金屬3D打印的常用材料有哪些？

金屬3D打印的常用材料有哪些？

金屬3D打印是屬于數字熱加工的一項技術，目前制備金屬的3D打印技術主要有：選區激光熔化/燒結（SLM/SLS)、電子束選區熔化（EBSM)、激光近凈成形（LENS)等。與傳統工藝相比，金屬3D打印有直接成型，無需模具，可以實現個性化設計并制作復雜結構，高效、低消耗、低成本等優點。
但是，因為金屬3D打印材料本身的材料屬性，其都有特定的應用領域范圍，因此，金屬3D打印材料選擇的過程是一個權衡多個因素的過程。而且，3D打印金屬不能僅僅憑借金屬3D打印機的參數來衡定，每種金屬材料都有適合自身特性的極限點，包括應用、功能、穩定性、耐久性、美觀性、經濟性都是設計師要考慮的因素。

現今，國內外金屬3D打印機采用的金屬粉末一般有：工具鋼、馬氏體鋼、不銹鋼、純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、銅基合金、鈷鉻合金、高熵合金，以及貴金屬黃金、鉑金，難熔金屬鎢合金等。

1、工具鋼和馬氏體鋼

以工具鋼和馬氏體鋼為例，工具鋼的適用性來源于其優異的硬度、耐磨性和抗形變能力，以及在高溫下保持切削刃的能力。模具H13熱作工具鋼就是其中一種，能夠承受不確定時間的工藝條件；馬氏體鋼，以馬氏體300為例，又稱“馬氏體時效”鋼，在時效過程中的高強度、韌性和尺寸穩定性都是眾所周知的。他們與其他鋼不同，因為他們是不含碳的，屬于金屬間化合物，通過豐富的鎳、鈷和鉬的冶金反應硬化。由于高硬度和耐磨性，馬氏體300才適用于許多模具的應用，例如，注塑模具、輕金屬合金鑄造、沖壓和擠壓等，同時，其也廣泛應用于航空航天、高強度機身部件和賽車零部件。

2、不銹鋼

不銹鋼與碳鋼不同，目前的鉻含量不同，10.5%鉻含量最低的鋼合金，不銹鋼不容易生銹腐蝕。目前，應用于金屬3D打印的不銹鋼主要有三種：奧氏體不銹鋼316L、馬氏體不銹鋼15-5PH、馬氏體不銹鋼17-4PH。

奧氏體不銹鋼316L，具有高強度和耐腐蝕性，可在很寬的溫度范圍下降到低溫，可應用于航空航天、石化等多種工程應用，也可以用于食品加工和醫療等領域。

馬氏體不銹鋼15-5PH，又稱馬氏體時效（沉淀硬化）不銹鋼，具有很高的強度、良好的韌性、耐腐蝕性，而且可以進一步的硬化，是無鐵素體。目前，廣泛應用于航空航天、石化、化工、食品加工、造紙和金屬加工業。

馬氏體不銹鋼17-4PH，在高達315℃下仍具有高強度高韌性，而且耐腐蝕性超強，隨著激光加工狀態可以帶來極佳的延展性。

3、合金

金屬3D打印材料應用最為廣泛的金屬粉末合金主要有純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、鈷鉻合金、銅基合金等。

1）純鈦及鈦合金

目前應用于市場的純鈦，又稱商業純鈦，分為1級和2級粉體，2級強于1級，對于大多數的應用同樣具有耐腐蝕性。因為純鈦2級具有良好的生物相容性，因此在醫療行業具有廣泛的應用前景。

鈦是鈦合金產業的關鍵。目前，應用于金屬3D打印的鈦合金主要是鈦合金5級和鈦合金23級，因為其優異的強度和韌性，結合耐腐蝕、低比重和生物相容性，所以在航空航天和汽車制造中具有非常理想的應用，而且，因為強度高、模量低、耐疲勞性強，應用于生產生物醫學植入物。鈦合金23級，純度更高，是神級一樣的牙科和醫療鈦品級。

2）鋁合金

目前，應用于金屬3D打印的鋁合金主要有鋁硅AlSi12和AlSi10Mg兩種。鋁硅12，是具有良好的熱性能的輕質增材制造金屬粉末，可應用于薄壁零件如換熱器或其他汽車零部件，還可應用于航空航天及航空工業級的原型及生產零部件；硅/鎂組合使鋁合金更具強度和硬度，使其適用于薄壁以及復雜的幾何形狀的零件，尤其是在具有良好的熱性能和低重量場合中。

3）鎳基合金

一般情況下，鎳基合金都具有良好的抗拉伸、抗疲勞和抗熱疲勞性能。目前，主要有Inconel 738、Hastelloy X、Inconel 625、Inconel 713、Inconel 718等。

Inconel 738具有良好的高溫蠕變斷裂強度，抗熱腐蝕性是較低鉻含量的超合金，可長期暴露于高達920-980℃的高溫腐蝕性的環境中，適用于飛機發動機、燃氣輪機。

Hastelloy X在高溫下具有高強度和抗氧化性，在高達1200℃的環境中，也具有良好的延展性，目前，主要應用于航空航天技術中，例如燃氣輪機部件和燃燒區組件如過渡管、燃燒器罐、噴桿、排氣管、加力燃燒室等；而且還因為具有耐應力腐蝕開裂的性能，應用于工業爐、石油化工及化學過程工業中。

Inconel 625(GH3536)在高溫約815℃的條件下依然具有良好的負載性能，而且耐腐蝕性強，廣泛應用于航空航天、化工及電力工業中。

Inconel 713具有優異的抗熱疲勞性能，以及在927℃的特殊斷裂強度，適用于噴氣發動機燃氣輪機葉片。

Inconel 718（GH4169）是基于鐵鎳硬化的超合金，具有良好的耐腐蝕性及耐熱、拉伸、疲勞、蠕變性，適用于各種高端應用，例如，飛機渦輪發動機和陸基渦輪機等。

4）鈷鉻合金

鈷鉻合金具有高強度、耐腐蝕性強、良好的生物相容性以及無磁性的性能，主要應用于外科植入物包括義齒烤瓷內冠、合金人工關節、膝關節和髖關節，同時其還可用于發動機部件以及時裝、珠寶行業等。

5）銅基合金

應用于市場的銅基合金，俗稱青銅，具有良好的導熱性和導電性，可以結合設計自由度，產生復雜的內部結構和冷卻通道，適合冷卻更有效的工具插入模具，如半導體器件，也可用于微型換熱器，具有壁薄、形狀復雜的特征，現在江蘇永年激光已經成功開發出無氧銅打印工藝。

金屬3D打印材料的應用領域相當廣泛，例如，石化工程應用、航空航天、汽車制造、注塑模具、輕金屬合金鑄造、食品加工、醫療、造紙、電力工業、珠寶、時裝等。相信隨著科技的不斷進步，今后金屬3D打印材料的應用對社會的影響會越來越大。