简介

    金属3D打印材料的应用领域相当广泛，例如，石化工程应用、航空航天、汽车制造、注塑模具、轻金属合金铸造、食品加工、医疗、造纸、电力工业、珠宝、时装等。

    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。

    汇总

    工具钢和马氏体钢

    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。

GKN Hoeganaes金属粉末

    不锈钢

    不锈钢与碳钢不同，目前的铬含量不同，10.5%铬含量最低的钢合金，不锈钢不容易生锈腐蚀。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。

    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。

    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℃。

    铝合金

    铝合金具有优良的物理、化学和力学性能，在许多领域获得了广泛的应用，但是铝合金自身的特性（如易氧化、高反射性和导热性等）增加了选择性激光熔化制造的难度。

    目前，SLM成形铝合金中存在氧化、残余应力、空隙缺陷及致密度等问题，这些问题主要通过严格的保护气氛，增加激光功率，降低扫面速度等改善。目前，SLM成形铝合金材料主要集中在Al-Si-Mg系合金，主要有铝硅AlSi12和AlSi10Mg两种。

    铝硅12，是具有良好的热性能的轻质增材制造金属粉末，可应用于薄壁零件，如换热器或其他汽车零部件，还可应用于航空航天及航空工业级的原型及生产零部件；硅/镁组合使铝合金更具强度和硬度，使其适用于薄壁以及复杂的几何形状的零件，尤其是在具有良好的热性能和低重量场合中。

    高温合金

    高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力环境下长期工作的一类金属材料，其具有较高的高温强度、良好的抗热腐蚀性和抗氧化性能以及良好的塑性和韧性。

铁基合金粉末

    目前按合金基体种类大致可分为铁基、镍基和钴基合金三大类。高温合金主要用于高性能发动机，在现代先进的航空发动机中，高温合金材料的使用量占发动机总质量的40%～60%。

    现代高性能航空发动机的发展对高温合金的使用温度和性能的要求越来越高。传统的铸锭冶金工艺冷却速度慢，铸锭中某些元素和第二相偏析严重，热加工性能差，组织不均匀，性能不稳定。

    而3D打印技术在高温合金成形中成为解决技术瓶颈的新方法。美国航空航天局声称，在2014年8月22日进行的高温点火试验中，通过3D打印技术制造的火箭发动机喷嘴产生了创纪录的9吨推力。

    Inconel 718是基于铁镍硬化的超合金，具有良好的耐腐蚀性及耐热、拉伸、疲劳、蠕变性，适用于各种高端应用，例如，飞机涡轮发动机和陆基涡轮机等。Inconel 718合金是镍基高温合金中应用最早的一种，也是目前航空发动机使用量最多的一种合金。

    钴铬合金具有高强度、耐腐蚀性强、良好的生物相容性以及无磁性的性能，主要应用于外科植入物包括合金人工关节、膝关节和髋关节，同时还可用于发动机部件以及时装、珠宝行业等。

    镁合金

    镁合金作为最轻的结构合金，由于其特殊的高强度和阻尼性能，在诸多应用领域具有替代钢和铝合金的可能。例如镁合金在汽车以及航空器组件方面的轻量化应用，可降低燃料使用量和废气排放。

    镁合金具有原位降解性，并且其杨氏模量低，强度接近人骨，有优异的生物相容性，在外科植入方面比传统合金更有应用前景。

    铜基合金

    应用于市场的铜基合金，俗称青铜，具有良好的导热性和导电性，可以结合设计自由度，产生复杂的内部结构和冷却通道，适合冷却更有效的工具插入模具，如半导体器件，也可用于微型换热器，具有壁薄、形状复杂的特征。

    小结

    现在适用于工业用3D打印的金属材料种类繁多，但是大部分只有专用的粉末材料才能满足3D找印的工业生产要求。简单概括，3D 打印金属粉末除需具备良好的可塑性外，还必须满足粉末粒径细小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松装密度高等要求。

    相比国外，国内金属3D打印材料大部分依赖进口，价格昂贵，这也促使国内致力于3D打印金属材料的企业和机构自主研发金属3D打印材料。

    最具代表性的可提供金属材料及服务的企业有西安铂力特、中航迈特、无锡银邦、上海材料研究所、上海康速金属材料、鑫烯三维科技等企业；支持金属3D打印的设备公司有，中航天地、武汉滨湖、广东信达雅、永年激光、南京煜宸、中山汉邦、鑫精合、华曙高科、多能正光、北京隆源、易加三维、恒通智能、吴江中瑞、北方恒利等企业。

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责任编辑：王元

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