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30 μm,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360 MPa,屈服强度可以达到220 MPa。

   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1 800 ℃,虽然制造的陶瓷制品致密度接近100%且强度达到538 MPa,但表面质量及精度都比较差。

未完待续；