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2、增材制造金屬材料研究進展

 金屬材料由于良好的力學強度和導電性,使其在增材制造領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。目前用于增材制造的金屬材料主要有鈦合金、鎂鋁合金、不銹鋼、高溫合金等。

 鈦合金Ti6Al4V是目前與人類生物相容性最接近的金屬材料,而通過SLS工藝打印粉末態(tài)的鈦合金而獲得的均勻多孔生物結(jié)構(gòu)可以與人體組織獲得更好的成長結(jié)合,因此,鈦合金在SLS工藝中被用來打印出人類需要置換的各類骨骼、關(guān)節(jié)等器官。國內(nèi)外,這樣的手術(shù)案例已經(jīng)很多,我國在該領(lǐng)域走在世界前列。鈦金屬粉末也被英國的Metalysis公司成功地制成了葉輪和渦輪增壓器等汽車零件。此外,鈦合金在增材制造汽車、航空航天和國防工業(yè)上都將有很廣闊的應(yīng)用前景。

 鎂鋁合金因其強度高、比重輕等優(yōu)點,也被應(yīng)用在增材制造技術(shù)中。日本佳能公司就利用增材制造技術(shù)制造出了頂級單反相機殼體上的鎂鋁合金特殊曲面頂蓋。EOS公司新近推出的產(chǎn)品AlSi10Mg Speed1.0,平均粒徑為30μm,采用增材制造技術(shù)幾乎可以獲得100%的致密度,且制件的抗拉強度可以達到360MPa,屈服強度可以達到220MPa。

 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,是最早應(yīng)用于增材制造的金屬材料。由于不銹鋼容易制成各種不同的光面和磨砂面,在增材制造常用于制造珠寶、功能構(gòu)件和小型雕刻品等。由于增材制造的不銹鋼制品表面略顯粗糙,且存在麻點。目前的研究主要集中在降低孔隙率、增加強度以及對熔化過程的球化機制等方面。

 高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基礎(chǔ),能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力環(huán)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,目前已成為航空工業(yè)應(yīng)用的主要增材制造材料。Inconel1718合金是鎳基高溫合金中應(yīng)用最早的一種, 也是目前航空發(fā)動機使用量最多的一種合金。美國就利用增材制造技術(shù)制備了IN718鎳基高溫合金轉(zhuǎn)子。

3、增材制造陶瓷材料研究進展

 陶瓷材料增材制造技術(shù)始于1989年,當時美國Taxas大學的Carlckard采用高能激光掃描陶瓷粉末材料,通過逐層疊加燒結(jié)的方式,最終獲得所需形狀的陶瓷工件。隨后,這種方法被繼續(xù)用于制備陶瓷材料并取得了一些成果。SLS技術(shù)根據(jù)燒結(jié)機理還可以分為直接燒結(jié)法和間接燒結(jié)法。直接燒結(jié)法是指陶瓷粉末與聚合物粘結(jié)劑混合在一起,將粉末制備成干燥粉末、液態(tài)懸濁液或者漿料的形式,逐層沉積并用激光掃描。在掃描過程中激光只需要熔化聚合物粘結(jié)劑,即可實現(xiàn)陶瓷顆粒的粘結(jié)成型。因此,直接燒結(jié)過程中所需的激光功率比較小,燒結(jié)溫度也相對較低。這種方法具有生產(chǎn)周期短,制備的工件純度高、致密度高、力學性能高的優(yōu)點,但也存在制品表面粗糙度較大、尺寸精度較低的缺點。Wilkes等制成了氧化鋁-氧化鋯制品,將預熱溫度提高到1800℃，雖然制造的陶瓷制品致密度接近100%且強度達到538MPa,但表面質(zhì)量及精度都比較差。

 而間接燒結(jié)法是混合高熔點和低熔點粉末,采用激光照射混合粉體,通過低熔點粉末的熔化,最終實現(xiàn)高熔點的陶瓷粉末的成型。間接燒結(jié)法的關(guān)鍵是混合粉體、懸浮液或漿料的制備以及鋪粉的工藝。在陶瓷材料打印成型后,還需要對坯體進行加工,如燒結(jié)、等靜壓、熱壓等方式處理,最終得到具有一定孔隙度、強度的陶瓷產(chǎn)品。相比于直接法,間接法能夠獲得高密度的粉塵,陶瓷產(chǎn)品的致密度也比較高。近年來,間接燒結(jié)法發(fā)展了以漿料為基礎(chǔ)的方法,這種方法更容易制備致密度較高的陶瓷坯體。中國臺灣國立臺北科技大學的Tang等研究表明:“采用聚乙烯醇包裹的氧化鋁粉末漿料,大幅度提高了粉塵致密度,得到了致密度高達98%的氧化鋁陶瓷部件,其平均彎曲強度達363.5MPa。

 SLM是直接將陶瓷粉末完全熔化來成形,不需要再添加有機粘結(jié)劑。該技術(shù)于1995年由德國的Fraunhofer激光技術(shù)協(xié)會提出,并將其應(yīng)用于陶瓷材料的成型中。SLM與SLS的區(qū)別在于,SLM是在成形過程中通過控制粉末的孔隙率、孔形狀以及調(diào)節(jié)激光參數(shù)來實現(xiàn)粉末的完全熔化,所以理論上能夠制備出致密度達100%、形狀任意及內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜的高性能部件。2011年,德國Fraunhofer激光研究所的Hagedorn等采用散射的二氧化碳激光器,逐層預熱粉體直到1700℃,制成了含氧化鋁-氧化鋯共熔體的工件,該工件熱裂紋較少,致密度達到100%,并且抗彎強度達到了500MPa。但只能制備尺寸較小的工件,工件尺寸一旦超過3mm時,制品的致密度會下降,且會出現(xiàn)許多熱裂紋,表面質(zhì)量也比較差。

經(jīng)過近20年的發(fā)展,增材制造技術(shù)用于陶瓷工件的制作工藝有了較大的改進,產(chǎn)品性能也得到了一定的提高。目前能夠采用增材制造技術(shù)實現(xiàn)硼化鋯、氧化鋯、氧化鋁等少量陶瓷材料的成型制備。但截至目前,無論是直接法還是間接法,由于陶瓷本身具有脆性大、膨脹系數(shù)低等的特性,陶瓷材料增材制造中出現(xiàn)的熱應(yīng)力問題尚未得到解決,制品容易出現(xiàn)熱裂紋,陶瓷材料的增材制造技術(shù)離實際應(yīng)用還比較遠。尤其在成形體積較大的陶瓷工件時熱應(yīng)力的影響更大。即便目前有很多學者通過研究預熱的方式來減少熱裂紋和內(nèi)應(yīng)力,但是預熱溫度過高也會形成較大的

熔池,導致表面粗糙、精度降低。因此增材制造陶瓷材料距離實質(zhì)性應(yīng)用還面臨著巨大困難與挑戰(zhàn)。

4、我國增材制造材料存在的問題與展望

 近年來增材制造技術(shù)發(fā)展很快,其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷增加。原材料作為增材制造技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ),它的發(fā)展將是制約增材制造發(fā)展的技術(shù)瓶頸。目前我國在關(guān)于增材制造原材料的研究方面還不夠成熟,制定的相關(guān)標準也還不完善,市場上應(yīng)用的增材制造用原材料大部分仍需從國外進口,價格昂貴。進口光敏樹脂的價格在1500元/公斤左右,國產(chǎn)光敏樹脂的價格在800元/公斤左右,但是無論在成形精度還是成形件力學性能等方面,國產(chǎn)樹脂性能距國外同類產(chǎn)品還有一定的差距。在制備高品質(zhì)球形鈦及鈦合金粉末方面,以美國、德國、俄羅斯為代表的發(fā)達工業(yè)強國擁有多種成熟的鈦及鈦合金球形粉末制備技術(shù),開發(fā)的球形鈦及鈦合金粉末不僅可以滿足傳統(tǒng)工藝近凈成形的要求,也能滿足增材制造等新

型工藝近凈成形的要求,粉末粒度可達d50≤74μm,目前已經(jīng)形成了具有高附加值的稀有金屬粉末產(chǎn)業(yè)。我國對于球形鈦及鈦合金粉末的研究在20世紀80年代起步,雖然經(jīng)過了幾十年的發(fā)展,國內(nèi)也有不少有關(guān)科研單位進行自主開發(fā),但國內(nèi)生產(chǎn)的球形鈦及鈦合金d50≈150μm,只能初步滿足增材制造技術(shù)的要求。對于鋪粉工藝的增材制造技術(shù)所需的細粒徑的球形鈦合金粉末,國內(nèi)還是主要依賴進口。因此,原材料的缺陷和不足,將極大地限制我國增材制造技術(shù)的推廣及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

 因此,當下最急需的是加大對原材料的研發(fā)力度,尤其是在新材料的研發(fā)及應(yīng)用方面,根據(jù)增材制造的特點,再結(jié)合市場應(yīng)用的各種要求,大力開發(fā)新的原材料,比如,納米材料、直接打印制作高致密金屬零件的合金材料、功能梯度材料、生物材料等,將是增材制造材料不斷提高質(zhì)量的發(fā)展方向;此外,推進增材制造材料的系列化、標準化、綠色環(huán)保化,并借助“增材制造+”的理念,不斷拓展增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)的深入融合,將是增材制造技術(shù)發(fā)展的重要方向。