金屬材料,一般按照合金基體種類可以分為鐵基、鎳基、鈷基三類。高溫合金在航天發動機等重要領域應用廣泛,合金用量比例非常高,最高可達60%。由于航空發動機等領域對材料的要求越來越高,傳統的鑄錠冶金工藝已不能滿足,而增材制造技術因其技術優勢,在高溫合金成形中成為解決技術瓶頸的新方法。張穎等通過對Inconel 718合金采用SLM工藝研究發現,合金的微觀組織經歷了粗大柱狀晶、聚集的枝晶、細長且均勻分布的柱狀枝晶等組織變化,而這些組織變化與其在加工中的激光能量密度增大有關。

 

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