3D打印主要技術(shù)

圖 SLM技術(shù)原理圖

 

圖 EBM設(shè)備示意圖

圖 LDMD技術(shù)原理圖

3D打印設(shè)備及應(yīng)用狀況

目前,，增材制造設(shè)備較有名的公司主要有Zcorporation、3D system等,，其中,，3D system的實(shí)力最強(qiáng)，代表了當(dāng)前增材制造技術(shù)水平和未來發(fā)展趨勢,，能夠?yàn)椴煌枨蟮目蛻籼峁┐蛴∠到y(tǒng),。

在工業(yè)產(chǎn)品解決方案中，3D system的SLM技術(shù)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(yè)化服務(wù)。GE航空集團(tuán)采用激光選區(qū)熔化技術(shù)為LEAP噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)制造燃油噴嘴,，目前已經(jīng)接受了超過4000臺(tái)LEAP噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的訂單,，其中有相當(dāng)多零部件需要通過3D打印制造（見下圖）。

圖 DMP Flex350金屬打印機(jī)

圖 通過激光選區(qū)熔化零件

3D打印合金種類

鈦合金是增材制造技術(shù)廣泛研究的金屬材料之一,，具有高強(qiáng)度和抗斷裂性,、優(yōu)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(yī)學(xué)等領(lǐng)域,。在許多高新技術(shù)領(lǐng)域,，由傳統(tǒng)技術(shù)制備的鈦合金部件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，如美軍戰(zhàn)斗機(jī),。由于高端領(lǐng)域的技術(shù)要求提高,，傳統(tǒng)的制造設(shè)備及工藝已不能滿足需要，限制了其應(yīng)用范圍,，而3D打印可以從源頭解決傳統(tǒng)工藝的不利影響,，成為制造鈦合金零件的新型技術(shù),。

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

鈦合金激光快速成形技術(shù)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(jié)構(gòu)件的“近凈成形制造,。下圖為鈦合金激光成形系統(tǒng)示意圖,。其具有加工周期短、制造成本低,、柔性高,、綜合性能優(yōu)異等特點(diǎn)，有望為航空航天領(lǐng)域的一些制造技術(shù)難題提供新的解決方案,。

圖 鈦合金激光快速成形系統(tǒng)示意圖

就激光選區(qū)熔化技術(shù)來說,，對(duì)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(xiàng)指標(biāo)會(huì)影響最終成形件性能,，如外觀質(zhì)量,、化學(xué)成分、粒度及粒度分布,、粒形,、流動(dòng)性、比表面,、松裝密度,、純凈度和空心粉含量等。

高品質(zhì)鈦合金粉末是粉末鈦合金增材制造技術(shù)的基礎(chǔ)。近年來,，國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)鈦合金粉末進(jìn)行了大量研究,。通過對(duì)比分析可見，國內(nèi)鈦合金粉末質(zhì)量和國外還存在一定差距,，具體表現(xiàn)如下：

在松裝密度方面，國內(nèi)外差距不是很大，國內(nèi)TC4鈦合金的松裝密度和松裝密度方差分別為2.33g/cm3和0.18,，而國外同類產(chǎn)品分別為2.55g/cm3和0.21,。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(jí)配有直接關(guān)系，在保證樣品粒徑分布滿足增材制造要求的前提下,，應(yīng)盡可能提高松裝密度,。

鈦合金粉末的流動(dòng)性是影響增材制件內(nèi)部質(zhì)量的重要因素,。國內(nèi)粉末的流動(dòng)性略低于國外粉末,，但差距不是很大，分別為35.1（s/50g）和26.8（s/50g）,。而在一致性方面,，國內(nèi)粉末明顯低于國外粉末，其方差分別為5.3和0.7,。流動(dòng)性和一致性較差的粉末容易出現(xiàn)鋪粉不均勻,，這是導(dǎo)致增材制件內(nèi)部和表面缺陷的直接原因。因此,，制備鈦合金粉末時(shí)應(yīng)嚴(yán)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(dòng)性,。

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

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(nèi)外鈦合金粉末沒有明顯差別,，國內(nèi)粉末的空心球率和方差分別為0.25和0.2，國外粉末分別為0.26和0.2,。但在異質(zhì)雜質(zhì)方面,，國內(nèi)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(jìn)行大量研究,，以降低粉末夾雜率,。

在微量元素控制方面，國內(nèi)外的差別不是很大,，均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,，如粉末中氧含量指標(biāo)均在1500ppm以下，氮含量指標(biāo)均在500ppm以下,。但國產(chǎn)粉末中的微量元素含量波動(dòng)較大,，一致性方面低于國外粉末。

最近的研究表明,，使用3D打印鈦合金可以制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu),，例如多孔結(jié)構(gòu)和晶格結(jié)構(gòu)（見下圖）,。與塊狀鈦相比,，3D打印制造的鈦合金多孔結(jié)構(gòu)和晶格結(jié)構(gòu)的機(jī)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(zhǔn)3D打印制造的鈦植入物,，鈦合金在3D打印的幫助下進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)修改可為醫(yī)療植入物帶來巨大發(fā)展,。

圖 使用SLM技術(shù)制造的多孔與晶格結(jié)構(gòu)

鋁合金雖然使用量很大，在硬度導(dǎo)電性及熱導(dǎo)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(shù)制造的鋁合金仍然受限。不過,，其在3D打印技術(shù)制造方面仍具有很高的研究價(jià)值與潛力,。目前，用于增材制造的常見鋁合金是共晶Al-Si和Al-Si-Mg合金（如Al12Si和AlSi10Mg）,。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(duì)激光的吸收率。

① 史淑文等采用SLM研究了Al12Si合金的力學(xué)性能,，得出合金在激光能量密度為200J/mm³時(shí)拉伸強(qiáng)度,、屈服強(qiáng)度及延伸率達(dá)到最大，且Si相析出和生長可以降低合金的硬度與強(qiáng)度,，但對(duì)韌性和阻尼系數(shù)有一定的提高,。

② Siddique等通過3D打印技術(shù)對(duì)Al12Si合金的研究得出，對(duì)合金裂紋的生長和疲勞行為的有效控制方法是對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱處理,。

③ Read等研究了SLM工藝對(duì)AlSi10Mg合金機(jī)械性能的影響,，經(jīng)SLM工藝優(yōu)化后AlSi10Mg合金可以抵抗400MPa的拉伸強(qiáng)度,，這是很少的采用較全面系統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行SLM工藝優(yōu)化的研究,。另一項(xiàng)研究表明，通過3D打印加工形成的細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)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,。

不銹鋼因其優(yōu)良的抗化學(xué)腐蝕、耐高溫和力學(xué)性能,，是最早應(yīng)用于3D打印的材料。奧氏體,、馬氏體等都已通過3D打印進(jìn)行了加工。與常規(guī)生產(chǎn)的鋼相比,，增材制造的鋼表現(xiàn)出不同的微觀結(jié)構(gòu)和析出相,，這也可能是導(dǎo)致其機(jī)械性能變化的原因,。通常對(duì)3D打印加工鋼進(jìn)行熱處理,，以獲得所需性能,。有研究表明，通過激光PBF技術(shù)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(tǒng)工藝制造的SS316L精細(xì)得多。還有研究表明,，奧氏體和鐵素體相均來源于經(jīng)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(dǎo)致Cr和Mo富集,，這兩者都是鐵素體相穩(wěn)定劑,。雖然在PBF SS316L中也發(fā)現(xiàn)了Cr和Mo的富集，但鐵素體相穩(wěn)定劑的量不足以穩(wěn)定鐵素體相區(qū),。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(guī)鍛造420不銹鋼件提高了30%,，目前市場上以2Cr13和17-4PH兩種材料為主,，德國EOS公司還特別研制了MS1和PH1等牌號(hào)合金供增材制造技術(shù)專用。

鎂合金作為最輕的結(jié)構(gòu)合金,，因其特殊的高強(qiáng)度和阻尼性能，非常有潛力在諸多應(yīng)用領(lǐng)域替代鋼和鋁合金,，如在航空領(lǐng)域,，部件輕量化可降低燃料使用量，以及優(yōu)秀的生物相容性較傳統(tǒng)合金更有應(yīng)用前景,。Wei等研究發(fā)現(xiàn),，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(xiàn)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(dú)立性,，室溫環(huán)境下的顯微硬度和抗拉強(qiáng)度優(yōu)于壓鑄樣品，細(xì)化和固溶強(qiáng)化是AZ91D的主要強(qiáng)化機(jī)制,。Ng等在高純氬氣環(huán)境下使用Nd:YAG激光熔化鎂粉的研究中發(fā)現(xiàn),，激光能量密度對(duì)樣品的硬度影響較大，并成反比關(guān)系,，因此就如何降低氧化和熱影響區(qū)對(duì)合金的影響,，提高制件質(zhì)量，需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù),。

高溫合金指可以持續(xù)承受一定應(yīng)力并在600℃以上的環(huán)境下長時(shí)間穩(wěn)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(fā)動(dòng)機(jī)等重要領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，合金用量比例非常高,，最高可達(dá)60%,。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域?qū)Σ牧系囊笤絹碓礁撸瑐鹘y(tǒng)的鑄錠冶金工藝已不能滿足,，而增材制造技術(shù)因其技術(shù)優(yōu)勢,，在高溫合金成形中成為解決技術(shù)瓶頸的新方法。張穎等通過對(duì)Inconel 718合金采用SLM工藝研究發(fā)現(xiàn),，合金的微觀組織經(jīng)歷了粗大柱狀晶,、聚集的枝晶、細(xì)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(guān),。