2、增材制造金属材料研究进展

 金属材料由于良好的力学强度和导电性,使其在增材制造领域有广泛的应用领域。目前用于增材制造的金属材料主要有钛合金、镁铝合金、不锈钢、高温合金等。

 钛合金Ti6Al4V是目前与人类生物相容性最接近的金属材料,而通过SLS工艺打印粉末态的钛合金而获得的均匀多孔生物结构可以与人体组织获得更好的成长结合,因此,钛合金在SLS工艺中被用来打印出人类需要置换的各类骨骼、关节等器官。国内外,这样的手术案例已经很多,我国在该领域走在世界前列。钛金属粉末也被英国的Metalysis公司成功地制成了叶轮和涡轮增压器等汽车零件。此外,钛合金在增材制造汽车、航空航天和国防工业上都将有很广阔的应用前景。

 镁铝合金因其强度高、比重轻等优点,也被应用在增材制造技术中。日本佳能公司就利用增材制造技术制造出了顶级单反相机壳体上的镁铝合金特殊曲面顶盖。EOS公司新近推出的产品AlSi10Mg Speed1.0,平均粒径为30μm,采用增材制造技术几乎可以获得100%的致密度,且制件的抗拉强度可以达到360MPa,屈服强度可以达到220MPa。

 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,是最早应用于增材制造的金属材料。由于不锈钢容易制成各种不同的光面和磨砂面,在增材制造常用于制造珠宝、功能构件和小型雕刻品等。由于增材制造的不锈钢制品表面略显粗糙,且存在麻点。目前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球化机制等方面。

 高温合金是指以铁、镍、钴为基础,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、良好的抗热腐蚀和抗氧化性能以及良好的塑性和韧性,目前已成为航空工业应用的主要增材制造材料。Inconel1718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。美国就利用增材制造技术制备了IN718镍基高温合金转子。

3、增材制造陶瓷材料研究进展

 陶瓷材料增材制造技术始于1989年,当时美国Taxas大学的Carlckard采用高能激光扫描陶瓷粉末材料,通过逐层叠加烧结的方式,最终获得所需形状的陶瓷工件。随后,这种方法被继续用于制备陶瓷材料并取得了一些成果。SLS技术根据烧结机理还可以分为直接烧结法和间接烧结法。直接烧结法是指陶瓷粉末与聚合物粘结剂混合在一起,将粉末制备成干燥粉末、液态悬浊液或者浆料的形式,逐层沉积并用激光扫描。在扫描过程中激光只需要熔化聚合物粘结剂,即可实现陶瓷颗粒的粘结成型。因此,直接烧结过程中所需的激光功率比较小,烧结温度也相对较低。这种方法具有生产周期短,制备的工件纯度高、致密度高、力学性能高的优点,但也存在制品表面粗糙度较大、尺寸精度较低的缺点。Wilkes等制成了氧化铝-氧化锆制品,将预热温度提高到1800℃，虽然制造的陶瓷制品致密度接近100%且强度达到538MPa,但表面质量及精度都比较差。

 而间接烧结法是混合高熔点和低熔点粉末,采用激光照射混合粉体,通过低熔点粉末的熔化,最终实现高熔点的陶瓷粉末的成型。间接烧结法的关键是混合粉体、悬浮液或浆料的制备以及铺粉的工艺。在陶瓷材料打印成型后,还需要对坯体进行加工,如烧结、等静压、热压等方式处理,最终得到具有一定孔隙度、强度的陶瓷产品。相比于直接法,间接法能够获得高密度的粉尘,陶瓷产品的致密度也比较高。近年来,间接烧结法发展了以浆料为基础的方法,这种方法更容易制备致密度较高的陶瓷坯体。中国台湾国立台北科技大学的Tang等研究表明:“采用聚乙烯醇包裹的氧化铝粉末浆料,大幅度提高了粉尘致密度,得到了致密度高达98%的氧化铝陶瓷部件,其平均弯曲强度达363.5MPa。

 SLM是直接将陶瓷粉末完全熔化来成形,不需要再添加有机粘结剂。该技术于1995年由德国的Fraunhofer激光技术协会提出,并将其应用于陶瓷材料的成型中。SLM与SLS的区别在于,SLM是在成形过程中通过控制粉末的孔隙率、孔形状以及调节激光参数来实现粉末的完全熔化,所以理论上能够制备出致密度达100%、形状任意及内部结构复杂的高性能部件。2011年,德国Fraunhofer激光研究所的Hagedorn等采用散射的二氧化碳激光器,逐层预热粉体直到1700℃,制成了含氧化铝-氧化锆共熔体的工件,该工件热裂纹较少,致密度达到100%,并且抗弯强度达到了500MPa。但只能制备尺寸较小的工件,工件尺寸一旦超过3mm时,制品的致密度会下降,且会出现许多热裂纹,表面质量也比较差。

经过近20年的发展,增材制造技术用于陶瓷工件的制作工艺有了较大的改进,产品性能也得到了一定的提高。目前能够采用增材制造技术实现硼化锆、氧化锆、氧化铝等少量陶瓷材料的成型制备。但截至目前,无论是直接法还是间接法,由于陶瓷本身具有脆性大、膨胀系数低等的特性,陶瓷材料增材制造中出现的热应力问题尚未得到解决,制品容易出现热裂纹,陶瓷材料的增材制造技术离实际应用还比较远。尤其在成形体积较大的陶瓷工件时热应力的影响更大。即便目前有很多学者通过研究预热的方式来减少热裂纹和内应力,但是预热温度过高也会形成较大的

熔池,导致表面粗糙、精度降低。因此增材制造陶瓷材料距离实质性应用还面临着巨大困难与挑战。

4、我国增材制造材料存在的问题与展望

 近年来增材制造技术发展很快,其应用领域也在不断增加。原材料作为增材制造技术的物质基础,它的发展将是制约增材制造发展的技术瓶颈。目前我国在关于增材制造原材料的研究方面还不够成熟,制定的相关标准也还不完善,市场上应用的增材制造用原材料大部分仍需从国外进口,价格昂贵。进口光敏树脂的价格在1500元/公斤左右,国产光敏树脂的价格在800元/公斤左右,但是无论在成形精度还是成形件力学性能等方面,国产树脂性能距国外同类产品还有一定的差距。在制备高品质球形钛及钛合金粉末方面,以美国、德国、俄罗斯为代表的发达工业强国拥有多种成熟的钛及钛合金球形粉末制备技术,开发的球形钛及钛合金粉末不仅可以满足传统工艺近净成形的要求,也能满足增材制造等新

型工艺近净成形的要求,粉末粒度可达d50≤74μm,目前已经形成了具有高附加值的稀有金属粉末产业。我国对于球形钛及钛合金粉末的研究在20世纪80年代起步,虽然经过了几十年的发展,国内也有不少有关科研单位进行自主开发,但国内生产的球形钛及钛合金d50≈150μm,只能初步满足增材制造技术的要求。对于铺粉工艺的增材制造技术所需的细粒径的球形钛合金粉末,国内还是主要依赖进口。因此,原材料的缺陷和不足,将极大地限制我国增材制造技术的推广及产业化发展。

 因此,当下最急需的是加大对原材料的研发力度,尤其是在新材料的研发及应用方面,根据增材制造的特点,再结合市场应用的各种要求,大力开发新的原材料,比如,纳米材料、直接打印制作高致密金属零件的合金材料、功能梯度材料、生物材料等,将是增材制造材料不断提高质量的发展方向;此外,推进增材制造材料的系列化、标准化、绿色环保化,并借助“增材制造+”的理念,不断拓展增材制造技术与传统制造业的深入融合,将是增材制造技术发展的重要方向。