3D打印金屬材料研究進展

鄭　增, 王聯鳳, 嚴　彪

(1.同濟大學材料科學與工程學院, 上海　201804; 2.上海市金屬功能材料應用開發

重點實驗室, 上海　201804; 3.上海航天設備制造總廠, 上海　200245)

?

3D打印金屬材料研究進展

鄭增1,2, 王聯鳳1,3, 嚴彪1,2

(1.同濟大學材料科學與工程學院, 上海201804; 2.上海市金屬功能材料應用開發

重點實驗室, 上海201804; 3.上海航天設備制造總廠, 上海200245)

摘要：3D打印技術是快速原型制造技術的一種,也被稱為增材制造技術,被譽為“第三次工業革命”的核心技術,其中金屬3D打印被認為是將來制造業的主導方向.金屬粉末材料是金屬打印的物質基礎,同時也是3D打印技術發展的突破點.綜述了3D打印金屬粉體材料的研究現狀,重點介紹了鈦合金、鋁合金、不銹鋼、高溫合金和鎂合金等5種金屬粉體材料在3D打印技術中的應用,并對金屬粉體材料的運用進行總結和展望.

關鍵詞：3D打印; 增材制造; 金屬粉體材料

3D打印,即快速原型制造技術的一種,它是通過三維建模軟件對零部件形狀進行建模,再通過軟件對三維模型進行切片,最終計算機輸出數字信號控制專用3D打印機進行打印得到最終產品.近幾年,隨著3D打印技術的快速發展,它在航空航天、汽車、生物醫藥和建筑等領域的應用范圍逐步拓寬,其方便快捷、材料利用率高等優勢不斷顯現.目前金屬3D打印技術主要有選擇性激光燒結(SLS)[1]、電子束熔融(EBM)[2]、選擇性激光熔化(SLM)[3]和激光近凈成形(LENS)[4].其中選擇性激光熔化為研究的熱點,其使用高能激光源,可以熔融多種金屬粉末.本文綜述了常見的金屬粉體材料以及其3D打印研究現狀,并對金屬粉體材料的運用進行展望.

1鈦合金

鈦合金具有耐高溫、高耐腐蝕性、高強度、低密度以及生物相容性等優點,在航空航天、化工、核工業、運動器材及醫療器械等領域得到了廣泛的應用[5-7].傳統鍛造和鑄造技術制備的鈦合金件已被廣泛地應用在高新技術領域,如美國F14、F15、F117、B2和F22軍機的用鈦比例分別為:24%,27%,25%,26%和42%,一架波音747飛機用鈦量達到42.7 t.但是傳統鍛造和鑄造方法生產大型鈦合金零件,由于產品成本高、工藝復雜、材料利用率低以及后續加工困難等不利因素,阻礙了其更為廣泛的應用[8].而金屬3D打印技術可以從根本上解決這些問題,因此該技術近年來成為一種直接制造鈦合金零件的新型技術.

TiAl6V4(TC4)是最早使用于SLM工業生產的一種合金,現在對其研究主要集中于揭示疲勞性能和裂紋生長行為與微觀組織之間的關系.Leuders等[9]認為必須在循環載荷作用下研究TC4合金SLM件的微觀結構與組織缺陷之間的關系,采用機械測試、熱等靜壓等方法,通過電子顯微鏡和計算機斷層掃描觀察到微米級別的孔隙是影響疲勞強度的主要原因,其中殘余應力對疲勞裂紋增長的影響尤為顯著.張升等[10]通過激光交替掃描策略制備出TC4合金試樣,發現SLM成形TC4合金過程中的裂紋主要為冷裂紋,具有典型的穿晶斷裂特征.這是由于SLM成形過程中激光熔化金屬粉末產生高溫梯度導致零件內部存在較高的殘余應力,同時抗裂強度低的馬氏體組織在殘余應力的作用下產生裂紋,粗大的裂紋最終分解為較小的裂紋而終止擴展.

開發新型鈦基合金是鈦合金SLM應用研究的主要方向.由于鈦以及鈦合金的應變硬化指數低(近似為0.15),抗塑性剪切變形能力和耐磨性差,因而限制了其制件在高溫和腐蝕磨損條件下的使用.然而錸(Re)的熔點很高,一般用于超高溫和強熱震工作環境,如美國Ultramet公司采用金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)制備Re基復合噴管已經成功應用于航空發動機燃燒室,工作溫度可達2 200 ℃.因此,Re-Ti合金的制備在航空航天、核能源和電子領域具有重大意義[11-13].Ni具有磁性和良好的可塑性,因此Ni-Ti合金是常用的一種形狀記憶合金.Ni-Ti合金具有偽彈性、高彈性模量、阻尼特性、生物相容性和耐腐蝕性等性能[14-18].另外鈦合金多孔結構人造骨的研究日益增多[19],日本京都大學通過3D打印技術給4位頸椎間盤突出患者制作出不同的人造骨并成功移植,該人造骨即為Ni-Ti合金.

2鋁合金

鋁合金具有優良的物理、化學和力學性能,在許多領域獲得了廣泛的應用,但是鋁合金自身的特性(如易氧化、高反射性和導熱性等)增加了選擇性激光熔化制造的難度.目前SLM成形鋁合金中存在氧化、殘余應力、孔隙缺陷及致密度等問題,這些問題主要通過嚴格的保護氣氛,增加激光功率(最小為150 W),降低掃面速度等來改善[20-21].

目前SLM成形鋁合金材料主要集中在Al-Si-Mg系合金.Kempen等[22]對兩種不同的AlSi10Mg粉末進行了SLM成形試驗.研究發現,不斷優化工藝參數,可獲得99%致密度和約20 μm表面粗糙度的成形性能.分析得出,粉末形狀、粒徑及化學成分是影響成形質量的主要原因.Buch等[23]研究獲得了致密度達99.5%、抗拉強度達400 MPa的鋁合金試樣.Louvis等[21]對SLM成形鋁合金過程中氧化鋁薄膜產生的機理進行了分析,得到了氧化鋁薄膜對熔池與熔池層間潤濕特性的影響規律.趙官源等[24]認為SLM制造鋁合金產生的結晶球化現象是因為鋁合金對光的反射性較強造成的.

3不銹鋼

不銹鋼具有耐化學腐蝕、耐高溫和力學性能良好等特性,由于其粉末成型性好、制備工藝簡單且成本低廉,是最早應用于3D金屬打印的材料.如華中科技大學、南京航空航天大學、中北大學等院校在金屬3D打印方面研究比較深入.現研究主要集中在降低孔隙率、增加強度以及對熔化過程的金屬粉末球化機制等方面.

李瑞迪等[25]采用不同的工藝參數,對304L不銹鋼粉末進行了SLM成形試驗,得出304L不銹鋼致密度經驗公式,并總結出晶粒生長機制.潘琰峰[26]分析和探討了316L不銹鋼成形過程中球化產生機理和影響球化的因素,認為在激光功率和粉末層厚一定時,適當增大掃描速度可減小球化現象,在掃描速度和粉末層厚固定時,隨著激光功率的增大,球化現象加重.Ma等[27]通過對1Cr18Ni9Ti不銹鋼粉末進行激光熔化,發現粉末層厚從60 μm增加到150 μm時,枝晶間距從0.5 μm增加到1.5 μm,最后穩定在2.0 μm左右,試樣的硬度依賴于熔化區域各向異性的微結構和晶粒大小.姜煒[28]采用一系列的不銹鋼粉末(主要為316L不銹鋼),分別研究粉末特性和工藝參數對SLM成形質量的影響,結果表明,粉末材料的特殊性能和工藝參數對SLM成形影響的機理主要是在于對選擇性激光成形過程當中熔池質量的影響,工藝參數(激光功率、掃描速度)主要影響熔池的深度和寬度,從而決定SLM成形件的質量.

4高溫合金

高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基,能在600 ℃以上的高溫及一定應力環境下長期工作的一類金屬材料.其具有較高的高溫強度、良好的抗熱腐蝕和抗氧化性能以及良好的塑性和韌性.目前按合金基體種類大致可分為鐵基、鎳基和鈷基合金3類[29].高溫合金主要用于高性能發動機,在現代先進的航空發動機中,高溫合金材料的使用量占發動機總質量的40%～60%.現代高性能航空發動機的發展對高溫合金的使用溫度和性能的要求越來越高.傳統的鑄錠冶金工藝冷卻速度慢,鑄錠中某些元素和第二相偏析嚴重,熱加工性能差,組織不均勻,性能不穩定[30].而3D打印技術在高溫合金成形中成為解決技術瓶頸的新方法.美國航空航天局聲稱,在2014年8月22日進行的高溫點火試驗中,通過3D打印技術制造的火箭發動機噴嘴產生了創紀錄的9 t推力.

Inconel 718合金是鎳基高溫合金中應用最早的一種,也是目前航空發動機使用量最多的一種合金.張穎等[31]通過研究Inconel 718合金SLM激光工藝參數,發現隨著激光能量密度的增加,試樣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過程,在優化工藝參數的前提下,可獲得致密度達100%的試樣.鈷鉻合金具有良好的生物相容性,安全可靠且價格便宜,已廣泛應用于牙科領域.鈷鉻合金不含對人體有害的鎳、鈹元素,由其制備而成的烤瓷牙已成為非貴金屬烤瓷牙的首選.SLM制作合金烤瓷牙真正能夠做到“私人訂制”.Zhang等[32]發現通過SLM成形的鈷鉻合金烤瓷牙比鑄造成形具有更高的硬度,經過脫氧和搪瓷燒制過程,合金與搪瓷實現完美結合,其釋放鈷鉻離子含量符合ISO安全標準.

5鎂合金

鎂合金作為最輕的結構合金,由于其特殊的高強度和阻尼性能,在諸多應用領域鎂合金具有替代鋼和鋁合金的可能.例如鎂合金在汽車以及航空器組件方面的輕量化應用,可降低燃料使用量和廢氣排放.鎂合金具有原位降解性并且其楊氏模量低,強度接近人骨,優異的生物相容性,在外科植入方面比傳統合金更有應用前景[33-34].

Wei等[35]通過不同功率的激光熔化AZ91D金屬粉末,發現能量密度在83～167 J/mm3之間能夠獲得無明顯宏觀缺陷的制件.在層狀結構中,離異共晶β-Mg17Al12沿著等軸晶α-Mg基體晶界分布,掃描路徑重合區域的α-Mg平均晶粒尺寸比掃描路徑中心區域的要大.由于固溶強化和晶粒細化,SLM成形鎂合金相比鑄造成形具有更高的強度和硬度.NgCC[36]在氬氣保護氣氛中使用Nd:YAG激光熔化純鎂粉,隨著激光能力密度的減小,試樣的晶粒尺寸發生粗化,試樣硬度隨著激光密度的增加發生顯著降低,硬度范圍為0.59～0.95 GPa,相應的彈性模量為27～33 GPa.如何降低氧化和熱影響區的影響,提高制件質量,需要進一步優化工藝參數,如通過鎂以及鎂合金不同粒徑粉末的混合.

6總結與展望

3D打印技術自20世紀90年代出現以來,從一開始高分子材料的打印逐漸聚焦到金屬粉末的打印,一大批新技術、新設備和新材料被開發應用.當前,信息技術創新步伐不斷推進,工業生產正步入智能化、數字化的新階段.2014年德國提出“工業4.0”發展計劃,勢必引起工業領域顛覆性的改變與創新,而3D打印技術將是工業智能化發展的強大推力.金屬粉末3D打印技術目前已取得了一定成果,但材料瓶頸勢必影響3D打印技術的推廣,3D打印技術對材料提出了更高的要求.現適用于工業用3D打印的金屬材料種類繁多,但是只有專用的粉末材料才能滿足工業生產要求.3D打印金屬材料的發展方向主要有3個方面:一是如何在現有使用材料的基礎上加強材料結構和屬性之間的關系研究,根據材料的性質進一步優化工藝參數,增加打印速度,降低孔隙率和氧含量,改善表面質量;二是研發新材料使其適用于3D打印,如開發耐腐蝕、耐高溫和綜合力學性能優異的新材料;三是修訂并完善3D打印粉體材料技術標準體系,實現金屬材料打印技術標準的制度化和常態化.

參考文獻:

[1]史玉升,劉錦輝,閆春澤,等.粉末材料選擇性激光快速成形技術及應用[M].北京:科學出版社,2012.

[2]劉海濤,趙萬華,唐一平.電子束熔融直接金屬成型工藝的研究[J].西安交通大學學報,2007,41(11):1307-1310.

[3]陳光霞,曾曉雁,王澤敏,等.選擇性激光熔化快速成型工藝研究[J].機床與液壓,2010,38(1):1-3.

[4]費群星,張雁,譚永生,等.激光近凈成形Ni-Cu-Sn合金[J].稀有金屬材料與工程,2007,36(11):2052-2056.

[5]陳靜,楊海歐,湯慧萍,等.成形氣氛中氧含量對TC4鈦合金激光快速成形工藝的影響[J].稀有金屬快報,2004,23(3):23-26.

[6]宋建麗,李永堂,鄧琦林,等.激光熔覆成形技術的研究進展[J].機械工程學報,2010,46(14):29-39.

[7]左鐵釧,陳虹.21世紀的綠色制造——激光制造技術及應用[J].機械工程學報,2009,45(10):106-110.

[8]趙瑤,賀躍輝,江垚.粉末冶金Ti6Al4V合金的研制進展[J].粉末冶金材料科學與工程,2008,13(2):70-78.

[9]Leuders S,Th?ne M,Riemer A,etal.On the mechanical behaviour of titanium alloy TiAl6V4 manufactured by selective laser melting:fatigue resistance and crack growth performance[J].International Journal of Fatigue,2013,48:300-307.

[10]張升,桂睿智,魏青松,等.選擇性激光熔化成形TC4鈦合金開裂行為及其機理研究[J].機械工程學報,2013,49(23):21-27.

[11]Serp S,Feurer R,Kalck P,etal.A new OMCVD iridium precursor for thin film deposition[J].Chemical Vapor Deposition,2001,7(2):59-62.

[12]魏朋義,鐘振剛,桂鐘樓,等.合金成分對含錸鎳基單晶合金高溫持久及斷裂性能的影響[J].材料工程,1999(4):3-6.

[13]Chlebus E,Kuz′nicka B,Dziedzic R,etal.Titanium alloyed with rhenium by selective laser melting[J].Materials Science and Engineering:A,2015,620:155-163.

[14]Bansiddhi A,Sargeant T D,Stupp S I,etal.Porous NiTi for bone implants:a review[J].Acta Biomaterialia,2008,4(4):773-782.

[15]Liu X M,Wu S L,Yeung K W K,etal.Relationship between osseointegration and superelastic biomechanics in porous NiTi scaffolds[J].Biomaterials,2011,32(2):330-338.

[16]Liu Y,Van H J.On the damping behaviour of NiTi shape memory alloy[J].Journal de Physique IV,1997,7(5):519- 524.

[17]Es-Souni M,Fischer-Brandies H.Assessing the biocompatibility of NiTi shape memory alloys used for medical applications[J].Analytical and Bioanalytical Chemistry,2005,381(3):557-567.

[18]Bormann T,Müller B,Schinhammer M,etal.Microstructure of selective laser melted nickel-titanium[J].Materials Characterization,2014,94:189-202.

[19]Mullen L,Stamp R C,Brooks W K,etal.Selective laser melting:a regular unit cell approach for the manufacture of porous,titanium,bone in-growth constructs,suitable for orthopedic applications[J].Journal of Biomedical Materials ResearchPart B:Applied Biomaterials,2009,89B(2),325-334.

[20]張曉麗,齊歡,魏青松.鋁合金粉末選擇性激光熔化成形工藝優化試驗研究[J].應用激光,2013,33(4):391-397.

[21]Louvis E,Fox P,Sutcliffe C J.Selective laser melting of aluminium components[J].Journal of Materials Processing Technology,2011,211(2):275-284.

[22]Kempen K,Thijs L,Yasa E,etal.Process optimization and microstructural analysis for selective laser melting of AlSi10Mg[J].Physics Procedia,2011,22:484-495.

[23]Buch B D,Schleifenbaum H,Heidrich S,etal.High power selective laser melting(HP SLM) of aluminum parts[J].Physics Procedia,2011,12A:271-278.

[24]趙官源,王東東,白培康,等.鋁合金激光快速成型技術研究進展[J].熱加工工藝,2010,39(9):170-173.

[25]李瑞迪,史玉升,劉錦輝,等.304L不銹鋼粉末選擇性激光熔化成形的致密化與組織[J].應用激光,2009,29(5):369-373.

[26]潘琰峰.316不銹鋼金屬粉末的選擇性激光燒結成形研究[D].南京:南京航空航天大學,2005.

[27]Ma M M,Wang Z M,Gao M,etal.Layer thickness dependence of performance in high-power selective laser melting of 1Cr18Ni9Ti stainless steel[J].Journal of Materials Processing Technology,2015,215:142-150.

[28]姜煒.不銹鋼選擇性激光熔化成形質量影響因素研究[D].武漢:華中科技大學,2009.

[29]黃乾堯,李漢康.高溫合金[M].北京:冶金工業出版社,2002.

[30]張義文,楊士仲,李力,等.我國粉末高溫合金的研究現狀[J].材料導報,2002,16(5):1-4.

[31]張穎,顧冬冬,沈理達,等.INCONEL系鎳基高溫合金選區激光熔化增材制造工藝研究[J].電加工與模具,2014(4):38-43.

[32]Zhang B,Huang Q R,Gao Y,etal.Preliminary study on some properties of Co-Cr dental alloy formed by selective laser melting technique[J].Journal of Wuhan University of Technology-Materials Science Edition,2012,27(4):665-668.

[33]Froes F H,Eliezer D,Aghion E.The science,technology,and applications of magnesium[J].JOM:Journal of the Minerals,Metals & Materials Society,1998,50(9):30-34.

[34]Seal C K,Vince K,Hodgson M A.Biodegradable surgical implants based on magnesium alloys-a review of current research[J].Materials Science and Engineering,2009,4(1):012011.

[35]Wei K W,Gao M,Wang Z M,etal.Effect of energy input on formability,microstructure and mechanical properties of selective laser melted AZ91D magnesium alloy[J].Materials Science and Engineering A,2014,611:212-222.

[36]Ng C C,Savalani M M,Lau M L,etal.Microstructure and mechanical properties of selective laser melted magnesium[J].Applied Surface Science,2011,257(17):7447-7454.

Research Progress of Metal Materials for 3D Printing

ZHENG Zeng1,2, WANG Lianfeng1,3, YAN Biao1,2

(1.School of Materials Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China;2.Shanghai Key Lab of D & A for Metal-Functional Materials, Shanghai 201804, China;3.Shanghai Aerospace Equipment Manufacturer, Shanghai 200245, China)

Abstract：3D printing is a kind of rapid prototyping technology,which is also known as additive manufacturing technology and hailed as the core technology of the third industrial revolution.3D metal printing is considered to be the dominant direction of manufacturing in the future.Metal powder material is the material basis of metal printing and the breakthrough of the development of 3D printing.The paper summarizes the research status of metal powder materials for 3D printing,focuses on the application of 5 kinds of metal powder materials,such as Ti alloy,Al alloy,stainless steel,superalloy and Mg alloy in 3D printing and make the summary and prospects on their application.

Keywords：3D printing; additive manufacturing; metal powder materials

中圖分類號：TP 334.8

文獻標志碼：A

作者簡介：鄭增(1990—),男,碩士研究生,主要從事金屬粉體材料激光熔化等方面的研究. E-mail: zhengzeng0304@163.com通訊作者： 嚴彪(1961—),男,教授,博士生導師,主要從事金屬材料表面處理等方面的研究. E-mail: 84016@tongji.edu.cn

收稿日期：2015-01-05