金屬3D列印/增材製造的現狀及國際標準（上）

在GE關於3D列印/增材製造的描述中，我們看到GE認為這一技術是具有顛覆力的，由於可以實現極為精緻和複雜的細節，而產品的製造成本幾乎並不因為複雜性增加而增加，這一特點為產品重塑帶來極大的想像空間。

那麼，時至今日，3D列印尤其是金屬合金的增材製造發展狀況如何？本期，3D科學谷與谷友一起來領略金屬合金3D列印/增材製造的現狀與現行使用的國際標準以及正在開發的國際標準。

從設計

到材料

大多數增材製造零件的成功取決於許多因素，包括選擇合適的金屬合金粉末可能是任何一位設計工程師面臨的第一個關鍵決策。不幸的是，可用於增材製造的金屬粉末的選擇還沒有像傳統製造的選擇一樣寬泛。因此，至關重要的是，工程師需要了解目前的限制，並且理解可選擇的合金的物理性能。

舉例來說，在過去的5年里，服務提供商已經無數次申明「我們肯定能列印鋁合金」。這樣的話可能有人相信，但如果你認為是任何鋁合金，那你往往是錯的，因為現實更為殘酷。

即使是可用的合金粉末，其中許多聲稱堅持國際公認的標準。其實很多是專用的版本，這些合金粉末，許多是根據金屬系統供應商所確認的規格來提供的。

圖：現有ASTM F42關於增材製造零件的測試標準

圖：正在開發的ASTM F42關於增材製造化學組分的要求標準

最後，也許更重要的是，對於設計工程師來說，這些合金性能的描述文檔仍然很缺乏。詳情請參考3D科學谷發布的《看美國3D列印標準化路線圖所揭示的26個當前設計短板》。大多數早期採用該技術的人不得不做模糊的靜態拉伸測試。也經歷了沒有熱處理，或其他消除應力的工序。

圖：現有ASTM 關於零件機械性能的測試標準，可適用於增材製造

即使已經公布的最常用合金的疲勞數據，這些數據大多是通過旋轉彎曲疲勞試驗得來的，該方法有利於實現快速定性結果。此外，通過增材製造得到的零件是最有可能具有各向異性的，至少在平行方向上和垂直於構建平面的方向上。這並不一定意味著是壞事，或者是零件不能使用，但這些屬性需要得到充分的理解。這與理解熱軋或冷軋對變形合金的影響，或砂型鑄造或高壓壓鑄不同晶粒尺寸的影響是一樣的。出於這些原因，選擇適當的後期熱處理周期也是至關重要的決策，這有利於實現零件所需的最終性能。

毋庸置疑，增材製造已被許多行業所接受，幾乎沒有人再用「快速成型」這樣的帶局限性的眼光來看待增材製造技術。大量的研究在確定每一種合金能達到的物理性能，無論是學術界、行業用戶，還是系統或粉末供應商，我們開始看到零件正在走向生產之路。通過完全合格的應用程序來增材製造零件成為全球努力的方向。其中最受關注的是GE為LEAP航空發動機引擎生產的噴油嘴。從原型到生產，工業界看到增材製造在生產領域的巨大潛力。

粉末床融化（POWDER BED FUSION-PBF）過程

有許多術語被用來描述基本相同的過程：通過切片軟體對該三維模型進行切片分層，得到各截面的輪廓數據，由輪廓數據生成填充掃描路徑，設備將按照這些填充掃描線，控制激光束或電子束選區熔化各層的金屬粉末材料，逐步堆疊成三維金屬零件。

激光束或電子束開始掃描前，鋪粉裝置先把金屬粉末平推到成型缸的基板上，激光束再按當前層的填充輪廓線選區熔化基板上的粉末，加工出當前層，然後成型缸下降一個層厚的距離，粉料缸上升一定厚度的距離，鋪粉裝置再在已加工好的當前層上鋪好金屬粉末。設備調入下一層輪廓的數據進行加工，如此層層加工，直到整個零件加工完畢。整個加工過程在通有惰性氣體保護的加工室中進行，以避免金屬在高溫下與其他氣體發生反應。

許多人把這一技術稱為3D列印，但嚴格來說，這並不是這一技術的真正準確名稱，增材製造更為準確。

圖：顯示多個增材製造層的典型剖面，來源雷尼紹

通過金屬增材製造工藝製造的零件通常被認為具有比砂型鑄造零件更好的材料性能，但通常達不到鍛造性能。原因是多方面的，也相當複雜。在大多數情況下，可以理解為一層一層融化金屬粉末的過程中使得具有不同的微觀結構與材料性能的金屬基體在熱影響區（HAZ）下進一步的差異化。這些成千上萬的微型焊接區域中包含更多的熱影響區。

針對PBF加工技術，ASTM正在出台相關的標準。

由於激光或電子束快速熔化金屬粉末，然後快速固化，這一切發生在一個非常高的速度範圍內，由此產生的金相晶粒尺寸可以發生明顯的變化。通過調整許多工藝參數，最終對象機械性能的晶粒尺寸和微觀結構可實現一定程度的控制。

激光加工過程中，熔池的凝固行為對激光3D列印最終成形件的綜合性能具有至關重要的影響。凝固速率過慢引起的晶粒粗化將極大地降低材料強度；凝固速率過快易造成製件內部微裂紋和孔隙等加工缺陷，導致製件使用過程中的提前失效。同時，伴隨凝固行為產生的殘餘應力集中問題與製件尺寸精度和表面粗糙度有密切聯繫。國內在這一領域有著突出的研究，詳情請參考3D科學谷發布的《國內鋁基納米複合材料的3D列印製備方法舉例》以及《國內激光3D列印技術製造馬氏體模具鋼的進展》。

圖：激光3D列印熔池橫截面SEM，來源：南京航空航天大學

常用合金粉末

合金粉末最常用的是鈦合金Ti6Al4V或者叫Ti64，這種合金令人難以置信的多才多藝，通常用於許多行業，由於其高強度，可比鋼，但幾乎是鋼一半的重量，所以用途廣泛，成為最流行的合金之一。這種合金實際上主要有兩個檔次，更常見的是Grade 5級，和超低間隙Grade 23級。後者有更嚴格的控制氧和氮含量的要求。

ASTM F42所發布的關於鈦合金的各項標準對這種合金與應用領域的結合是非常有幫助的。

圖：現有ASTM 關於鈦與鋁的標準，可適用於增材製造

由於每個設備供應商的系統操作起來都有自己的特點，而且Ti64的殘餘應力是一個特別的問題。所以生產Ti64零件的過程不是那麼簡單的設定好參數就可以完成的。值得注意的是，有許多不同的應力消除熱處理周期，每種周期將導致不同的機械性能。例如，雷尼紹在英國的醫療和牙科產品部門開發了一個定製的熱處理周期，提升了ELI合金的加工靈活性，目前他們將這一工藝加工的產品冠以X - Flex的商標。

圖：Ti6Al4V力學性能比較表

當然其他的鈦金屬還包括工業純鈦Ti-CP、醫用鈦合金Ti7AI7Nb，和其他高溫或高強度鈦合金如Ti-6242。

鋁合金的加工是另一門學問，將鋁合金加工工藝形成一整套體系的是美國Sintavia。Sintavia綜合製造能力使得F357鋁合金的製造更加快速，並且達到或超過行業的嚴格驗證參數要求。Sintavia獨家的鋁合金加工工藝是一整套的體系，不僅包括預構建材料分析，還包括後期熱處理和壓力消除，從而能夠生產出高達125%的設計強度，精密度達100%。通過常溫、高溫強度驗證，以及零度以下的溫度驗證，Sintavia能夠快速生產出滿足要求的鋁件。

本文未完待續，敬請期待3D科學谷即將發布的金屬3D列印/增材製造的現狀及國際標準（下）

參考資料：

-AMSC_Roadmap

-Sintavia Develops Exclusive Process for Printing F357 Aluminum

-The status quo of metal alloys for additive manufacturing

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