3D打印材料高強(qiáng)度鋁合金，你不知道的潛力材料

 

 

根據(jù)SmarTech的數(shù)據(jù)顯示，鋁合金占金屬3D打印中所有金屬粉末的消耗量（按體積計(jì)算）從2014年的5.1%逐漸提高到2026年的11.7%左右，鋁合金在汽車(chē)行業(yè)的10年復(fù)合增長(zhǎng)率在51.2%。

 

鋁合金價(jià)格相比其他合金來(lái)說(shuō)更便宜，但在3D打印加工過(guò)程中存在困難。就拿航空航天領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，鋁合金的應(yīng)用一直存在著一些弊端。鋁合金雖然很輕，但在暴露于高于160°C的溫度的應(yīng)用中往往表現(xiàn)不佳。它們會(huì)隨著時(shí)間的流逝而軟化和老化，因此航空航天領(lǐng)域會(huì)選擇相對(duì)較重的金屬，例如鋼或鈦。如何在提升鋁合金的性能，這是一個(gè)值得研究和突破的地方。

 

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，科研人員已經(jīng)完成了大量工作，以改善鋁合金的耐熱性，使鋁合金能夠承受更高的工作溫度而不會(huì)降低機(jī)械性能。今天，在世界范圍內(nèi)，通過(guò)3D打印技術(shù)，新型的鋁合金材料在呈現(xiàn)出快速上升的開(kāi)發(fā)態(tài)勢(shì)，更高的強(qiáng)度，替代中溫鈦合金的可能性。

 

在我國(guó)，已經(jīng)有團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出了牌號(hào)為Al250C的高強(qiáng)高韌增材制造專(zhuān)用鋁合金材料，該Al250C材料用于3D打印屈服強(qiáng)度可達(dá)580MPa，抗拉強(qiáng)度590MPa以上，延伸率可達(dá)11%，制備構(gòu)件通過(guò)了250℃高溫下持續(xù)5000小時(shí)的穩(wěn)定試驗(yàn)， 相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)服役25年的要求。

 

國(guó)際方面，高強(qiáng)度鋁合金的3D打印領(lǐng)域涌現(xiàn)出諸多的開(kāi)發(fā)者，總部位于英國(guó)的鑄造專(zhuān)家Aeromet International其專(zhuān)利的用于增材制造的鋁合金粉末A20X所制造的零件已經(jīng)超過(guò)500MPa的極限拉伸強(qiáng)度（UTS）。A20X是一種鋁 – 銅合金材料，具有精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，與其他合金相比，具有“更高的強(qiáng)度，抗疲勞和優(yōu)化的熱性能。在測(cè)試中，3D打印的A20X粉末材料所制造的極限拉伸強(qiáng)度為511MPa

 

某交通行業(yè)企業(yè)嘗試通過(guò)3D打印熔模來(lái)鑄造鎂鋁合金，目的是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)座椅的輕量化。這種座椅結(jié)構(gòu)件適合任何標(biāo)準(zhǔn)的商用噴氣式飛機(jī)，預(yù)計(jì)可以通過(guò)減重為航空公司節(jié)約數(shù)百萬(wàn)美元的成本。

 

美國(guó)方面，實(shí)現(xiàn)細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)，并與鍛造材料具有相當(dāng)?shù)牟牧蠌?qiáng)度，HRL實(shí)驗(yàn)室所開(kāi)發(fā)的3D打印用高強(qiáng)度7A77.60L鋁粉于2019年10月正式投放市場(chǎng)，用戶(hù)可以直接向HRL購(gòu)買(mǎi)這種鋁合金材料。當(dāng)使用鋁合金材料Al7075和Al6061的時(shí)候，在激光高能環(huán)境中進(jìn)行金屬3D打印會(huì)導(dǎo)致金屬部件遭受?chē)?yán)重?zé)崃鸭y，HRL的研究人員在軟件和大數(shù)據(jù)的幫助下選擇了鋯基納米顆粒成核劑，并將它們組合到了7075和6061系列鋁合金粉末中。成型后的材料無(wú)裂紋、等軸（即晶粒在長(zhǎng)度、寬度和高度上大致相等），實(shí)現(xiàn)了細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)，并與鍛造材料具有相當(dāng)?shù)牟牧蠌?qiáng)度，3D打印的鋁合金材料平均屈服強(qiáng)度高達(dá)580 MPa，極限強(qiáng)度超過(guò)600 MPa，平均伸長(zhǎng)率超過(guò)8％。

 

3D打印用高強(qiáng)度鋁合金材料的出現(xiàn)徹底顛覆了傳統(tǒng)制作方式，它結(jié)合3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)自由度，高強(qiáng)度鋁合金將在包括壓力容器、液壓歧管、托架、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域越走越遠(yuǎn)。