解析：3D打印材料及其应用概述(3)
3、3D打印用金属材料
根据2018 年的Wohlers Report 报道，金属增材制造产业有了明显发展。文中指出，2017 年售出1768 套金属3D 打印设备，相比2016 年的983 套增长了将近80%。作为3D打印中非常重要的材料，金属材料在汽车、模具、能源、航空航天、生物医疗等行业中都有广阔的应用前景。
3D 打印金属材料主要有粉末形式和丝材形式。粉末材料是最常用的材料，可用于激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）、激光近净成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）、电子束选区熔化（Electron Beam Melting，EBM）等多种3D打印工艺；丝材则适合于电弧增材制造（Wire and Arc Additive Manufacture，WAAM）等工艺。
为了满足3D 打印的工艺需求，金属粉末必须满足一定的要求。粉末的流动性是粉末的重要特性之一，所有使用金属粉末作为耗材的3D打印工艺在制造过程中均涉及粉末的流动，金属粉末的流动性直接影响到SLM、EBM 中的铺粉均匀性和LENS 中的送粉稳定性，若流动性太差会造成打印精度降低甚至打印失败。粉末的流动性受粉末粒径、粒径分布、粉末形状、所吸收的水分等多方面的影响，一般为了保证粉末的流动性，要求粉末是球形或近球形，粒径在十几微米到一百微米之间，过小的粒径容易造成粉体的团聚，而过大的粒径会导致打印精度的降低。此外，为了获得更致密的零件，一般希望粉体的松装密度越高越好，采用级配粉末比采用单一粒径分布的粉末更容易获得高的松装密度。目前3D打印所使用的金属粉末的制备方法主要是雾化法。雾化法主要包括水雾化法和气雾化法两种，气雾化制备的粉末相比于水雾化粉末纯度高、氧含量低、粉末粒度可控、生产成本低以及球形度高，是高性能及特种合金粉末制备技术的主要发展方向。
3D 打印所使用的金属丝材与传统的焊丝相同，理论上凡能在工艺条件下熔化的金属都可作为3D 打印的材料。丝材制造的工艺很成熟，材料成本相比粉材要低很多。
按照材料种类划分，3D打印金属材料可以分为铁基合金、钛及钛基合金、镍基合金、钴铬合金、铝合金、铜合金及贵金属等。
铁基合金是3D 打印金属材料中研究较早、较深入的一类合金，较常用的铁基合金有工具钢、316L 不锈钢、M2 高速钢、H13 模具钢和15-5PH 马氏体时效钢等。铁基合金使用成本较低、硬度高、韧性好，同时具有良好的机械加工性，特别适合于模具制造。3D打印随形水道模具是铁基合金的一大应用，传统工艺异形水道难以加工，而3D打印可以控制冷却流道的布置与型腔的几何形状基本一致（图2），能提升温度场的均匀性，有效降低产品缺陷并提高模具寿命。
图2 模具随型冷却流道示意图
钛及钛合金以其显著的比强度高、耐热性好、耐腐蚀、生物相容性好等特点，成为医疗器械、化工设备、航空航天及运动器材等领域的理想材料。然而钛合金属于典型的难加工材料，加工时应力大、温度高，刀具磨损严重，限制了钛合金的广泛应用。而3D打印技术特别适合钛及钛合金的制造，一是3D打印时处于保护气氛环境中，钛不易与氧、氮等元素发生反应，微区局部的快速加热冷却也限制了合金元素的挥发；二是无需切削加工便能制造复杂的形状，且基于粉材或丝材材料利用率高，不会造成原材料的浪费，大大降低了制造成本。目前3D打印钛及钛合金的种类有纯Ti、Ti6A14V（TC4）和Ti6A17Nb，可广泛应用于航空航天零件（图3）及人工植入体（如骨骼，牙齿等）。
图3 3D打印的C919 中央翼缘条
镍基合金是一类发展最快、应用最广的高温合金，其在650～1000°C 高温下有较高的强度和一定的抗氧化腐蚀能力，广泛用于航空航天、石油化工、船舶、能源等领域。例如，镍基高温合金可以用在航空发动机的涡轮叶片与涡轮盘。常用的3D打印镍基合金牌号有Inconel 625、Inconel718及Inconel 939等。
钴基合金也可作为高温合金使用，但因资源缺乏，发展受限。由于钴基合金具有比钛合金更良好的生物相容性，目前多作为医用材料使用，用于牙科植入体和骨科植入体的制造。目前常用的3D 打印钴基合金牌号有Co 212、Co 452、Co 502和CoCr28Mo6等。
铝合金密度低，耐腐蚀性能好，抗疲劳性能较高， 且具有较高的比强度、比刚度， 是一类理想的轻量化材料。3D 打印中使用的铝合金为铸造铝合金， 常用牌号有AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi9Cu3 等。韩国通信卫星Koreasat-5A及Koreasat-7 使用了SLM制造的AlSi7Mg轻量化部件（图4），不仅由原来的多个零件合成一个整体制造，零件重量比原设计降低22%，制造成本降低30%，生产周期缩短1—2个月。
图4 通讯卫星上使用的3D打印轻量化构件
其他金属材料如铜合金、镁合金、贵金属等需求量不及以上介绍的几种金属材料，但也有其相应的应用前景。铜合金的导热性能良好，可以制造模具的镶块或火箭发动机燃烧室。NASA采用3D打印技术制造了由GRCop-84 铜合金内壁和镍合金外壁构成的燃烧室，内壁采用SLM工艺制造，再以电子束熔丝沉积完成外壁的制造。该燃烧室经过全功率点火测试后，仍然保持良好的形状，证明了3D打印工艺在节约大量时间和工艺成本的基础上，取得了与传统工艺同样的效果。镁合金是目前实际应用中最轻的金属，且具有良好的生物相容性和可降解性，其杨氏模量与人体骨骼也最为接近，可作为轻量化材料或植入物材料。但目前镁合金3D打印工艺尚不成熟，没有进行大范围的推广。贵金属如金、银、铂等多应用于珠宝首饰等奢侈品的定制，应用范围比较有限。
形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）是一类形状记忆材料，具有在受到某些刺激（如热、机械或磁性变化）时“记忆”或保留先前形状的能力。SMA在机器人、汽车、航空航天、生物医疗等领域有着广阔的应用前景。NiTi 合金是目前发展比较成熟的SMA，但NiTi 合金是难加工材料。将3D 打印技术应用于SMA 零件的制造，不仅有望解决SMA的加工难题，还能实现传统工艺无法实现的复杂点阵结构的制造。近年来有不少学者对NiTi 合金的SLM工艺进行了探索并取得了一定的成果。目前，SLM打印的NiTi 合金零件已经显示出良好的形状记忆效应，在8 次压缩循环后具有约5％的可恢复应变。此外，SLM成形的NiTi 样品的形状记忆行为与时效工艺高度相关，经350°C—18 h 时效的样品展现出了几乎完美的超弹性。
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