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,使其在增材制造領域有廣泛的應用領域。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工藝打印粉末態的鈦合金而獲得的均勻多孔生物結構可以與人體組織獲得更好的成長結合,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、關節等器官。國內外,這樣的手術案例已經很多,我國在該領域走在世界前列。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上都將有很廣闊的應用前景。
鎂鋁合金因其強度高、比重輕等優點,也被應用在增材制造技術中。日本佳能公司就利用增材制造技術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公司新近推出的產品AlSi10Mg Speed1.0,平均粒徑為30μm,采用增材制造技術幾乎可以獲得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,能在600℃以上的高溫及一定應力環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應用的主要增材制造材料。Inconel1718合金是鎳基高溫合金中應用最早的一種, 也是目前航空發動機使用量最多的一種合金。美國就利用增材制造技術制備了IN718鎳基高溫合金轉子。
3、增材制造陶瓷材料研究進展
陶瓷材料增材制造技術始于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,這種方法被繼續用于制備陶瓷材料并取得了一些成果。SLS技術根據燒結機理還可以分為直接燒結法和間接燒結法。直接燒結法是指陶瓷粉末與聚合物粘結劑混合在一起,將粉末制備成干燥粉末、液態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劑,即可實現陶瓷顆粒的粘結成型。因此,直接燒結過程中所需的激光功率比較小,燒結溫度也相對較低。這種方法具有生產周期短,制備的工件純度高、致密度高、力學性能高的優點,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,但表面質量及精度都比較差。
而間接燒結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,最終實現高熔點的陶瓷粉末的成型。間接燒結法的關鍵是混合粉體、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、等靜壓、熱壓等方式處理,最終得到具有一定孔隙度、強度的陶瓷產品。相比于直接法,間接法能夠獲得高密度的粉塵,陶瓷產品的致密度也比較高。近年來,間接燒結法發展了以漿料為基礎的方法,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劑。該技術于1995年由德國的Fraunhofer激光技術協會提出,并將其應用于陶瓷材料的成型中。SLM與SLS的區別在于,SLM是在成形過程中通過控制粉末的孔隙率、孔形狀以及調節激光參數來實現粉末的完全熔化,所以理論上能夠制備出致密度達100%、形狀任意及內部結構復雜的高性能部件。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,且會出現許多熱裂紋,表面質量也比較差。
經過近20年的發展,增材制造技術用于陶瓷工件的制作工藝有了較大的改進,產品性能也得到了一定的提高。目前能夠采用增材制造技術實現硼化鋯、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、膨脹系數低等的特性,陶瓷材料增材制造中出現的熱應力問題尚未得到解決,制品容易出現熱裂紋,陶瓷材料的增材制造技術離實際應用還比較遠。尤其在成形體積較大的陶瓷工件時熱應力的影響更大。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應力,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性應用還面臨著巨大困難與挑戰。
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發展很快,其應用領域也在不斷增加。原材料作為增材制造技術的物質基礎,它的發展將是制約增材制造發展的技術瓶頸。目前我國在關于增材制造原材料的研究方面還不夠成熟,制定的相關標準也還不完善,市場上應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,國產樹脂性能距國外同類產品還有一定的差距。在制備高品質球形鈦及鈦合金粉末方面,以美國、德國、俄羅斯為代表的發達工業強國擁有多種成熟的鈦及鈦合金球形粉末制備技術,開發的球形鈦及鈦合金粉末不僅可以滿足傳統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,目前已經形成了具有高附加值的稀有金屬粉末產業。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,雖然經過了幾十年的發展,國內也有不少有關科研單位進行自主開發,但國內生產的球形鈦及鈦合金d50≈150μm,只能初步滿足增材制造技術的要求。對于鋪粉工藝的增材制造技術所需的細粒徑的球形鈦合金粉末,國內還是主要依賴進口。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的推廣及產業化發展。
因此,當下最急需的是加大對原材料的研發力度,尤其是在新材料的研發及應用方面,根據增材制造的特點,再結合市場應用的各種要求,大力開發新的原材料,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量的發展方向;此外,推進增材制造材料的系列化、標準化、綠色環保化,并借助“增材制造+”的理念,不斷拓展增材制造技術與傳統制造業的深入融合,將是增材制造技術發展的重要方向。
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