浅谈粉末材料与金属3D打印技术发展的关系

金属3D打印技术自诞生之日起就与粉末材料有着密不可分的关系，可以说作为“基石”的金属粉末很大程度上决定了金属3D打印技术的成败与好坏（尽管最终质量同时也受打印设备、工艺等因素的影响）。因此，金属3D打印技术未来的发展前景也是与材料本身息息相关的，这就是为什么金属增材制造想要在主流制造方式中占有一席之地，增材制造的材料科学领域就必须要跟着改进。好消息是，南极熊了解到目前已经有多家公司正在努力推进材料技术，并且我们也看到了积极的相关成果。

Allegheny Technologies Inc.（ATI）就是这样一家公司，它是金属制造行业的领先者。这家公司总部位于匹兹堡，开发特种材料，并对其进行塑形加工以满足客户要求。ATI主要作为3D打印金属零件公司的原材料供应商，同时它还为客户打印金属零件，这是2018年收购总部位于康涅狄格州的Addaero Manufacturing的成果，目前这家公司主要是作为航空航天和国防工业生产金属部件的增材制造商。

特种金属开发商Allegheny Technologies专注于改进金属3D打印中使用的粉末。图片来自ATI

ATI对3D打印的愿景是为了做出符合客户标准的产品。ATI的增材制造总监莫里森（Brian Morrison）说："我们制定了我们的战略，并与支持我们在航空航天和国防领域发展的关键客户群进行了共同投资。客户依靠我们为增材制造提供材料技术，同时我们也作为合作伙伴进行最终的零件生产。"必须提到的是，这家公司所拥有的完全集成化的AM供应链还包括零件精加工的步骤。

据莫里森说，3D打印吸引了ATI的航空航天和国防客户，因为它能以几种复杂的方式进行处理设计。其一是促进复杂部件的生产，这些部件用传统方法很难，甚至不可能制造。他曾说过：“使用AM技术，我们的客户可以跳出框框，自由设计出性能更好的部件"。

另一种方式是，3D打印允许使用复杂成分的合金，这些合金可能对于传统的制造工艺属于重大难题。一个例子是ATI所生产的一种叫做钛铝的中间合金。莫里森说："这是很难用任何传统方式制造的，包括锻造和加工。但它却与增材制造技术非常契合，我们目前能够提供生产航空级的零件。"

合金的进步

材料科学的最新进展是为参与金属增材制造的人提供了更多更好的选择。莫里森认为金属增材制造技术本质上是微焊接工艺，但一些传统的合金非常难以焊接。所以ATI对这些合金进行了小的改动，以改善它们的焊接性。

例如，该公司生产的一些高温镍基合金的合金含量很高，可能会导致打印件出现微裂纹。当材料快速冷却时，这种裂纹会恶化，产生高的残余应力。为了对付微裂纹，ATI对镍合金中的碳和其他元素的含量做了些许改变。这些调整与3D打印参数的相应变化相结合，产生了高性能、低缺陷的零件。

当谈到用于3D打印的金属粉末时，ATI的增材制造高级主管、Addaero Manufacturing的创始人和前总裁梅里诺（RichardMerlino）补充道："下一个材料科学的前沿领域是回到原始配比上，纵观现有的合金，这些合金在传统产品形式中可能不受欢迎，但可以很好地用于增材制造，因为它们具有良好的焊接性和低残余应力等特性。"

这方面的例子是GRCop材料，即最初由美国航空航天局开发的铜合金。莫里森将这种合金描述为具有耐高温的导电材料，用于火箭喷嘴和燃烧部件等与太空有关的项目。他说，如今GRCop合金也被用于打印一些太空中应用的原型部件。

除了生产特殊材料外，ATI还打印高端航空航天和国防部件。图为该公司的GE Additive Arcam EBM Q20 AM机器之一

另外，开发适合于AM的新合金也是优先考虑的问题。Merlino表示他们公司正在研究的一种新型钛合金，与传统的TC4（3D打印中使用的主要钛合金）相比，它会显示出很广阔的前景。

他解释说：“在基于激光增材的设备中，TC4中积累的残余应力会在打印过程中导致变形，这限制了可以制造的产品范围。相比之下，正在开发的ATI合金在打印过程中具有更低的残余应力，以及更高的强度和耐温性。这使你能够在钛金属中构建复杂的结构，而你无法用TC4材料构建。“

此外，莫里森还指出了在开发铝合金方面取得的进展，这些铝合金在3D打印过程中运行良好，并提供比AlSi10Mg更好的性能，他称AlSi10Mg是目前用于AM的 "主力 "铝合金。将AlSi10Mg描述为一种低档的铸造合金，打印效果好，但在强度和延展性方面没有什么优势。因此，与目前市场上的先进铝合金相比，它迫使人们在设计上做出更多的妥协。他认为这些合金的性能比AlSi10Mg好得多，但打印效果不好。所以人们正在努力解决这个问题，并且正在取得进展。

材料成本优势

在努力使金属AM成为一项主要的生产技术的过程中，一个不可规避的因素是金属粉末的成本，据梅里诺说，他仍然经营着他创立的、ATI收购的制造厂。Merlino表示："一般来说，我们在这方面没有得到很多反馈。其中一个原因是，多年来材料的价格已经下降了。此外，3D打印比传统的制造方法更好地利用了材料。比方说，你有一个极其复杂的结构，可以进行机械加工。你可以从一个20磅的材料块开始，最后得到一个1磅的零件。这并不罕见，特别是在航空航天和国防领域。因此，你通过购买传统产品形式的材料所可能节省的费用都作为废品消失了。"

莫里森说：”与机械加工不同，AM几乎百分百利用了为一项工作购买的所有粉末，因为该工艺将零件打印成接近净成形的形状，任何剩余的粉末都用于后续零件。最后只有很小一部分被报废了。

用钛合金粉末3D打印的嵌套

大批量生产的难题

与金属3D打印领域的其他公司一样，ATI的金属3D打印工作往往是小批量的零件生产运作。要使3D打印技术跃升为大批量制造方式，还需要做出一些事情。

首先，Merlino说：”工程师必须能够更好地设计用于增材制造的产品。虽然有例外，但人们不一定知道如何设计以利用这项技术。这必须随着时间的推移而做出改变，它将由大学里的学生和培训项目来推动。"

此外，金属3D打印机器的生产力必须提高。尽管Merlino看到了技术的进步和每立方英寸制造时间的下降，但他仍认为机器的速度不足以与铸造竞争。

一名操作人员在后期处理过程中从3D打印的零件上清除粉末

至于金属3D打印中与材料有关的进展，Morrision说ATI正在努力改进粉末雾化工艺，以提高生产能力和降低成本。一个目标是使粉末在沉积成非常薄的层时能更好地扩散开来。

那么，金属3D打印是否会继续作为小批量生产的有效选择？Merlino并不这么认为。他认为这项技术最终将为打开一个新的利润市场做好准备：即大批量生产高度复杂的零件，而这些零件实际上无法用其他方式制造。他表示对于这样的零件，性能上的优势证明了用增材技术进行大批量制造是正确的，而这样的应用案例也将越发普遍。

ATI最近在北卡罗来纳州的门罗开设的个高温合金粉末生产厂