金屬粉末已成為金屬零件3D打印產業鏈重*重要的一環

    3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前，應用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料等，此外還有用于打印首飾用的金、銀等貴金屬粉末材料。3D 打印金屬粉末作為金屬零件3D 打印產業鏈*重要的一環，也是*大的價值所在。

    在“2013年世界3D 打印技術產業大會”上，世界3D 打印行業的權威專家對3D打印金屬粉末給予明確定義，即指尺寸小于1mm 的金屬顆粒群。包括單一金屬粉末、合金粉末以及具有金屬性質的某些難熔化合物粉末。目前，3D 打印金屬粉末材料包括鈷鉻合金、不銹鋼、工業鋼、青銅合金、鈦合金和鎳鋁合金等。但是3D打印金屬粉末除需具備良好的可塑性外，還必須滿足粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求。

    鈦合金

    鈦合金具有耐高溫、高耐腐蝕性、高強度、低密度以及生物相容性等優點，在航空航天、化工、核工業、運動器材及醫療器械等領域得到了廣泛的應用。傳統鍛造和鑄造技術制備的鈦合金件已被廣泛地應用在高新技術領域，一架波音747飛機用鈦量達到42.7t。但是傳統鍛造和鑄造方法生產大型鈦合金零件，由于產品成本高、工藝復雜、材料利用率低以及后續加工困難等不利因素，阻礙了其更為廣泛的應用。而金屬3D打印技術可以從根本上解決這些問題，因此該技術近年來成為一種直接制造鈦合金零件的新型技術。開發新型鈦基合金是鈦合金SLM應用研究的主要方向。由于鈦以及鈦合金的應變硬化指數低（近似為0.15），抗塑性剪切變形能力和耐磨性差，因而限制了其制件在高溫和腐蝕磨損條件下的使用。

    然而錸（Re）的熔點很高，一般用于超高溫和強熱震工作環境，如美國 Ultramet公司采用金屬有機化學氣相沉積法（MOCVD）制備 Re基復合噴管已經成功應用于航空發動機燃燒室，工作溫度可達2200℃。因此，Re-TI合金的制備在航空航天、核能源和電子領域具有重大意義。Ni具有磁性和良好的可塑性，因此Ni-TI合金是常用的一種形狀記憶合金。合金具有偽彈性、高彈性模量、阻尼特性、生物相容性和耐腐蝕性等性能。另外鈦合金多孔結構人造骨的研究日益增多，日本京都大學通過3D打印技術給4位頸椎間盤突出患者制作出不同的人造骨并成功移植，該人造骨即為Ni-TI合金。

    不銹鋼

    不銹鋼具有耐化學腐蝕、耐高溫和力學性能良好等特性，由于其粉末成型性好、制備工藝簡單且成本低廉，是*早應用于3D金屬打印的材料。如華中科技大學、南京航空航天大學、東北大學等院校在金屬3D 打印方面研究比較深入。現研究主要集中在降低孔隙率、增加強度以及對熔化過程的金屬粉末球化機制等方面。李瑞迪等采用不同的工藝參數，對304L不銹鋼粉末進行了SLM成形試驗，得出304L不銹鋼致密度經驗公式，并總結出晶粒生長機制。

    潘琰峰分析和探討了316L不銹鋼成形過程中球化產生機理和影響球化的因素，認為在激光功率和粉末層厚一定時，適當增大掃描速度可減小球化現象，在掃描速度和粉末層厚固定時，隨著激光功率的增大，球化現象加重。Ma等通過對1Cr18Ni9Ti不銹鋼粉末進行激光熔化，發現粉末層厚從60μm 增加到150μm時，枝晶間距從0.5μm增加到1.5μm，*后穩定在2.0μm 左右，試樣的硬度依賴于熔化區域各向異性的微結構和晶粒大小。姜煒采用一系列的不銹鋼粉末，分別研究粉末特性和工藝參數對SLM成形質量的影響，結果表明，粉末材料的特殊性能和工藝參數對SLM 成形影響的機理主要是在于對選擇性激光成形過程當中熔池質量的影響，工藝參數（激光功率、掃描速度）主要影響熔池的深度和寬度，從而決定SLM 成形件的質量。

    高溫合金

    高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應力環境下長期工作的一類金屬材料。其具有較高的高溫強度、良好的抗熱腐蝕和抗氧化性能以及良好的塑性和韌性。目前按合金基體種類大致可分為鐵基、鎳基和鈷基合金3類。高溫合金主要用于高性能發動機，在現代先進的航空發動機中，高溫合金材料的使用量占發動機總質量的40%～60%。現代高性能航空發動機的發展對高溫合金的使用溫度和性能的要求越來越高。傳統的鑄錠冶金工藝冷卻速度慢，鑄錠中某些元素和第二相偏析嚴重，熱加工性能差，組織不均勻，性能不穩定。而3D打印技術在高溫合金成形中成為解決技術瓶頸的新方法。美國航空航天局聲稱，在2014年8月22日進行的高溫點火試驗中，通過3D打印技術制造的火箭發動機噴嘴產生了創紀錄的9t推力。

    鎂合金

    鎂合金作為*輕的結構合金，由于其特殊的高強度和阻尼性能，在諸多應用領域鎂合金具有替代鋼和鋁合金的可能。例如鎂合金在汽車以及航空器組件方面的輕量化應用，可降低燃料使用量和廢氣排放。鎂合金具有原位降解性并且其楊氏模量低，強度接近人骨，優異的生物相容性，在外科植入方面比傳統合金更有應用前景。

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