材料在使3D打印成為真正的生產(chǎn)技術(shù)中起著關(guān)鍵作用。根據(jù)捷普的一項(xiàng)調(diào)查，41%的受訪用戶認(rèn)為，引入更好的材料將對(duì)鼓勵(lì)大規(guī)模采用3D打印進(jìn)行生產(chǎn)產(chǎn)生最大影響。以鋁合金為例，具有特殊性能的鋁合金需求越來越旺盛，如耐高溫、高強(qiáng)度、高韌性的特點(diǎn)，在兵器、船舶、航空、航天、汽車等行業(yè)中具有廣泛的需求。

7月24日，我國(guó)問天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研制的新型鋁基復(fù)合材料成功應(yīng)用在問天實(shí)驗(yàn)艙太陽(yáng)翼柔性展開機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件和多個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜轉(zhuǎn)接件中。3D打印技術(shù)參考注意到，問天實(shí)驗(yàn)艙實(shí)驗(yàn)機(jī)柜與實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)壁結(jié)構(gòu)采用六點(diǎn)式機(jī)械連接，連接件在發(fā)射過程中在劇烈震動(dòng)、摩擦工況下服役，承受巨大載荷，是實(shí)驗(yàn)機(jī)柜載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中受力最苛刻的零部件。中科院團(tuán)隊(duì)針對(duì)該工況研發(fā)出高性能碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料鍛件，具有低密度、高強(qiáng)韌性、高耐磨、良好阻尼性能及耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，采用該材料替代傳統(tǒng)鋁、鈦等合金，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的輕量化加工制造，承受住了發(fā)射過程中的震動(dòng)疲勞及磨損等，并使零件減重20%以上。

2021-2022年，3D打印鋁合金材料研究不斷取得新突破，一批新的高性能粉末被推向市場(chǎng)。本期，3D打印技術(shù)參考匯總了當(dāng)前10款具有特殊性能的3D打印鋁合金材料，其中6款來自國(guó)內(nèi)。

1.寶航新材料推出超高強(qiáng)度鋁合金粉末

寶航推出的這款材料將于2022年推出，是一種適用于SLM工藝的高性能鋁合金粉末，其具有超高的強(qiáng)度（620MPa）和良好的塑性（8%）；該材料為AlMg合金體系，被命名為：HS5601（其中：HS為High Strength的簡(jiǎn)稱，5表示一種5系鋁鎂合金，601表示第一代的600MPa鋁）。

相較于AlMgScZr而言，其具有更高的強(qiáng)度，有望應(yīng)用于航空航天及國(guó)防軍工領(lǐng)域?qū)Ω咝阅懿牧系奶貏e需要。

寶航新材料已經(jīng)能夠批量生產(chǎn)HS5601，并有計(jì)劃研制更高強(qiáng)度如800MPa的鋁合金3D打印材料。

2.倍豐科技耐熱鋁合金具備發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)服役25年要求

倍豐科技開發(fā)的Al250C高溫高強(qiáng)3D打印鋁合金材料抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定達(dá)到570MPa以上，延伸率穩(wěn)定達(dá)到12%以上，制備的航空零部件通過了250℃高溫下持續(xù)5000小時(shí)的穩(wěn)定試驗(yàn)，相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)服役25年的要求。

Al250C彌補(bǔ)了傳統(tǒng)6系鋁合金材料不能完全適用3D打印工藝缺點(diǎn)，同時(shí)解決了傳統(tǒng)鋁合金強(qiáng)度低、使用溫度低等問題，是一種新型高強(qiáng)度鋁合金材料，具有著廣泛的應(yīng)用前景。用該材料制作航空鋁合金3D打印結(jié)構(gòu)件，更有希望替代目前航空航天上的部分鈦合金構(gòu)件，達(dá)到航天航空領(lǐng)域降低重量與節(jié)約成本的目的。

3.陜西興華業(yè)自主開發(fā)耐高溫、高強(qiáng)、高韌3D打印鋁合金

對(duì)于耐高溫鋁合金而言，其核心目標(biāo)是保持良好的高溫強(qiáng)度。陜西興華業(yè)開發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的耐高溫、高強(qiáng)、高韌3D打印鋁合金AK09系列具備優(yōu)異的室溫和高溫性能：

?室溫性能：抗拉強(qiáng)度500MPa，屈服強(qiáng)度420MPa，延伸率17%；

?250℃高溫性能：抗拉強(qiáng)度290MPa，屈服強(qiáng)度280MPa，延伸率18%；

?350℃高溫性能：抗拉強(qiáng)度200MPa，屈服強(qiáng)度200MPa，延伸率11%。

通過研發(fā)試制，材料性能穩(wěn)定，目前已開始小批量生產(chǎn)交付。

4.EOS推出一種耐高溫應(yīng)用的3D打印高強(qiáng)鋁合金

EOS推出了一種專為增材制造設(shè)計(jì)的新型鋁合金Al2139AM，該合金可在高達(dá)200oC的高溫下提供卓越性能，是EOS推出的強(qiáng)度最高的3D打印鋁合金。改進(jìn)的強(qiáng)度特性為客戶帶來了新機(jī)遇，可以在不影響強(qiáng)度的情況下顯著減輕零件重量。

據(jù)介紹，3D打印的Al 2139AM在熱處理狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度約為500Mpa，具有高達(dá)200°C的高溫耐受性和良好的耐腐蝕性。EOS指出，該材料具有快速簡(jiǎn)單的一步熱處理特點(diǎn)，能夠減少88%的熱處理時(shí)間，從而能夠更快的得到最終零件。同時(shí)，3D打印的Al 2139AM零件可以進(jìn)行電解拋光和陽(yáng)極氧化處理。

5.寶航新材料

除超高強(qiáng)HS5601鋁合金外，寶航還于2022年年中向市場(chǎng)推出了一款新型耐溫鋁合金——HT4251，其能夠在250℃的高溫下，抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定在264.5MPa、屈服強(qiáng)度穩(wěn)定在198.5MPa，延伸率穩(wěn)定在15%，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐溫性能。

傳統(tǒng)的耐高溫鋁合金主要基于AlFe、AlCr或AlCu合金來做成分開發(fā)，利用Fe、Cr或Cu元素形成大量彌散分布且具有熱穩(wěn)定性的析出相。寶航技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)則另辟蹊徑，通過在AlSi合金體系中添加少量微量元素，在保證良好SLM打印工藝窗口的同時(shí)，成功實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的高溫力學(xué)性能。

6.中車研究院新型高強(qiáng)鋁合金

該高強(qiáng)鋁合金粉末材料經(jīng)批量生產(chǎn)以及多輪SLM技術(shù)驗(yàn)證，拉伸強(qiáng)度穩(wěn)定超過560MPa，屈服強(qiáng)度超過520MPa，延伸率14-16%，顯著優(yōu)于空客公司Scalmalloy?鋁合金粉末的打印性能以及其他7系鍛造高強(qiáng)鋁合金。

由于不同于空客公司Scalmalloy?的強(qiáng)化機(jī)制，該打印材料在215℃高溫條件下的強(qiáng)度超過260MPa，延伸率超過10%，幾乎比空客Scalmalloy?的高溫性能整整提高了一倍。此外，該材料還具備優(yōu)良的耐腐蝕性能，可滿足國(guó)內(nèi)軌道交通裝備和航空航天等高端制造零部件3D打印的需求，具有廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值。

7.長(zhǎng)沙新材料產(chǎn)業(yè)研究院AlMgScZr

2019年2月，國(guó)內(nèi)航天科工旗下長(zhǎng)沙新材料產(chǎn)業(yè)研究院通過添加稀土元素及化學(xué)成分調(diào)整、后處理工藝摸索等手段，成功研制出了一種高強(qiáng)鋁合金粉末材料，其室溫拉伸強(qiáng)度535MPa，屈服強(qiáng)度510MPa，延伸率為12%。該企業(yè)一直在增材制造高性能鋁合金方向努力，目前在超輕鋁鋰合金、超高強(qiáng)鋁合金等方向均已形成產(chǎn)品。

8.美國(guó)HRL 7A77.60L鍛造級(jí)高強(qiáng)3D打印鋁合金

2019年10月，美國(guó)休斯研究實(shí)驗(yàn)室（HRL）開發(fā)的3D打印用高強(qiáng)7A77.60L鋁合金正式投放市場(chǎng)。該材料因使用鋯基納米顆粒作為成核劑，避免了7075和6061鋁合金在采用激光進(jìn)行打印時(shí)出現(xiàn)的易開裂問題，并可實(shí)現(xiàn)細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度超過600 Mpa，成為首個(gè)可用于增材制造的鍛造等效高強(qiáng)度鋁合金。

HRL高強(qiáng)鋁合金商業(yè)化始于2017年發(fā)表于nature的一篇關(guān)于鋁合金3D打印的研究。受熔鑄工藝啟發(fā)，研究人員通過將納米顆粒作為成核劑與液體金屬混合來孕育晶種，從而實(shí)現(xiàn)在溫度梯度較大和凝固速度快的非平衡條件下實(shí)現(xiàn)晶體精細(xì)生長(zhǎng)，進(jìn)而提高了產(chǎn)品的性能。在2019年商業(yè)化后，該材料已經(jīng)在NASA和其他航空航天企業(yè)獲得了大規(guī)模零部件的生產(chǎn)。

9.空客公司Scalmalloy

針對(duì)航空用鋁合金零件增材制造需求，空客公司開發(fā)了世界上第一種增材制造專用高強(qiáng)鋁合金粉末材料Scalmalloy，它是一種鋁鎂鈧合金，室溫拉伸強(qiáng)度（520MPa）、屈服強(qiáng)度（480 MPa）和延展性（延伸率13%）均表現(xiàn)出色，且具有耐腐蝕、微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)，是一款專為增材制造而開發(fā)的材料。Scalmalloy旨在用于航空航天應(yīng)用，早在2016年，空客就用這種材料3D打印了機(jī)艙隔斷，成功幫助A320客機(jī)實(shí)現(xiàn)瘦身；同時(shí)，Scalmalloy的優(yōu)異性能也使其成為賽車運(yùn)動(dòng)行業(yè)的首選應(yīng)用材料。

10.Aeromet International A20X

2019年，英國(guó)鑄造公司Aeromet International推出的A20X鋁合金粉末經(jīng)熱處理后拉伸強(qiáng)度為511 MPa，屈服強(qiáng)度440 MPa，伸長(zhǎng)率為13%，基于該材料開發(fā)的航空散熱結(jié)構(gòu)件已成功替代傳統(tǒng)采用鈦合金制作的中溫構(gòu)件，并幫助法國(guó)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)瘦身。

END

鋁合金有著極大的使用潛力，由于材料的低密度，高強(qiáng)鋁合金表現(xiàn)出優(yōu)異的比強(qiáng)度，在室溫下接近主力鈦合金Ti6Al4V。為了獲得類似的強(qiáng)度特性，3D打印的高強(qiáng)鋁合金還需要輔以熱處理過程。

金屬增材制造過程獨(dú)特的凝固條件極大地限制了當(dāng)今可以加工的合金數(shù)量，這阻礙了金屬增材制造充分發(fā)揮其改變?cè)O(shè)計(jì)和制造以及顛覆多個(gè)行業(yè)的潛力。然而可以看到的是，適用于增材制造的新型材料正在加速涌現(xiàn)，尤以高強(qiáng)鋁合金最為突出。

除此之外，具有高性能的金屬材料以往更多依賴進(jìn)口，昂貴的價(jià)格只是限制應(yīng)用的因素之一，限制進(jìn)口則影響技術(shù)的發(fā)展。好在這種現(xiàn)象正在加速得到解決。