3D打印用金属材料汇总

天津大格

近几年随着3D打印技术的快速发展，它在航空航天、汽车、生物医药和建筑领域的应用范围逐步拓宽，其方便快捷、材料利用率高等优势不断显现。

目前，金属3D打印技术主要有选择性激光烧结（SLS）、电子束熔融（EBM）、选择性激光熔化（SLM）和激光近净成形（LENS），其中选择性激光熔化为研究的热点，其使用高能激光源，可以熔融多种金属粉末。国内外金属3D打印机采用的金属粉末一般有：工具钢、马氏体钢、不锈钢、纯钛及钛合金、铝合金、镍基合金、铜基合金、钴铬合金等。常用的粉体为钛粉、铝合金粉和不锈钢粉。

工具钢和马氏体刚

工具钢的适用性来源于其优异的硬度、耐磨性和抗形变能力，以及在高温下保持切削刃的能力。模具H13热作工具钢就是其中一种，能够承受不确定时间的工艺条件；马氏体钢，以马氏体300为例，又称“马氏体时效”钢，在时效过程中的高强度、韧性和尺寸稳定性都是众所周知的。他们与其他钢不同，因为他们是不含碳的，属于金属间化合物，通过丰富的镍、钴和钼的冶金反应硬化。由于高硬度和耐磨性，马氏体300才适用于许多模具的应用，例如，注塑模具、轻金属合金铸造、冲压和挤压等，同时，其也广泛应用于航空航天、高强度机身部件和赛车零部件。

不锈钢

不锈钢具有耐化学腐蚀、耐高温和力学性能良好等特性，由于其粉末成型性好、制备工艺简单且成本低廉，是最早应用于3D金属打印的材料。

目前，应用于金属3D打印的不锈钢主要有三种：奥氏体不锈钢316L、马氏体不锈钢15-5PH、马氏体不锈钢17-4PH。

奥氏体不锈钢316L，具有高强度和耐腐蚀性，可在很宽的温度范围下降到低温，可应用于航空航天、石化等多种工程应用，也可以用于食品加工和医疗等领域。

马氏体不锈钢15-5PH，又称马氏体时效（沉淀硬化）不锈钢，具有很高的强度、良好的韧性、耐腐蚀性，而且可以进一步的硬化，是无铁素体。目前，广泛应用于航空航天、石化、化工、食品加工、造纸和金属加工业。

马氏体不锈钢17-4PH，在高达315℃下仍具有高强度高韧性，而且耐腐蚀性超强，随着激光加工状态可以带来极佳的延展性。目前华中科技大学、南京航空航天大学、中北大学等院校在金属3D打印方面研究比较深入；现在的研究主要集中在降低孔隙率、增加强度以及对熔化过程的金属粉末球化机制等方面。

钛合金

钛合金具有耐高温、高耐腐蚀性、高强度、低密度以及生物相容性等优点，在航空航天、化工、核工业、运动器材及医疗器械等领域得到了广泛的应用。

传统锻造和铸造技术制备的钛合金件已被广泛地应用在高新技术领域，如美国F14、F15、F117、B2和F22军机的用钛比例分别为：24%、27%、25%、26%和42%，一架波音747飞机用钛量达到42.7t。但是传统锻造和铸造方法生产大型钛合金零件，由于产品成本高、工艺复杂、材料利用率低以及后续加工困难等不利因素，阻碍了其更为广泛的应用。而金属3D打印技术可以从根本上解决这些问题，因此该技术近年来成为一种直接制造钛合金零件的新型技术。

图为F-35的钛合金整体框，目前美国仍然只能使用水压机来进行这种构件的生产

飞机钛合金大型整体关键构件激光成形技术是“3D打印技术”的高端发展形势，对航空工业来说是一场革命性的技术，而跑在这项技术前列的是中美两国，而中国则领先美国。TiAl6V4（TC4）是最早使用于SLM工业生产的一种合金。但是3D打印钛零件由于钛本身的抗塑性剪切变形能力和耐磨性差，限制了其在高温和腐蚀耐磨条件下的使用。因此铼（Re）和镍（Ni）被引入钛合金中，3D打印的Re基复合喷灌已经成功应用于航空发动机燃烧室，工作温度可达2200℃。