小知识分享|金属3D打印用粉末材料有哪些？

        随着金属3D打印的快速发展，3D打印用粉末需求也逐年增加。目前全球有五千多种合金材料，但是用于金属3D打印的只有十几种。未来还会加大对合金材料的研究。

1. 钛合金

        TC4是最早应用于SLM工业生产的一种钛合金，对该合金的研究主要集中于揭示材料疲劳性能、裂纹生长行为与微观组织之间的关系。有学者在循环载荷作用下研究TC4合金SLM件的微观结构与组织缺陷之间的关系，用机械测试、热等静压等方法,通过电子显微镜和计算机断层扫描观察到微米级别的孔隙是影响疲劳强度的主要原因,其中残余应力对疲劳裂纹增长的影响尤为显著。研究人员通过激光交替扫描策略制备出TC4合金试样,揭示SLM成形TC4合金过程中的裂纹主要为冷裂纹，含有典型的穿晶断裂特征。这是由于SLM成形过程中激光熔化金属粉末产生高温梯度，导致零件内部存在较高的残余应力，同时抗裂强度低的马氏体组织在残余应力的作用下产生裂纹，大的裂纹最终分解为较小的裂纹而终止扩展。

        开发新型钛基合金是钛合金SLM应用研究的主要方向。由于钛以及钛合金的应变硬化指数低(近似为0.15)，塑性剪切变形能力和耐磨性差，因而其制件在高温和腐蚀磨损条件下的使用受到限制。铼(Re)的熔点很高，一般用于超高温和强热振工作环境，某国Ultramet公司采用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)制备的铼基复合喷管已经成功应用于航空发动机燃烧室，工作温度可达2200°C。因此，铼钛合金的制备在航空航天、核能源和电子领域具有重大意义。镍具有磁性和良好的可塑性，因此镍钛合金是常用的一种形状记忆合金。镍钛合金具有伪弹性、高弹性模量、阻尼特性、生物相容性和耐蚀性等性能。另外，对钛合金多孔结构人造骨的研究日益增多,日本京都大学通过3D打印技术给4位颈椎间盘突出患者制作出不同的人造骨并成功移植，所采用人造骨材料即为镍钛合金。

2. 铝合金

        铝合金具有优良的物理性能、化学和力学性能，在许多领域获得了广泛的应用，但是铝合金自身的特性（易氧化、高反射性和导热性等）增加了SLM制造的难度。目前SLM成形用铝合金存在易氧化、制件有残余力、孔隙缺陷及制件致密度不足等问题，这些问题主要可通过采用严格的保护气氛、增加激光功率（最小为180W）、降低扫描速度等来改善。目前SLM成形用铝合金材料主要为AI-Si-Mg系合金。研究人员对两种不同的AISi10Mg粉末进行了SLM试验。研究发现，通过不断优化工艺参数，可获得99%的致密度和表面粗糙度Ra约为20μm的SLM成形制件。经分析得出，粉末形状、颗粒直径及化学成分是影响成形质量的主要因素。研究人员对SLM成形铝合金过程中氧化铝薄膜的产生机理进行了分析，得到了氧化铝薄膜对熔池与熔池层间润湿特性的影响规律。主流观点认为SLM成形铝合金制件过程中产生的结晶球化现象是铝合金对光的反射性较强造成的。

3. 不锈钢

        不锈钢具有耐化学腐蚀耐高温和力学性能良好等特性，其粉末成形性好、制备工艺简单且成本低廉，是最早应用于3D金属打印的材料。如华中科技大学、南京航空航天大学、华南理工大学等院校在不锈钢3D打印方面研究比较深人。现研究主要集中在降低孔隙率、增加强度以及熔化过程中金属粉末球化的机制等方面。李瑞迪等人采用不同的工艺参数，用304L不锈钢粉末进行了SLM成形试验,得出304L不锈钢致密度经验公式，总结出晶粒生长机制。潘琰峰分析和探讨了316L不锈钢成形过程中球化产生机理和影响球化的因素，认为在激光功率和粉末层厚一定时,提高扫描速度可减轻球化现象，而当扫描速度和粉末层厚固定时，随着激光功率的增大，球化现象将加重。姜炜采用一系列的不锈钢(主要为316L不锈钢)粉末，分别研究了粉末特性和工艺参数对SLM成形质量的影响，结果表明，粉末材料的特殊性能和工艺参数对SLM成形的影响主要表现在对SLM成形过程中熔池质量的影响上，工艺参数(激光功率、扫描速度)主要影响熔池的深度和宽度，从而影响SLM成形制件的质量。

4. 高温合金

        高温合金是指铁、镍、钴为基，在600°C以上的高温及一定应力环境下长期工作的一类金属材料，其具有较高的高温强度、良好的耐热腐蚀和抗氧化性能，以及良好的塑性和韧性。高温合金按合金基体种类大致可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金三类。高温合金主要用于功性能发动机，比如现代先进的航空发动机，高温合金材料的使用量占发动机总质量的40%--60%。现代高性能航空发动机的发展对高温合金的使用温度和性能要求越来越高。传统的铸锭冶金工艺冷却速度慢，铸锭中某些元素和第二偏析严重，加工性能差，组织不均匀，性能不稳定。3D打印成为解决高温合金成型中技术瓶颈的新方法。Inconel 718合金是镍基高温合金中应用最早的一种，也是目前航空发动机运用最多的一种合金。

5. 钴铬合金

       钴铬合金是指以钴和铬为主要成分的高温合金，它的耐蚀性和力学性能都非常优异,用其制作的零件强度高、耐高温，且有优异的生物相容性，最早用于制作人体关节,现在已广泛应用到口腔领域。由于其不含对人体有害的镍元素与铍元素，3D打印个性化定制的钴铬合金烤瓷牙已成为非贵金属烤瓷牙的首选。利用传统铸造工艺生产的钴铬合金产品收缩率大，与初始模型相比误差较大，而采用3D打印技术制造的钴铬合金零部件强度高、尺寸精确，能制作的最小尺寸可达1mm，故其零部件力学性能比锻造工艺制成的产品好很多。铸造的钴铬合金假体可以作为金属球头与超高分子量聚乙烯进行配副，制成人工髋关节假体等，也可以独自成形为金属植入体。按照ASTMF75标准的要求，铸造钴铬合金已经广泛用于义齿、血管支架植人体等的制造。其弹性模量不随抗拉强度的变化而变化，是医用钛合金材料的两倍，是皮质骨的数倍。研究人员发现SLM成形的钴铬合金烤瓷牙比铸造成形的具有更高的硬度，通过脱氧和搪瓷烧制过程，合金与搪瓷实现完美结合，烤瓷牙释放的钴铬离子含量符合ISO安全标准。

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       金属3D打印技术已经取得了较好的效果，材料的瓶颈势必会影响3D打印技术的发展，3D打印技术对材料提出了更高的要求。现在适用于工业用3D打印的金属材料种类繁多，只是只有专用粉末材料才能满足工业生产需求。