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金属/合金3D打印的材料应

点击次数:3 更新时间:2021-07-19

金属3D打印具有极好的发展前景,这项技术主要用于科研、模型开发和航空工业等行业,比如波音公司通过3D打印技术制造了F-15的塔肋。此外,还可以用于生物制药、国防、自动化工业等行业。

金属3D打印的流程主要包括(1)建立3D模型;(2)打印参数选择;(3)将金属原料熔化,一般使用激光或电子束作为能源;(4)熔化的材料一层一层堆叠形成固体物件;(5)后处理。

最常用的金属打印技术有最常用的技术有粉末床熔合(PBF)和直接能量沉积,最近还有其他一些可以达到更高的精度或速度技术涌现,比如粘结剂喷射、冷喷涂、摩擦搅拌焊接和直接金属写入等。相比传统制造工艺,金属3D打印在制造复杂几何结构时更加得心应手,特别是在开发多功能组件时,只要同时提供结构、防护工程和绝缘问题的方案,就可以将其制造出来。

许多金属材料,如钛及其合金、不锈钢和工具钢、一些铝合金和镍基合金都可以通过3D打印技术来制造,如采用PBF技术。PBF技术能制造出机械性能良好、具有复杂形状的零件,精度高达±0.02mm。然而,这些技术生产相当缓慢,因此主要用于小零件的制造。目前,有些课题组也对不同激光器的使用进行研究,如飞秒激光器。这些超快激光可用于具有较高的熔体温度(>3000°C)和高导热性(>100W/mK)的合金和金属的熔融。

钛及其合金具有优良性能,常用于各种工业生产。Ti和Ti6Al4V目前正在用于航空航天和生物医学领域。通过传统制造工艺生产,加工成本高,交货期长,而3D打印技术的优势在于以较低的成本生产非常复杂的结构。奥氏体不锈钢、马氏体时效钢、沉淀硬化不锈钢和工具钢等钢铁材料常用于3D打印。这些合金可用于一般应用,也可用于高强度和硬度条件,如工具或模具生产。目前只有少量铝合金被用于3D打印,目前,最常用的合金是AlSi10 Mg和AlSi12。商业上的铝制品基本不需要用到3D打印技术,主要原因如下:与钛合金相比,它们易于加工、成本低;一些高性能铝合金由于含有高挥发性的元素,且铝本身对常用于3D打印的激光波长有很高的反射率,因此很难焊接;熔融铝的粘度较低,不适用于大熔池。从积极的方面来看,铝有很高的热导率,可以降低内部热应力,适用于更快3D打印过程。镍基合金,如铬镍铁合金被用于高温条件,而钴铬合金已被研究用于生物医学和牙科。

一般来说,通过3D打印制造的致密金属零件具有更好的质量。孔隙和微观结构是影响其产品质量的关键因素,因此有必要控制孔隙度和微观结构。孔隙的形成是导致裂纹扩展的主要因素,可通过改变施加的能量和原料的质量来控制,原料的质量可以通过使用更致密的粉体床来提高,和使用更小、更规则的球形颗粒改善流动性和均匀性。低能量导致材料形成不规则形状的空洞,而过量的能量会产生球形孔,因此,能量的调节十分关键。通常3D打印制造的金属部件比传统制造的零件具有更精细的微观结构。然而,它们的微观结构具有各向异性,由构筑方向决定。表面粗糙度和材料缺陷对3D打印金属部件的断裂力学行为和疲劳强度具有重要影响。增加表面粗糙度会导致材料应力集中和疲劳过度,加速结构坍塌。此外,内部材料缺陷和层间粘度不足也会降低3D打印金属部件的抗疲劳性能。

后处理可以降低残余物的孔隙度,改变微观结构,消除表面粗糙度。如等静高压、高温以及热处理,可以消除残余气孔,提高塑性和抗疲劳性能;抛光或表面化学蚀刻也可以改善材料的抗疲劳性能。

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