金属3D打印有哪些材料

根据3D Science Valley的Marketwatch，目前基于粉末床工艺的选择性激光熔化3D打印产生的“墨滴”直径通常为50至100微米。根据模型的大小和复杂程度，使用传统方法制作模型通常需要数小时到数天的时间。根据打印机的性能以及模型的大小和复杂性，三维打印可以将时间缩短数小时。要加工铝合金材料，仍然存在商业和技术逻辑瓶颈。

在商业方面，铝合金的价格比高温合金便宜。对于目前通过3D打印实现的高附加零件，材料成本比例不明显，铝合金的价格优势难以显现。在工艺逻辑方面，由于传统铝合金的成形特点，大多数牌号不适合3D打印。只有少数几种铸造铝合金适合3D打印技术，并且由于其自身材料性能的限制，很难满足高强度和高温应用的要求。

针对现有的瓶颈，针对高附加值应用的新型铝合金3D打印材料呈上升趋势。三维打印机的分辨率对于大多数应用来说是足够的（在曲面上可以是粗糙的，就像锯齿上的图像），要获得更高分辨率的项目可以通过以下方法：首先，用当前的三维打印机处理较大的对象，然后稍微打磨光滑的表面后即可获得“高分辨率”项目。有些技术可以一次打印多种材料。一些技术还在打印过程中使用支持。例如，在打印一些倒置的对象时，必须使用易于移除的东西（如可溶性物质）作为支撑物。

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现在主流的金属打印材料有如下几种：

1. 316L不锈钢材料，产品简介：316L属于奥氏体不锈钢的衍生钢种，主要含有Cr、Ni、Mo，具有耐腐蚀性、耐热性。 主要用途：适用于航空航天、医疗、零件模具、珠宝和手表配件；

2. GH3536高温合金材料，产品简介：GH3536 是 Ni 基固溶强化型变形高温合金，合金在 900℃以下具有中等的持久和 蠕变强度，具有良好的抗氧化和耐腐蚀性能、良好的冷热加工成形性和焊接性能。 主要用途：适于制造在 900℃以下长期使用的航空发动机燃烧室部件、蜂窝结构、扩散器、尾 喷口和其它热端部件。

3. GH5188高温合金材料，产品简介：GH5188 是 Co 基沉淀硬化型变形高温合金，使用温度小于 1100℃，具有良好的 抗氧化性，冷热加工塑性和焊接等工艺性能。 主要用途：用于制作航空发动机燃烧室火焰筒、导向叶片等高温部件。

4. GH4169高温合金材料，产品简介：GH4169 是 Ni 基沉淀硬化型变形高温合金，合金在 650℃以下强度较高，具有良 好的抗疲劳、抗氧化和耐腐蚀性。 主要用途：适于制作航空、航天、核能和石化工业中的涡轮盘、环件、叶片、紧固件等。

5. CoCrMoW钴铬合金，产品简介：CoCrMoW 粉末是钴铬合金粉末的一种，主要在 Co 和 Cr 元素的基础上添加了 Mo 和 W等元素，含有少量的 Si、Fe 等，具有抗氧化性能和耐腐蚀性能。 主要用途：主要应用于医疗器械领域，加工金属义齿及支架等。

6. AlSi10Mg铝合金，产品简介：AlSi10Mg 是铸造铝合金，具有良好的工艺性，密度小，抗蚀性良好，热导率高， 是目前适用于增材制造的铝合金粉末材料之一。 主要用途：汽车：发动机的缸盖、进气歧管、活塞、轮毂、转向助力器壳体等 航空航天：薄壁零件如换热器、拓扑优化结构等。

7. 18Ni300 模具钢，产品简介：18Ni300 钢是一种含碳量超低的 Fe-Ni 合金，其对应的美国牌号为 M300，欧洲 牌号为1.2709。18Ni300 钢以无碳或微碳马氏体为基体，通过 Mo、Co、Ti、Al 等合金元素在时效过程中析出合金化合物形成第二相强化的超高强度钢。与传统钢 材相比，18Ni300 钢具有优良的焊接性、热塑性、加工性，在具有超高强度的同时 兼备良好的韧性。 主要用途：适用于塑料注塑模等随形冷却流道模具的选区激光熔化加工。

8. CX模具钢，产品简介：Corrax（以下简称 CX）是一种时效硬化不锈钢，与其他模具钢材料相比，具有如 下优势： 1. 具有优异的抗腐蚀性能，且热处理对材料的耐腐蚀性没有较大影响； 2. 热处理后仍有非常好的尺寸稳定性； 3.可通过热处理达到 34-50 HRC 的硬度范围。 主要用途：适用于注塑模、挤塑模、塑料成形模等随形冷却流道模具的选区激光熔化加工。

9. TC4 钛合金，产品简介：TC4(Ti6Al4V)密度低，比强度高，耐蚀性好，综合性能优异，具有良好的生物相容 性，是目前应用最为广泛的钛合金材料。 主要用途：航空航天领域：适于制造航空发动机风扇叶片、压气机叶片、飞机框梁、支架等 生物医疗领域：适于制造人工关节、髋关节等。

探真应用？这个不太明白

现在的3D打印机可以打印金属件的，现在常见的打印技术就是激光选区融化，将各种金属粉末进行激光高温熔化成型，简称LSM，可以将许多不同的金属粉末融化成型，如不锈钢，钴铬合金，钛合金，模具钢，贵金属等金属粉末激光选区熔化成形技术的原理是以原型制造技术为基本原理发展起来的一种先进的激光增材制造技术。通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能量激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零件。激光选区熔化成形技术突破了传统制造工艺的变形成形和去除成形的常规思路，可根据零件三维数模，利用金属粉末无需任何工装夹具和模具，直接获得任意复杂形状的实体零件，实现“净成形”的材料加工新理念，特别适用于制造具有复杂内腔结构的难加工钛合金、高温合金等零件。随着科学技术日新月异的进步，机械加工行业不断发展。而快速成型技术，尤其是激光3D打印技术在机械加工行业中起到了越来越大的作用，并渐渐在制造业得到了广泛应用，成为了如今机械制造业中不可或缺的一部分。3D打印技术正在快速改变我们传统的生产方式和生活方式，不少专家认为，以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印制造技术将推动第三次工业革命 。金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。按照金属粉末的添置方式将金属3D打印技术分为三类：（1）使用激光照射预先铺展好的金属粉末，即金属零件成型完毕后将完全被粉末覆盖。这种方法目前被设备厂家及各科研院所广泛采用，包括直接金属激光烧结成型（Direct Metal Laser Sintering,DMLS）、激光选区熔化（Selective laser melting, SLM）和LC（Laser Cusing）等；（2）使用激光照射喷嘴输送的粉末流，激光与输送粉末同时工作（Laser Engineered Net Shaping，LENS）。该方法目前在国内使用比较多；（3）采用电子束熔化预先铺展好的金属粉末（Electron Beam Melting,EBM），此方法与第1类原理相似，只是采用热源不同。现在的3D金属打印工艺已经很成熟，精度也很高，Dimetal-50的光斑精度达到了50μ，可以说是世界独有的，设备整体体积也小巧，只有616*810*1750mm大小，激光器功率也是70W（可选配200W功率激光器），扫描速度也高达7m/s，可以成型50*50*50mm的金属物品，分层厚度达到了0.02-0.1mm，300g粉末即可开机，降低开机成本国内在SLM技术的研究上也取得了一定的进展，不过相比之下，其技术的发展还不够成熟，要实现在民用飞机上的应用，仍有大量的工作要做，例如解决SLM成形本身的技术问题，研究成形件後续处理工艺技术，并编制相关标准规范制度，进行结构件的适航认证等。美国材料测试协会（ASTM）已发布两项有关粉末床熔覆钛合金的标准，分别为ASTMF2924-14：粉末熔覆床工艺增材制造Ti-6Al-4V标准规范和ASTMF3001-14：粉末熔覆床工艺增材制造Ti-6Al-4VELI标准规范，这些规范规定了用於增材制造的粉末、设备及工艺方面的要求。而国内关於SLM标准规范方面的工作却仍十分欠缺，国内航空工业界仍需付出艰辛的努力。

根据3D科学谷的市场观察，Scalmalloy 已被提议用作民用和军用飞机的增材制造 (AM) 替代铝合金材料，并可以用于增材制造卫星和空间结构。根据3D科学谷的市场研究，Scalmalloy 是一种 Sc 和 Zr 改性的 5xxx 合金。这是开发用于 LPBF 的高强度铝 (Al) 合金的第一个里程碑，凝固过程中初生 Al3(Sc1-xZrx) 核（与 Al 基体相干）的沉淀导致等轴晶粒的局部形成。

本期，3D科学谷以先前调查的结果为基础，揭示 Scalmalloy 的裂纹扩展曲线类似于与广泛用于 汽车 工业和海运船舶的铝合金 AA5754 和 AA6061-T6 相关的裂纹扩展曲线。

3D科学谷

发展中的高强度铝合金

根据吴鑫华院士，高强度3D打印铝合金在航天制造领域的应用尤为重要，主要目标是实现航天器减重以及缩短交付周期，从而降低综合生产成本、提升综合效益。高强度3D打印铝合金可使航天器零件减重20-90%不等，加工周期缩短3-12个月不等。典型应用包括：卫星射频阵列天线支架，耦合震动阻尼器，空间站中多种支架构件如：导轨支架、测控天线支架。

无论是焊接工艺还是选区激光熔化工艺，产生热裂纹的原因大体相似。在这两种情况下，工艺参数都会引起热应力，这是造成裂纹的关键因素。然而通过工艺参数控制难以实现对热应力的控制。要想显著降低热应力，就需要大幅降低温度梯度，而在选区激光熔化工艺中，无法通过工艺参数或环境的改变实现这一目标。在热处理过程中，用于产生强化相的合金元素通常会增加凝固温度范围，在之前的研究中，这一点也是十分不利的。

近年来，材料科学界的研究重点逐渐转向开发适合 LPBF 工艺独特条件的新型高性能合金，合金设计概念通常基于高冷却速率 (105-106 K/s ) 和极高的温度梯度 (G ~ 106 K/m)，这提高了合金的溶解度极限，并促进亚稳态相的形成。不过在3D打印工艺中，高温度梯度通常会引起沿构造方向拉长的柱晶结构，促进热裂纹现象的产生。

控制裂纹

现在已知的Scalmalloy 具有类似于 AA7075-T7351（一种广泛用于传统飞机的铝合金）的机械性能和裂纹扩展曲线。在本文中，3D科学谷将结合市场的科研结果将其裂纹扩展行为与广泛用于航运、 汽车 车身和与化工厂相关的基础设施的铝合金 AA5754 和广泛用于轻型飞机、自行车车架、电机的 AA6061-T6 进行比较。

三种合金的机械性能比较见表 1：

表 1. Scalmalloy 和两种广泛使用的铝合金的屈服应力、极限强度和失效应变的比较。AA5754 的 σy 和 σult 值因回火程序而异。

热处理后的 LPBF基于粉末床的选区激光熔化金属3D打印加工的 Scalmalloy 具有优于 AA5754 和 AA6061-T6 的机械性能。然而，与 AA5754 和 AA6061-T6 相比，与 Scalmalloy 相关的 da/dN 与 ΔK 曲线的裂纹扩展性能如何？

之前已经看到Scalmalloy 中的裂纹扩展类似于 AA7075-T7351 合金中的裂纹扩展。可以看到 AA5754 的长裂纹和“短裂纹”曲线之间的一致性。还看到与 Scalmalloy 、AA5754 和 AA6061-T6 相关的 R = 0.1 曲线之间的相似性。

图 1. Scalmalloy 的 R = 0.1 da/dN 与 ΔK 曲线、短裂纹扩展

图 2. Scalmalloy 的 R = 0.7 da/dN 与 ΔK 曲线

图 2 显示了案例 d) 到 g) 的高 R 比 da/dN 与 ΔK 曲线，其中再次看到与 Scalmalloy 相关的 R = 0.7 曲线与与 AA5754 相关的高 R 比测试之间的相似性和 AA6061-T6。图 1 和 2 还表明，与 AA7050-T7451 相关的小裂纹 R = 0.1 和 0.7 da/dN 与 ΔK 曲线也与 Scalmalloy 中与裂纹扩展相关的相应长裂纹一致。这意味着，与 AA7050-T7451 相关的小裂纹曲线可以看作（大约）是 da/dN 与 ΔK 之间的功率关系的延伸。

图 3 显示，当考虑到不同的疲劳阈值和韧性时，各种 da/dN 与 Δκ 曲线非常相似。图 3 中用于各种 AA5754 和 AA6061-T6 测试的常数值在表 2 中给出。为了帮助将 Scalmalloy 与这些不同的铝合金进行比较，图 3 还包含 Scalmalloy 的趋势线。

裂纹的增长，即决定飞机运行寿命的那些增长最快的裂纹，可以使用方程来估计。研究发现增材制造的 Scalmalloy 的裂纹扩展曲线类似于与公认具有良好疲劳性能的常用铝合金 AA5754 和 AA6061-T6 相关的裂纹扩展曲线。这一发现增强了 Scalmalloy 的潜力，与 AA5754 和 AA6061-T6 相比，它具有卓越的机械性能，可用于制造船舶、轻型飞机和 汽车 的增材制造零件，可制造商用铝合金替代零件和军用飞机零件，以及用于卫星和空间结构的轻质铝部件。

新材料与新工艺

长期以来，在3D打印铝合金材料中，仅少数Al-Si基铸造合金已实现无裂纹加工。焊接性较差的锻造铝合金，由于高的热梯度会促进柱状生长并因此引起热裂纹，因此锻造级铝合金的增材制造应用受到了很大的限制。

根据3D科学谷的市场观察，这一限制正在被打破。2019年以来陆续商业化的高强度铝合金3D打印材料，为原来必须通过锻造来实现的零件加工打开了一扇崭新的大门，结合3D打印所释放的设计自由度，锻造铝合金增材制造技术将在压力容器、液压歧管、托架、高强度结构件领域获得想象力巨大的市场空间。

YSZ+6061铝合金

当前科研领域通过添加一定数量的钇稳定氧化锆（YSZ）可以诱导晶粒细化，改变3D打印6061铝合金材料的微观结构，从而消除热裂纹现象。

减少锻造类铝合金通过增材制造过程加工的产品的裂纹，有两种方法可以进行晶粒细化。第一种方法是在打印过程中控制热应力。第二种方法是通过改变合金成分或在基础粉末中直接添加成核剂来增强异相成核。

锆基纳米颗粒成核剂+7075和6061铝合金

根据3D科学谷的市场观察，还有一种高强度3D打印锻造铝合金材料也采用了添加锆基成核剂的方式实现晶粒细化、消除裂纹。该材料为HRL实验室所开发的3D打印用高强度7A77.60L铝粉，已正式投向市场。HRL实验室选择了锆基纳米颗粒成核剂，并将它们组合到了7075和6061系列铝合金粉末中。成型后的材料无裂纹、等轴（即晶粒在长度、宽度和高度上大致相等），实现了细晶粒微观结构，并与锻造材料具有相当的材料强度，这一3D打印的铝合金材料平均屈服强度高达580 MPa，极限强度超过600 MPa，平均伸长率超过8％。

Al-Mn-Ti-Zr 合金

而在3D科学谷此前的分享中，科研领域还提出了一种专门为 LPBF 工艺开发的低成本、无 Sc 且可广泛使用的 Al-Mn-Ti-Zr 合金。该合金旨在用作 AlSi10Mg 替代品并具有类似的广泛应用窗口。通过利用高凝固速率，非常规大量 Mn（3.7 0.5 wt%）在 α-Al 基体内亚稳态冻结，显着促进固溶硬化（~104 MPa 37% 屈服强度份额）。最终获得的试样的屈服强度为 284 3 MPa，极限抗拉强度为 320 1 MPa，断裂伸长率为 16.9 0.2%。这种新合金具有双峰微观结构，由交替分布的细等轴和粗柱状晶粒区域组成。

参考资料：

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模具钢

钛合金

不锈钢

各种材料的特点如上图。

铝合金的打印成本大概为2.5元每克，钛合金的打印成本大概为15元每克，不锈钢的打印成本大概为1.5元每克，从单价上来看是不锈钢最便宜，但是同样的物体用铝合金的打印价格是最低的，因为铝合金的密度比不锈钢的小，所以综合评估是铝合金材料打印更经济。

对于没接触过3D打印的童鞋来说，总觉得3D打印特别遥远。今天晴子老师就来为大家揭开3D打印的神秘面纱——用通俗易懂的方式介绍什么是3D打印技术。主要从技术原理、3D打印流程、3D打印应用领域三个方面进行介绍。

什么是3D打印技术？

近年来，3D打印这个名词逐渐从陌生走向熟悉，走进了人们的生活和工作。但是，还是有很多童鞋对3D打印了解不够。3D打印并不神秘，它只是一种新的制造加工技术。3D打印是一种快速成型技术。它是基于数字模型(3D设计文件)文件，使用粉末金属或塑料等粘合材料，通过3D打印机逐层打印物体的技术。

童鞋如果不理解这段话，可以想象唐华的生产过程。3D FDM打印技术的原理与制作唐华的过程基本相同。

3D打印机——唐华大师的手和勺子

数字模型——唐华大师的心灵图景

可粘合材料-热糖浆

逐层印刷——在一个(二维)平面上逐层倒糖浆(逐层固化)，从而形成一个具有高度的(三维)物体。

我相信你对3D打印有一些想法。3D打印技术有很多种，对应的3D打印机和3D打印材料也不一样。