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30 μm,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360 MPa,屈服強度可以達到220 MPa。
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1 800 ℃,雖然制造的陶瓷制品致密度接近100%且強度達到538 MPa,但表面質量及精度都比較差。
未完待續；
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