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3D打印金属质料切磋进展

发布时间:2018-12-07 01:06:01 文章来源:未来智讯    
    3D打印金属质料切磋进展作者: 郑增 王联凤 严彪   摘要: 3D打印技艺是急剧原型制造技艺的一种,也被称为增材制造技艺,被誉为“第三次工业革命”的焦点技艺,个中金属3D打印被以为是未来制造业的主导偏向.金属粉末质料是金属打印的精神根本,同时也是3D打印技艺成长的突破点.综述了3D打印金属粉体质料的切磋近况,重点先容了钛合金、铝合金、不锈钢、高温合金和镁合金等5种金属粉体质料在3D打印技艺中的应用,并对金属粉体质料的运用进行归纳和预测.
  关头词: 3D打印; 增材制造; 金属粉体质料
  中图分类号: TP 334.8文献标志码: A
  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 MetalFunctional 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
  3D打印,即急剧原型制造技艺的一种,它是议决三维建模软件对零部件形状进行建模,再议决软件对三维模子进行切片,最后谋略机输出数字旌旗灯号把握专用3D打印机进行打印获得最后产物.近几年,跟着3D打印技艺的急剧成长,它在航空航天、汽车、生物医药和修建等范畴的应用局限逐渐拓宽,其利便快捷、质料行使率高档上风不息展现.今朝金属3D打印技艺首要有选择性激光烧结(SLS)[1]、电子束熔融(EBM)[2]、选择性激光熔化(SLM)[3]和激光近净成形(LENS)[4].个中选择性激光熔化为切磋的热门,其使用高能激光源,能够熔融多种金属粉末.本文综述了多见的金属粉体质料以及其3D打印切磋近况,并对金属粉体质料的运用进行预测.
  1钛合金
  钛合金具有耐高温、高耐腐化性、高强度、低密度以及生物相容性等长处,在航空航天、化工、核工业、运动器材及医疗器械等范畴获得了普遍的应用[5-7].传统铸造和锻造技艺制备的钛合金件已被普遍地应用在高新技艺范畴,如美国F14、F15、F117、B2和F22军机的用钛比率离别为:24%,27%,25%,26%和42%,一架波音747飞机用钛量到达42.7 t.可是传统铸造和锻造要领出产大型钛合金零件,因为产物成本高、工艺纷乱、质料行使率低以及后续加工坚苦等倒霉因素,故障了其更为普遍的应用[8].而金属3D打印技艺能够从基础上解决这些问题,是以该技艺近年来成为一种直接制造钛合金零件的新式技艺.
  TiAl6V4(TC4)是最早使用于SLM工业出产的一种合金,如今对其切磋首要集结于揭示疲惫本能和裂纹生长行为与微观组织之间的关系.Leuders等[9]以为务必在轮回载荷作用下切磋TC4合金SLM件的微观布局与组织缺陷之间的关系,选取机器测试、热等静压等要领,议决电子显微镜和谋略机断层扫描窥察到微米级另外孔隙是影响疲惫强度的首要缘故,个中残存应力对疲惫裂纹增进的影响尤为显著.张升等[10]议决激光瓜代扫描策略制备出TC4合金试样,发现SLM成形TC4合金过程中的裂纹首要为冷裂纹,具有典型的穿晶断裂特性.这是因为SLM成形过程中激光熔化金属粉末发生高温梯度导致零件内部存在较高的残存应力,同时抗裂强度低的马氏体组织在残存应力的作用下发生裂纹,粗大的裂纹最后分化为较小的裂纹而终止扩展.
  开辟新式钛基合金是钛合金SLM应用切磋的首要偏向.因为钛以及钛合金的应变硬化指数低(类似为0.15),抗塑性剪切变形才力和耐磨性差,因而限定了其制件在高暖和腐化磨损前提下的使用.然而铼(Re)的熔点很高,一般用于超高暖和强热震事情情况,如美国Ultramet公司选取金属有机化学气相沉积法(MOCVD)制备Re基复合喷管已经胜利应用于航空动员机燃烧室,事情温度可达2 200 ℃.是以,Re-Ti合金的制备在航空航天、核能源和电子范畴具有重仔细义[11-13].Ni具有磁性和优良的可塑性,是以Ni-Ti合金是常用的一种形状印象合金.Ni-Ti合金具有伪弹性、高弹性模量、阻尼特征、生物相容性和耐腐化性等本能[14-18].别的钛合金多孔布局人工骨的切磋日益增多[19],日本京都大学议决3D打印技艺给4位颈椎间盘凸起患者制作出各异的人工骨并胜利移植,该人工骨即为Ni-Ti合金.   2铝合金
  铝合金具有良好的物理、化学和力学本能,在很多范畴得到了普遍的应用,可是铝合金自身的特征(如易氧化、高反射性和导热性等)添加了选择性激光熔化制造的难度.今朝SLM成形铝合金中存在氧化、残存应力、孔隙缺陷及致密度等问题,这些问题首要议决严峻的护卫气氛,添加激光功率(最小为150 W),贬低扫面速率等来改善[20-21].
  上海有色金属第37卷
  第1期郑增,等:3D打印金属质料切磋进展
  今朝SLM成形铝合金质料首要集结在AlSiMg系合金.Kempen等[22]对两种各异的AlSi10Mg粉末进行了SLM成形试验.切磋发现,不息优化工艺参数,可得到99%致密度和约20 μm外面粗拙度的成形本能.剖析得出,粉末形状、粒径及化学成分是影响成形质量的首要缘故.Buch等[23]切磋得到了致密度达99.5%、抗拉强度达400 MPa的铝合金试样.Louvis等[21]对SLM成形铝合金过程中氧化铝薄膜发生的机理进行了剖析,获得了氧化铝薄膜对熔池与熔池层间润湿特征的影响纪律.赵官源等[24]以为SLM制造铝合金发生的结晶球化表象是由于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化、耐高暖和力学本能优良等特征,因为其粉末成型性好、制备工艺简略且成本便宜,是最早应用于3D金属打印的质料.如华中科技大学、南京航空航天大学、中北大学等院校在金属3D打印方面切磋比力深入.现切磋首要集结在贬低孔隙率、添加强度以及对熔化过程的金属粉末球化机制等方面.
  李瑞迪等[25]选取各异的工艺参数,对304L不锈钢粉末进行了SLM成形试验,得出304L不锈钢致密度阅历公式,并归纳出晶粒生长机制.潘琰峰[26]剖析和探究了316L不锈钢成形过程中球化发生机理和影响球化的因素,以为在激光功率和粉末层厚必然时,适当增大扫描速率可减小球化表象,在扫描速率和粉末层厚固按时,跟着激光功率的增大,球化表象加剧.Ma等[27]议决对1Cr18Ni9Ti不锈钢粉末进行激光熔化,发现粉末层厚从60 μm添加到150 μm时,枝晶间距从0.5 μm添加到1.5 μm,最终不变在2.0 μm摆布,试样的硬度依靠于熔化区域各向异性的微布局和晶粒巨细.姜炜[28]选取一系列的不锈钢粉末(首要为316L不锈钢),离别切磋粉末特征和工艺参数对SLM成形质量的影响,了局证明,粉末质料的特殊本能和工艺参数对SLM成形影响的机理首要是在于对选择性激光成形过程傍边熔池质量的影响,工艺参数(激光功率、扫描速率)首要影响熔池的深度和宽度,从而决意SLM成形件的质量.
  4高温合金
  高温合金是指以铁、镍、钴为基,能在600 ℃以上的高温及必然应力情况下持久事情的一类金属质料.其具有较高的高温强度、优良的抗热腐化和抗氧化本能以及优良的塑性和韧性.今朝按合金基体种类大致可分为铁基、镍基和钴基合金3类[29].高温合金首要用于高本能动员机,在当代进步前辈的航空动员机中,高温合金质料的使用量占动员机总质量的40%~60%.当代高本能航空动员机的成长对高温合金的使用温度和本能的要求越来越高.传统的铸锭冶金工艺冷却速率慢,铸锭中某些元素和第二相偏析重要,热加工本能差,组织不匀称,本能不不变[30].而3D打印技艺在高温合金成形中成为解决技艺瓶颈的新要领.美国航空航天局声称,在2014年8月22日进行的高温焚烧试验中,议决3D打印技艺制造的火箭动员机喷嘴发生了创纪录的9 t推力.
  Inconel 718合金是镍基高温合金中应用最早的一种,也是今朝航空动员机使用量最多的一种合金.张颖等[31]议决切磋Inconel 718合金SLM激光工艺参数,发现跟着激光能量密度的添加,试样的微观组织履历了粗大柱状晶、集合的枝晶、颀长且匀称分布的柱状枝晶等组织改变过程,在优化工艺参数的条件下,可得到致密度达100%的试样.钴铬合金具有优良的生物相容性,安好靠得住且价格低廉,已普遍应用于牙科范畴.钴铬合金不含对人体有害的镍、铍元素,由其制备而成的烤瓷牙已成为非贵金属烤瓷牙的首选.SLM制作合金烤瓷牙真实可以做到“私家订制”.Zhang等[32]发现议决SLM成形的钴铬合金烤瓷牙比锻造成形具有更高的硬度,颠末脱氧和珐琅烧制过程,合金与珐琅兑现完美联合,其开释钴铬离子含量相符ISO安好尺度.
  5镁合金
  镁合金作为最轻的布局合金,因为其特殊的高强度和阻尼本能,在诸多应用范畴镁合金具有替换钢和铝合金的可能.例如镁合金在汽车以及航空器组件方面的轻量化应用,可贬低燃料使用量和废气排放.镁合金具有原位降解性而且其杨氏模量低,强度接近人骨,优秀的生物相容性,在外科植入方面比传统合金更有应用远景[33-34].
  Wei等[35]议决各异功率的激光熔化AZ91D金属粉末,发现能量密度在83~167 J/mm3之间可以得到无较着宏观缺陷的制件.在层状布局中,离异共晶βMg17Al12沿着等轴晶αMg基体晶界分布,扫描路径重合区域的αMg平均晶粒尺寸比扫描路径中心区域的要大.因为固溶深化和晶粒细化,SLM成形镁合金比拟锻造成形具有更高的强度和硬度.NgCC[36]在氩气护卫气氛中使用Nd:YAG激光熔化纯镁粉,跟着激光才力密度的减小,试样的晶粒尺寸产生粗化,试样硬度跟着激光密度的添加产生显著贬低,硬度局限为0.59~0.95 GPa,响应的弹性模量为27~33 GPa.若何贬低氧化和热影响区的影响,提高制件质量,必要进一步优化工艺参数,如议决镁以及镁合金各异粒径粉末的夹杂.
  6归纳与预测
  3D打印技艺自20世纪90年月呈现以来,从一起点高分子质料的打印逐步聚焦到金属粉末的打印,一多量新技艺、新设备和新质料被开辟应用.当前,信息技艺立异步调不息促成,工业出产正步入智能化、数字化的新阶段.2014年德国提议“工业4.0”成长筹划,势必引起工业范畴倾覆性的变化与立异,而3D打印技艺将是工业智能化成长的壮大推力.金属粉末3D打印技艺今朝已取得了必然成果,但质料瓶颈势必影响3D打印技艺的推广,3D打印技艺对质料提议了更高的要求.现实用于工业用3D打印的金属质料种类众多,可是惟有专用的粉末质料才气餍足工业出产要求.3D打印金属质料的成长偏向首要有3个方面:一是若何在现有使用质料的根本上增强质料布局和属性之间的关系切磋,凭据质料的性质进一步优化工艺参数,添加打印速率,贬低孔隙率和氧含量,改善外面质量;二是研发新质料使其实用于3D打印,如开辟耐腐化、耐高暖和综协力学本能优秀的新质料;三是修订并完善3D打印粉体质料技艺尺度系统,兑现金属质料打印技艺尺度的轨制化和常态化.   参考文献:
  [1]史玉升,刘锦辉,闫春泽,等.粉末质料选择性激光急剧成形技艺及应用[M].北京:科学出书社,2012.
  [2]刘海涛,赵万华,唐一平.电子束熔融直接金属成型工艺的切磋[J].西安交通大学学报,2007,41(11):1307-1310.
  [3]陈光霞,曾晓雁,王泽敏,等.选择性激光熔化急剧成型工艺切磋[J].机床与液压,2010,38(1):1-3.
  [4]费群星,张雁,谭长生,等.激光近净成形NiCuSn合金[J].罕见金属质料与工程,2007,36(11):2052-2056.
  [5]陈静,杨海欧,汤慧萍,等.成形气氛中氧含量对TC4钛合金激光急剧成形工艺的影响[J].罕见金属快报,2004,23(3):23-26.
  [6]宋建丽,李永堂,邓琦林,等.激光熔覆成形技艺的切磋进展[J].机器工程学报,2010,46(14):29-39.
  [7]左铁钏,陈虹.21世纪的绿色制造――激光制造技艺及应用[J].机器工程学报,2009,45(10):106-110.
  [8]赵瑶,贺跃辉,江��.粉末冶金Ti6Al4V合金的研制进展[J].粉末冶金质料科学与工程,2008,13(2):70-78.
  [9]Leuders S,Thne M,Riemer A,et al.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]张升,桂睿智,魏青松,等.选择性激光熔化成形TC4钛合金开裂行为及其机理切磋[J].机器工程学报,2013,49(23):21-27.
  [11]Serp S,Feurer R,Kalck P,et al.A new OMCVD iridium precursor for thin film deposition[J].Chemical Vapor Deposition,2001,7(2):59-62.
  [12]魏朋义,钟振刚,桂钟楼,等.合金成分对含铼镍基单晶合金高温长期及断裂本能的影响[J].质料工程,1999(4):3-6.
  [13]Chlebus E,Kuz′nicka B,Dziedzic R,et al.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,et al.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,et al.Relationship between os搜索引擎优化integration and superelastic biomechanics in porous NiTi scaffolds[J].Biomaterials,2011,32(2):330�C338.
  [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]EsSouni M,FischerBrandies 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,et al.Microstructure of selective laser melted nickeltitanium[J].Materials Characterization,2014,94:189-202.
  [19]Mullen L,Stamp R C,Brooks W K,et al.Selective laser melting:a regular unit cell approach for the manufacture of porous,titanium,bone ingrowth constructs,suitable for orthopedic applications[J].Journal of Biomedical Materials ResearchPart B:Applied Biomaterials,2009,89B(2),325-334.
  [20]张晓丽,齐欢,魏青松.铝合金粉末选择性激光熔化成形工艺优化试验切磋[J].应用激光,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,et al.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,et al.High power selective laser melting(HP SLM) of aluminum parts[J].Physics Procedia,2011,12A:271-278.
  [24]赵官源,王东东,白培康,等.铝合金激光急剧成型技艺切磋进展[J].热加工工艺,2010,39(9):170-173.
  [25]李瑞迪,史玉升,刘锦辉,等.304L不锈钢粉末选择性激光熔化成形的致密化与组织[J].应用激光,2009,29(5):369-373.
  [26]潘琰峰.316不锈钢金属粉末的选择性激光烧结成形切磋[D].南京:南京航空航天大学,2005.
  [27]Ma M M,Wang Z M,Gao M,et al.Layer thickness dependence of performance in highpower selective laser melting of 1Cr18Ni9Ti stainless steel[J].Journal of Materials Processing Technology,2015,215:142-150.
  [28]姜炜.不锈钢选择性激光熔化成形质量影响因素切磋[D].武汉:华中科技大学,2009.
  [29]黄乾尧,李汉康.高温合金[M].北京:冶金工业出书社,2002.
  [30]张义文,杨士仲,李力,等.我国粉末高温合金的切磋近况[J].质料导报,2002,16(5):1-4.
  [31]张颖,顾冬冬,沈理达,等.INCONEL系镍基高温合金选区激光熔化增材制造工艺切磋[J].电加工与模具,2014(4):38-43.
  [32]Zhang B,Huang Q R,Gao Y,et al.Preliminary study on some properties of CoCr dental alloy formed by selective laser melting technique[J].Journal of Wuhan University of TechnologyMaterials 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�Ca review of current research[J].Materials Science and Engineering,2009,4(1):012011.
  [35]Wei K W,Gao M,Wang Z M,et al.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,et al.Microstructure and mechanical properties of selective laser melted magnesium[J].Applied Surface Science,2011,257(17):7447-7454.
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