金屬3D打印技術(shù)及專用粉末的研究

近年來，3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用于實際產(chǎn)品的制造，其中，金屬材料的3D打印技術(shù)發(fā)展尤其迅速。在國防領(lǐng)域，歐美發(fā)達(dá)國家非常重視3D打印技術(shù)的發(fā)展，不惜投入巨資加以研究，而3D打印金屬零部件一直是研究和應(yīng)用的重點。不大能打印模具、自行車，還能打印出gun等武器，甚至能夠打印出汽車、飛機(jī)等大型設(shè)備裝備。

作為一種新型制造技術(shù)，3D打印已展現(xiàn)出了十分廣闊的應(yīng)用前景,而且在裝備設(shè)計與制造、裝備保障、航空航天等更多的領(lǐng)域展現(xiàn)出了強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。

1、3D打印概述  

基本概述  

3D打印技術(shù)的核心思想最早起源19世紀(jì)末的美國，但是直到20世紀(jì)80年代中期才有了雛形，1986年美國人Charles  Hull發(fā)明了3D打印機(jī)。我國是從1991 年開始研究3D打印技術(shù)的，2000年前后，這些工藝開始從實驗室研究逐步向工程化、產(chǎn)品化方向發(fā)展。當(dāng)時它的名字叫快速原型技術(shù)（RP），即開發(fā)樣品之前的實物模型。現(xiàn)在也有叫快速成型技術(shù)，增材制造。但為便于公眾接受，把這種新技術(shù)統(tǒng)稱為3D打印。  3D打印是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型設(shè)計為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或樹脂等可粘合材料，通過逐層“增材”打印的方式來構(gòu)造三維物體的技術(shù)。3D打印被稱作“上個世紀(jì)的思想和技術(shù)，這個世紀(jì)的市場”。而且我國在3D打印航空航天方面最近還取得了突破， 3D打印部件從3kg減重到600g，減重80% 。

3D打印特點

1）精度高。目前3D打印設(shè)備的精度基本都可控制在0.3mm以下。

2）周期短。3D打印無須模具的制作過程，使得模型的生產(chǎn)時間大大縮短，一般幾個小時甚至幾十分鐘就可以完成一個模型的打印。 

3）可實現(xiàn)個性化。3D打印對于打印的模型數(shù)量毫無限制，不管一個還是多個都可以以相同的成本制作出來。  

4）材料的多樣性。一個3D打印系統(tǒng)往往可以實現(xiàn)不同材料的打印，而這種材料的多樣性可以滿足不同領(lǐng)域的需要。

5）成本相對較低。雖然現(xiàn)在3D打印系統(tǒng)和3D打印材料比較貴，但如果用來制作個性化產(chǎn)品，其制作成本相對就比較低了。 

2、金屬3D打印技術(shù)

金屬零件3D打印技術(shù)作為整個3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。隨著科技發(fā)展及推廣應(yīng)用的需求，利用快速成型直接制造金屬功能零件成為了快速成型主要的發(fā)展方向。目前可用于直接制造金屬功能零件的快速成型方法主要有：選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）、電子束選區(qū)熔化（Electron Beam Selective Melting，EBSM）、激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）等。

激光工程化凈成形技術(shù)( LENS) 

LENS是一種新的快速成形技術(shù)，它由美國Sandia國家實驗室首先提出。其特點是: 直接制造形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬功能零件或模具；可加工的金屬或合金材料范圍廣泛并能實現(xiàn)異質(zhì)材料零件的制造；可方便加工熔點高、難加工的材料。

LENS是在激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種金屬零件3D打印技術(shù)。采用中、大功率激光熔化同步供給的金屬粉末，按照預(yù)設(shè)軌跡逐層沉積在基板上，最終形成金屬零件。1999年，LENS工藝獲得了美國工業(yè)界中“最富創(chuàng)造力的25項技術(shù)”之一的稱號。國外研究人員研究了LENS工藝制備奧氏體不銹鋼試件的硬度分布，結(jié)果表明隨著加工層數(shù)的增加，試件的維氏硬度降低。

國外研究人員應(yīng)用LENS工藝制備了載重植入體的多孔和功能梯度結(jié)構(gòu)，采用的材料為Ni、Ti等與人體具有良好相容性的合金，制備的植入體的孔隙率高能達(dá)到70%，使用壽命達(dá)到7-12年。  Krishna等人采用Ti-6Al-4V和Co-Cr-Mo合金制備了多孔生物植入體，并研究了植入體的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)孔隙率為10%時，楊氏模量達(dá)到90 GPa，當(dāng)孔隙率為70%時，楊氏模量急劇降到2 GPa，這樣就可以通過改變孔隙率，使植入體的力學(xué)性能與生物體適配。   Zhang等制備了網(wǎng)狀的 Fe 基（Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr）金屬玻璃（MG）組件，研究發(fā)現(xiàn)MG的顯微硬度達(dá)到9.52 GPa。Li通過LENS工藝修復(fù)定向凝固高溫合金GTD-111。國內(nèi)的薛春芳等采用LENS工藝，獲得微觀組織、顯微硬度和機(jī)械性能良好的網(wǎng)狀的Co基高溫合金薄壁零件。費群星等采用LENS工藝成型了無變形的Ni-Cu-Sn合金樣品。

在LENS系統(tǒng)中，同軸送粉器包括送粉 器、送粉頭和保護(hù)氣路3部分。送粉器包括粉末料箱和粉末定量送給機(jī)構(gòu)，粉末的流量由步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速決定。為使金屬粉末在自重作用下增加流動性，將送粉器架設(shè)在2. 5 m的高度上。從送粉器流出的金屬粉末經(jīng)粉末分割器平均分成4份并通過軟管流入粉頭，金屬粉末從粉頭的噴嘴噴射到激光焦點的位置完成熔化堆積過程。全部粉末路徑由保護(hù)氣體推動，保護(hù)氣體將金屬粉末與空氣隔離，從而避免金屬粉末氧化。LENS 系統(tǒng)同 軸送粉器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。目前，快速原型技術(shù)已經(jīng)逐步趨于成熟，發(fā)達(dá)國家也將激光工程化凈成形技術(shù)作為研究的重點，并取得了一些實質(zhì)性成果。在實際應(yīng)用中，可以利用該技術(shù)制作出功能復(fù) 合型材料，可以修復(fù)高附加值的鈦合金葉片，也可以運(yùn)用到直升機(jī)、客機(jī)、導(dǎo)彈的制作中。另外，還能將該技術(shù)運(yùn)用于生物植入領(lǐng)域，采用與人體具有相容性的Ni、Ti材質(zhì)制備植入體，有效提升了空隙率，延長了植入體的使用時長。

激光選區(qū)熔化技術(shù)( SLM) 

SLM 是金屬 3D 打印領(lǐng)域的重要部分，其發(fā)展歷程經(jīng)歷低熔點非金屬粉末燒結(jié)、低熔點包覆高熔點粉末燒結(jié)、高熔點粉末直接熔化成形等階段。由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校在 1986年最早申請zhuanli，1988年研制成功了第1臺SLM 設(shè)備，采用精細(xì)聚焦光斑快速熔化成30 ～51 μm 的預(yù)置粉末材料，幾乎可以直接獲得任意形狀以及具有完全冶金結(jié)合的功能零件。致密度可達(dá)到近乎 100%，尺寸精度達(dá) 20 ～ 50 μm，表面粗糙度達(dá)20 ～30 μm，是一種極具發(fā)展前景的快速成形技術(shù)。

SLM成型材料多為單一組分金屬粉末，包括奧氏體不銹鋼、鎳基合金、鈦基合金、鈷-鉻合金和貴重金屬等。激光束快速熔化金屬粉末并獲得連續(xù)的熔道，可以直接獲得幾乎任意形狀、具有完全冶金結(jié)合、高精度的近乎致密金屬零件，是極具發(fā)展前景的金屬零件3D打印技術(shù)。其應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到航空航天、微電子、醫(yī)療、珠寶首飾等行業(yè)。

SLM工藝有多達(dá)50多個影響因素，對 成型效果具有重要影響的六大類：材料屬性、激光與光路系統(tǒng)、掃描特征、成型氛圍、成型幾何特征和設(shè)備因素。目前，國內(nèi)外研究人員主要針對以上幾個影響因素進(jìn)行工藝研究、應(yīng)用研究，目的都是為了解決成型過程中出現(xiàn)的缺陷，提高成型零件的質(zhì)量。工藝研究方面，SLM成型過程中重要工藝參數(shù)有激光功率、掃描速度、鋪粉層厚、掃描間距和掃描策略等，通過組合不同的工藝參數(shù)， 使成型質(zhì)量最優(yōu)。

SLM成型過程中的主要缺 陷有球化、翹曲變形。球化是成型過程中上下兩層熔化不充分，由于表面張力的作用，熔化的液滴會迅速卷成球形，從而導(dǎo)致球化現(xiàn)象，為了避免球化，應(yīng)該適當(dāng)?shù)卦龃筝斎?能量。翹曲變形是由于SLM成型過程中存在的熱應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度，發(fā)生塑性變形引起，由于殘余應(yīng)力的測量比較困難，目前對 SLM工藝的翹曲變形的研究主要是采用有限元方法進(jìn)行，然后通過實驗驗證模擬結(jié)果的可靠性。  SLM 技術(shù)的基本原理是: 先在計算機(jī)上利用Pro /e、UG、CATIA 等三維造型軟件設(shè)計出零件的三維實體模型，然后通過切片軟件對該三維模型進(jìn)行切片分層，得到各截面的輪廓數(shù)據(jù)，由輪廓數(shù)據(jù)生成填充掃描路徑，設(shè)備將按照這些填充掃描線，控制激光束選區(qū)熔化各層的金屬粉末材料，逐步堆疊成三維金屬零件。

激光束開始掃描前，鋪粉裝置先把金屬粉末平推到成形缸的基板上，激光束再按當(dāng)前層的填充掃描線，選區(qū)熔化基板上的粉末，加工出當(dāng)前層，然后成形缸下降1 個層厚的距離，粉料缸上升一定厚度的距離，鋪粉裝置再在已加工好的當(dāng)前層上鋪好金屬粉末，設(shè)備調(diào)入下一層輪廓的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，如此層層加工，直到整個零件加工完畢。整個加工過程在通有惰性氣體保護(hù)的加工室中進(jìn)行，以避免金屬在高溫下與其他氣體發(fā)生反應(yīng)。  廣泛應(yīng)用激光選區(qū)熔化技術(shù)的代表國家有德國、美國等。他們都開發(fā)出了不同的制造機(jī)型，甚至可以根據(jù)實際情況專門打造零件，滿足個性化的需要。利用EOSING M270設(shè)備成形的金屬零件尺寸較小，將其應(yīng)用到牙橋、牙冠的批量生產(chǎn)中既不會影響人們對其的使用，也不會產(chǎn)生不適感，且它的致密度接近100%，精細(xì)度較好。與此同時，利用 SLM 技術(shù)生產(chǎn)出的鈦合金零件還能夠運(yùn)用到醫(yī)學(xué)植入體中，促進(jìn)了醫(yī)學(xué)工作的發(fā)展。

電子束選區(qū)熔化技術(shù)( EBSM) 

EBSM是采用高能電子束作為加工熱源，掃描成形可以通過操縱磁偏轉(zhuǎn)線圈進(jìn)行，且電子束具有的真空環(huán)境，還可以避免金屬粉末在液相燒結(jié)或熔化過程中被氧化。鑒于電子束具有的上述優(yōu)點，瑞典 Arcam公司、清華大學(xué)、美國麻省理工學(xué)院和美國 NASA 的Langley 研究中心，均開發(fā)出了各自的電子束快速制造系統(tǒng) ，前兩家利用電子束熔化鋪在工作臺面上的金屬粉末，與激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)類似；后兩家利用電子束熔化金屬絲材，電子束固定不動，金屬絲材通過送絲裝置和工作臺移動，與激光凈成形制造技術(shù)類似。 

EBSM技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的一種金屬零3D打印技術(shù)，其與SLM/DMLS系統(tǒng)的差別主要是熱源不同，在成型原理上基本相似。與以激光為能量源的金屬零件3D打印技術(shù)相比，EBSM 工藝具有能量利用率高、無反射、功率密度高、聚焦方便等許多優(yōu)點。在目前3D打印技術(shù)的數(shù)十種方法中，EBSM技術(shù)因其能夠直接成型金屬零部件而受到人們的高度關(guān)注。

國外對EBM工藝?yán)碚撗芯肯鄬^早，瑞典的Arcam AB公司研發(fā)了商品化的EBSM設(shè)備EBM S12系列，而國內(nèi)對EBSM工藝的研究相對較晚。Heinl等采用Ti6-Al4-V、Ramirez采用Cu、Murr采用Ni基和Co基高溫合金、Hernandez等人采用TiAl制備了一系列的開放式蜂巢結(jié)構(gòu)。通過改變預(yù)設(shè)置彈性模量E，可以獲得大小不同的孔隙，降低結(jié)構(gòu)的密度，獲得輕量化的結(jié)構(gòu)。K.N.Amato等人利用Co基高溫合金矩陣顆粒制備了柱狀碳化物沉積結(jié)構(gòu)。

Ramirez等采用Cu2O制備了新型定向微結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在制備過程中，柱狀Cu2O沉淀在高純銅中這一現(xiàn)象。劉海濤等研究了工藝參數(shù)對電子束選區(qū)熔化工藝過程的影響，結(jié)果表明掃描線寬與電子束電流、加速電壓和掃描速度呈明顯的線性關(guān)系，通過調(diào)節(jié)搭接率和掃描路徑可以獲得較好的層面質(zhì)量。鎖紅波等研究了EBSM制備的Ti-6Al-4V試件的硬度和拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能，結(jié)果表明成型過程中Al元素?fù)p失明顯，低的氧氣含量及Al含量有利 于塑性提高；硬度在同一層面內(nèi)和沿熔積高 度方向沒有明顯差別，均高于退火軋制板的硬度水平。 利用金屬粉末在電子束轟擊下熔化的原理，先在鋪粉平面上鋪展一層粉末并壓實；然后，電子束在計算機(jī)的控制下按照截面輪廓的信息進(jìn)行有選擇的熔化/燒結(jié)，層層堆積，直至整個零件全部熔化/燒結(jié)完成。

EBSM 技術(shù)主要有送粉、 鋪粉、 熔化 等工藝步驟，因此，在其真空室應(yīng)具備鋪送粉機(jī)構(gòu)、粉末回收箱及成形平臺。同時，還應(yīng)包括電子槍系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。其中，控制系統(tǒng)包括掃描控制系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、電源控制系統(tǒng)、真空控制系統(tǒng)和溫度檢測系統(tǒng)，如圖 3 所示。瑞典 Arcam 公司制造生產(chǎn)的 S12 設(shè)備是電子束選區(qū)熔化技術(shù)在實際應(yīng)用中的實例。該公司在 2003 年就開始研究該項技術(shù)，并與多種領(lǐng)域結(jié)合探究。目前，EBSM技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中得到了大量應(yīng)用，相關(guān)單位正積極研究它在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用，美國在空間飛行器方面的研究重點是飛行器和火箭發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)制造以及月球或空間站環(huán)境下的金屬直接成形制造。 

3D打印材料突破是發(fā)展基礎(chǔ) 

3D打印材料是3D打印技術(shù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在某種程度上，材料的發(fā)展決定著3D打印能否有更廣泛的應(yīng)用。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、細(xì)胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印領(lǐng)域得到了應(yīng)用。3D打印所用的這些原材料都是專門針對3D打印設(shè)備和工藝而研發(fā)的，與普通的塑料、石膏、樹脂等有所區(qū)別，其形態(tài)一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。通常，根據(jù)打印設(shè)備的類型及操作條件的不同，所使用的粉末狀3D打印材料的粒徑為1～100μｍ不等，而為了使粉末保持良好的流動性，一般要求粉末要具有高球形度。  

3D 打印材料的研發(fā)和突破是3D打印技術(shù)推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)， 也是滿足打印的根本保證。一是加強(qiáng)材料的研制，形成完備的打印材料體系。近幾年，3D 打印材料發(fā)展比較快，2013年，金屬材料打印增長了28%，2014年達(dá)到30%多， 約占 3D打印材料的12%， 金屬材料以鈦、鋁、鋼和鎳等合金為主，鈦合金、高溫合金、不銹鋼、模具鋼、高強(qiáng)鋼、合金鋼和鋁合金等均可作為打印材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于裝備制造和修復(fù)再制造。  但目前還沒有一個 3D 打印材料體系， 現(xiàn)有材料還遠(yuǎn)不能滿足 3D 打印的需求。

用于激光立體成形的材料主要是金屬惰性材料， 下一步需要嘗試其他活潑的金屬打印材料。  傳統(tǒng)用于粉末冶金的金屬粉末尚不能完全適應(yīng)3D打印的要求，且目前能運(yùn)用于打印的金屬材料種類少，價格偏高。國外已出現(xiàn)少數(shù)幾家專供3D打印的金屬粉末的公司，如美國Sulzer Metco、瑞典的Sandvik等，但也只能提供少數(shù)幾種常規(guī)金屬粉末。國內(nèi)材料研發(fā)相對滯后，打印粉末太貴。因為材料研發(fā)周期長，研發(fā)難度較設(shè)備大，企業(yè)出于利益的大化不愿進(jìn)行材料研發(fā)。黃河旋風(fēng)股份有限公司是國內(nèi)為數(shù)不多的從事金剛石微粉、CBN微粉生產(chǎn)的企業(yè)。高校研究又熱衷于3D打印裝備及軟件配套等，因此打印材料在很大程度上制約著金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。 

4、金屬粉末

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(yīng)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(chǎn)業(yè)鏈最重要的一環(huán)，也是大的價值所在。

在“2013年世界 3D 打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會”上，世界 3D 打印行業(yè)的權(quán)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(zhì)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(yè)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(xì)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(qiáng)度、低密度以及生物相容性等優(yōu)點，在航空航天、化工、核工業(yè)、運(yùn)動器材及醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。  傳統(tǒng)鍛造和鑄造技術(shù)制備的鈦合金件已被廣泛地應(yīng)用在高新技術(shù)領(lǐng)域，一架波音747飛機(jī)用鈦量達(dá)到42.7t。但是傳統(tǒng)鍛造和鑄造方法生產(chǎn)大型鈦合金零件，由于產(chǎn)品成本高、工藝復(fù)雜、材料利用率低以及后續(xù)加工困難等不利因素，阻礙了其更為廣泛的應(yīng)用。而金屬3D打印技術(shù)可以從根本上解決這些問題，因此該技術(shù)近年來成為一種直接制造鈦合金零件的新型技術(shù)。  開發(fā)新型鈦基合金是鈦合金SLM應(yīng)用研究的主要方向。由于鈦以及鈦合金的應(yīng)變硬化指數(shù)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(qiáng)熱震工作環(huán)境，如美國 Ultramet公司采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）制備 Re基復(fù)合噴管已經(jīng)成功應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)燃燒室，工作溫度可達(dá)2200℃。因此，Re－TI合金的制備在航空航天、核能源和電子領(lǐng)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(jié)構(gòu)人造骨的研究日益增多，日本京都大學(xué)通過3D打印技術(shù)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(xué)腐蝕、耐高溫和力學(xué)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3D金屬打印的材料。如華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、東北大學(xué)等院校在金屬3D 打印方面研究比較深入?，F(xiàn)研究主要集中在 降低孔隙率、增加強(qiáng)度以及對熔化過程的金屬粉末球化機(jī)制等方面。  李瑞迪等采用不同的工藝參數(shù)，對304L不銹鋼粉末進(jìn)行了SLM成形試驗，得出304L不銹鋼致密度經(jīng)驗公式，并總結(jié)出晶粒生長機(jī)制。

潘琰峰分析和探討了316L不銹鋼成形過程中球化產(chǎn)生機(jī)理和影響球化的因素，認(rèn)為在激光功率和粉末層厚一定時，適當(dāng)增大掃描速度可減小球化現(xiàn)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(xiàn)象加重。Ma等通過對1Cr18Ni9Ti不銹鋼粉末進(jìn)行激光熔化，發(fā)現(xiàn)粉末層厚從60μｍ 增加到150μｍ時，枝晶間距從0.5μｍ增加到1.5μｍ，最后穩(wěn)定在2.0μｍ 左右，試樣的硬度依賴于熔化區(qū)域各向異性的微結(jié)構(gòu)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(shù)對SLM成形質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，粉末材料的特殊性能和工藝參數(shù)對SLM 成形影響的機(jī)理主要是在于對選擇性激光成形過程當(dāng)中熔池質(zhì)量的影響，工藝參數(shù)（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(zhì)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(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(qiáng)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(fā)動機(jī)，在現(xiàn)代先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)中，高溫合金材料的使用量占發(fā)動機(jī)總質(zhì)量的40％～60％?，F(xiàn)代高性能航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展對高溫合金的使用溫度和性能的要求越來越高。傳統(tǒng)的鑄錠冶金工藝?yán)鋮s速度慢，鑄錠中某些元素和第二相偏析嚴(yán)重，熱加工性能差，組織不均勻，性能不穩(wěn)定。而3D打印技術(shù)在高溫合金成形中成為解決技術(shù)瓶頸的新方法。美國航空航天局聲稱，在2014年8月22日進(jìn)行的高溫點火試驗中，通過3D打印技術(shù)制造的火箭發(fā)動機(jī)噴嘴產(chǎn)生了創(chuàng)紀(jì)錄的9t推力。

鎂合金 

鎂合金作為最輕的結(jié)構(gòu)合金，由于其特殊的高強(qiáng)度和阻尼性能，在諸多應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)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(qiáng)度接近人骨，優(yōu)異的生物相容性，在外科植入方面比傳統(tǒng)合金更有應(yīng)用前景。

結(jié)語

3D打印技術(shù)自20世紀(jì)90年代出現(xiàn)以來，從一開始高分子材料的打印逐漸聚焦到金屬粉末的打印，一大批新技術(shù)、新設(shè)備和新材料被開發(fā)應(yīng)用。當(dāng)前，信息技術(shù)創(chuàng)新步伐不斷推進(jìn)，工業(yè)生產(chǎn)正步入智能化、數(shù)字化的新階段。2014年德國提出“工業(yè)4.0”發(fā)展計劃，勢必引起工業(yè)領(lǐng)域顛覆性的改變與創(chuàng)新，而3D打印技術(shù)將是工業(yè)智能化發(fā)展的強(qiáng)大推力。金屬粉末3D 打印技術(shù)目前已取得了一定成果，但材料瓶頸勢必影響3D打印技術(shù)的推廣，3D打印技術(shù)對材料提出了更高的要求。現(xiàn)適用于工業(yè)用3D打印的金屬材料種類繁多，但是只有專用的粉末材料才能滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。

3D 打印金屬材料的發(fā)展方向主要有3個方面：

一是如何在現(xiàn)有使用材料的基礎(chǔ)上加強(qiáng)材料結(jié)構(gòu)和屬性之間的關(guān)系研究，根據(jù)材料的性質(zhì)進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，增加打印速度，降低孔隙率和氧含量，改善表面質(zhì)量；

二是研發(fā)新材料 使其適用于3D打印，如開發(fā)耐腐蝕、耐高溫和綜合力學(xué)性能優(yōu)異的新材料；

三是修訂并完善3D打印粉體材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，實現(xiàn)金屬材料打印技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制度化和常態(tài)化。