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金屬3D打印的常用材料有哪些?

金屬3D打印是屬于數(shù)字熱加工的一項(xiàng)技術(shù),目前制備金屬的3D打印技術(shù)主要有:選區(qū)激光熔化/燒結(jié)(SLM/SLS)、電子束選區(qū)熔化(EBSM)、激光近凈成形(LENS)等。與傳統(tǒng)工藝相比,金屬3D打印有直接成型,無(wú)需模具,可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)并制作復(fù)雜結(jié)構(gòu),高效、低消耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)。



但是,因?yàn)榻饘?/span>3D打印材料本身的材料屬性,其都有特定的應(yīng)用領(lǐng)域范圍,因此,金屬3D打印材料選擇的過(guò)程是一個(gè)權(quán)衡多個(gè)因素的過(guò)程。而且,3D打印金屬不能僅僅憑借金屬3D打印機(jī)的參數(shù)來(lái)衡定,每種金屬材料都有適合自身特性的極限點(diǎn),包括應(yīng)用、功能、穩(wěn)定性、耐久性、美觀性、經(jīng)濟(jì)性都是設(shè)計(jì)師要考慮的因素。

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現(xiàn)今,國(guó)內(nèi)外金屬3D打印機(jī)采用的金屬粉末一般有:工具鋼、馬氏體鋼、不銹鋼、純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、銅基合金、鈷鉻合金等。

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1、工具鋼和馬氏體鋼

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以工具鋼和馬氏體鋼為例,工具鋼的適用性來(lái)源于其優(yōu)異的硬度、耐磨性和抗形變能力,以及在高溫下保持切削刃的能力。模具H13熱作工具鋼就是其中一種,能夠承受不確定時(shí)間的工藝條件;馬氏體鋼,以馬氏體300為例,又稱“馬氏體時(shí)效”鋼,在時(shí)效過(guò)程中的高強(qiáng)度、韌性和尺寸穩(wěn)定性都是眾所周知的。他們與其他鋼不同,因?yàn)樗麄兪遣缓嫉?,屬于金屬間化合物,通過(guò)豐富的鎳、鈷和鉬的冶金反應(yīng)硬化。由于高硬度和耐磨性,馬氏體300才適用于許多模具的應(yīng)用,例如,注塑模具、輕金屬合金鑄造、沖壓和擠壓等,同時(shí),其也廣泛應(yīng)用于航空航天、高強(qiáng)度機(jī)身部件和賽車零部件。

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2、不銹鋼

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不銹鋼與碳鋼不同,目前的鉻含量不同,10.5%鉻含量最低的鋼合金,不銹鋼不容易生銹腐蝕。目前,應(yīng)用于金屬3D打印的不銹鋼主要有三種:奧氏體不銹鋼316L、馬氏體不銹鋼15-5PH、馬氏體不銹鋼17-4PH。

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奧氏體不銹鋼316L,具有高強(qiáng)度和耐腐蝕性,可在很寬的溫度范圍下降到低溫,可應(yīng)用于航空航天、石化等多種工程應(yīng)用,也可以用于食品加工和醫(yī)療等領(lǐng)域。

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馬氏體不銹鋼15-5PH,又稱馬氏體時(shí)效(沉淀硬化)不銹鋼,具有很高的強(qiáng)度、良好的韌性、耐腐蝕性,而且可以進(jìn)一步的硬化,是無(wú)鐵素體。目前,廣泛應(yīng)用于航空航天、石化、化工、食品加工、造紙和金屬加工業(yè)。

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馬氏體不銹鋼17-4PH,在高達(dá)315℃下仍具有高強(qiáng)度高韌性,而且耐腐蝕性超強(qiáng),隨著激光加工狀態(tài)可以帶來(lái)極佳的延展性。

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3、合金

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金屬3D打印材料應(yīng)用最為廣泛的金屬粉末合金主要有純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、鈷鉻合金、銅基合金等。

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1)純鈦及鈦合金

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目前應(yīng)用于市場(chǎng)的純鈦,又稱商業(yè)純鈦,分為1級(jí)和2級(jí)粉體,2級(jí)強(qiáng)于1級(jí),對(duì)于大多數(shù)的應(yīng)用同樣具有耐腐蝕性。因?yàn)榧冣?級(jí)具有良好的生物相容性,因此在醫(yī)療行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。

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鈦是鈦合金產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。目前,應(yīng)用于金屬3D打印的鈦合金主要是鈦合金5級(jí)和鈦合金23級(jí),因?yàn)槠鋬?yōu)異的強(qiáng)度和韌性,結(jié)合耐腐蝕、低比重和生物相容性,所以在航空航天和汽車制造中具有非常理想的應(yīng)用,而且,因?yàn)閺?qiáng)度高、模量低、耐疲勞性強(qiáng),應(yīng)用于生產(chǎn)生物醫(yī)學(xué)植入物。鈦合金23級(jí),純度更高,是神級(jí)一樣的牙科和醫(yī)療鈦品級(jí)。

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2)鋁合金

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目前,應(yīng)用于金屬3D打印的鋁合金主要有鋁硅AlSi12和AlSi10Mg兩種。鋁硅12,是具有良好的熱性能的輕質(zhì)增材制造金屬粉末,可應(yīng)用于薄壁零件如換熱器或其他汽車零部件,還可應(yīng)用于航空航天及航空工業(yè)級(jí)的原型及生產(chǎn)零部件;硅/鎂組合使鋁合金更具強(qiáng)度和硬度,使其適用于薄壁以及復(fù)雜的幾何形狀的零件,尤其是在具有良好的熱性能和低重量場(chǎng)合中。

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3)鎳基合金

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一般情況下,鎳基合金都具有良好的抗拉伸、抗疲勞和抗熱疲勞性能。目前,主要有Inconel 738、Hastelloy X、Inconel 625、Inconel 713、Inconel 718等。

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Inconel 738具有良好的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度,抗熱腐蝕性是較低鉻含量的超合金,可長(zhǎng)期暴露于高達(dá)920-980℃的高溫腐蝕性的環(huán)境中,適用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)。

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Hastelloy X在高溫下具有高強(qiáng)度和抗氧化性,在高達(dá)1200℃的環(huán)境中,也具有良好的延展性,目前,主要應(yīng)用于航空航天技術(shù)中,例如燃?xì)廨啓C(jī)部件和燃燒區(qū)組件如過(guò)渡管、燃燒器罐、噴桿、排氣管、加力燃燒室等;而且還因?yàn)榫哂心蛻?yīng)力腐蝕開(kāi)裂的性能,應(yīng)用于工業(yè)爐、石油化工及化學(xué)過(guò)程工業(yè)中。

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Inconel 625在高溫約815℃的條件下依然具有良好的負(fù)載性能,而且耐腐蝕性強(qiáng),廣泛應(yīng)用于航空航天、化工及電力工業(yè)中。

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Inconel 713具有優(yōu)異的抗熱疲勞性能,以及在927℃的特殊斷裂強(qiáng)度,適用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)葉片。

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Inconel 718是基于鐵鎳硬化的超合金,具有良好的耐腐蝕性及耐熱、拉伸、疲勞、蠕變性,適用于各種高端應(yīng)用,例如,飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和陸基渦輪機(jī)等。

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4)鈷鉻合金

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鈷鉻合金具有高強(qiáng)度、耐腐蝕性強(qiáng)、良好的生物相容性以及無(wú)磁性的性能,主要應(yīng)用于外科植入物包括合金人工關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié),同時(shí)其還可用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件以及時(shí)裝、珠寶行業(yè)等。

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5)銅基合金

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應(yīng)用于市場(chǎng)的銅基合金,俗稱青銅,具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性,可以結(jié)合設(shè)計(jì)自由度,產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和冷卻通道,適合冷卻更有效的工具插入模具,如半導(dǎo)體器件,也可用于微型換熱器,具有壁薄、形狀復(fù)雜的特征。

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金屬3D打印材料的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛,例如,石化工程應(yīng)用、航空航天、汽車制造、注塑模具、輕金屬合金鑄造、食品加工、醫(yī)療、造紙、電力工業(yè)、珠寶、時(shí)裝等。相信隨著科技的不斷進(jìn)步,今后金屬3D打印材料的應(yīng)用對(duì)社會(huì)的影響會(huì)越來(lái)越大。