3D打印中的鋼粉體材料

發布時間 | 2018-07-25 16:41 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 4396

導讀：人類材料加工的方法經歷了等材制造、減材制造、增材制造三個發展階段。等材制造，是指通過鑄造、鍛造、焊接等方法實現材料成形，材料的總體積保持不變，這種材料加工的方法距今已有3000多年歷史...

人類材料加工的方法經歷了等材制造、減材制造、增材制造三個發展階段。等材制造，是指通過鑄造、鍛造、焊接等方法實現材料成形，材料的總體積保持不變，這種材料加工的方法距今已有3000多年歷史。工業革命后，諸如車、銑、刨、磨等機械加工方法出現，實現了材料更加精密的加工，被視為減材制造方法。相應的，20世紀90年代發展出的增材制造技術(俗稱3D打印)，是指通過材料的離散堆積，實現某些具有特定用途的材料成形。

圖1 聚合物材料打印的三層鏤空小球

因此，從材料成形發展的歷史來看，3D打印的出現實現了材料加工方法由等材制造、減材制造到增材制造的重大轉變。李克強總理在《新華文摘》署名發表的《催生新的動能實現發展升級》中多次提到3D打印這一關鍵詞，更是使得3D打印頻繁出現于大眾視野中。為了進一步地了解3D打印，我們不妨從其材料說起。

增材：公眾現在談論的“3D打印”，其專業術語就是“增材制造”，即通過逐漸增加材料的方法實現制造過程。

等材：鍛造、鑄造、粉末冶金等熱加工方法，可粗略地看作是“等材制造”。

減材：傳統的機械加工方法是“減材制造”，在其制造過程中材料逐漸減少。

一、材料是制約3D打印發展關鍵之一

增材制造的材料一直是制約該項技術發展的關鍵之一，在科研人員努力下，3D打印所能加工的材料已經由早期的低熔點非金屬材料(PE、PP)到目前的高熔點金屬材料。3D打印對原材料的要求比較苛刻，滿足激光工藝的適用性要求所選的材料需要以粉末或絲棒狀形態提供。工業級別的3D打印設備主要使用的原材料就是粉體，主要采用熔融或者燒結的技術手段對原材料進行加工。材料融化后在軟件程序驅動下，自動按設計工藝完成各切片的凝固，使材料重新結合起來，完成成形。

由于整個過程涉及材料的快速融化和凝固等物態變化，對適用的材料性能要求極高，從而材料成本居高不下。比如，即使打印一個手機大小的產品，整個耗材價格至少要150元以上。基于此，未來3D打印產業需要不懈追求的目標仍將是：“研發出更多種類的材料”、“使材料獲得與工藝更匹配的性能”、“實現更高的制備工藝精度和更廉的原材料價格”以及“將3D打印的直接制造技術應用到更多更廣的領域”。

但是，3D打印技術及其相關材料研發市場前景樂觀。17年12月，工信部等部門印發《增材制造產業發展行動計劃（2017-2020年）》明確提到，到2020年，我國的增材制造年銷售額將超過200億元，年增速在30％以上。對于3D打印用金屬粉末材料市場，根據IDTechEx預測，到2025年增材制造金屬粉體市場將達到50億美金的規模, 年復合增長率為39.5%。

二．鐵基合金金屬粉體材料極具市場前景

以鋼為代表的鐵基合金金屬粉體材料因其來源廣泛，價格低廉，綜合力學性能優良等特點而成為研究的重點。3D 打印金屬粉體除需具備良好的可塑性外，還必須滿足粉體粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求。圖1、圖2為不同品質金屬粉體的微觀結構示意圖。觀察圖1可以發現，該制備的金屬粉體粉體顆粒球形度好，顆粒尺寸分布在11.2~63.6μm 范圍內。圖2為不規則塊狀，尺寸較小。金屬粉體的微觀結構決定了所制得產品表面是否光澤、成形收縮率是否足夠小、力學性能是否穩定。

圖1 優良金屬粉體的微觀結構

圖2 一般金屬粉體的微觀結構

目前，國內粉體制備技術相對歐美存在著較大差距。國產細粒合金粉體制備相對困難，粉體收得率低、氧及其它雜質含量偏高，金屬粉體質量和批次穩定性差，導致了激光增材制造構件中夾雜含量高、致密性差、強度低、結構不均勻等問題。

此外，在高性能金屬構件直接制造方面，需要低氧含量、細粒徑、高球形度的鈦及鈦合金粉末或鎳基、鈷基高溫合金粉末，以鎳基粉末為例，原材料成本約200元/kg，國產產品售價一般為300～400元/kg，而進口粉末售價常在800元/kg以上。

由此可見，對于實現高級3D打印用粉體材料國產化迫在眉睫，這既是挑戰，同樣也是機遇！

三．常用的鋼粉體材料

目前，應用于激光增材制造的較為成熟的鋼粉體材料相對較少，且多沿用熱噴涂系列合金或激光表面熔覆系列合金，這些材料表面涂覆層成形性能較為優異，但其成形性相對欠缺。現階段適用于激光增材制造的鋼材有316L和304L不銹鋼、18Ni-300馬氏體時效鋼、17-4PH和15-5PH沉淀硬化不銹鋼以及H13工具鋼等，依據激光增材制造鋼粉體的使用性能，可將其分為高強韌鋼粉體、耐磨損鋼粉體、抗疲勞鋼粉體等類型。

高強韌性鋼

高強韌鋼兼具高強度、高韌性，且成形性能好，目前已成為激光增材制造鋼構件的主要材料。高強韌性鋼中合金元素的主要強化機制為固溶強化，析出碳化物實現第二相強化和細晶強化。因此，高強韌鋼粉體多采用添加Ni、Cr、W和Mo等元素實現固溶強化以及析出的碳化物來強化合金化層。在高強韌性鋼粉體體系中，不銹鋼粉體材料的研究與應用相對較多，其中，316L鋼是使用和研究較多的不銹鋼之一，具有較好的強韌綜合性能，在高溫下具有較大的強度和較好的耐腐蝕性。

圖3 陜西融天航空器材有限公司生產的316L球形粉末

耐磨損鋼粉體

某些激光增材制造鋼件需在摩擦磨損條件下使用，例如模具零件，這對鋼粉體提出了較高的耐磨損性能要求。從微觀結構上看，鋼的磨損性主要得益于碳化物的生成，以及經歷固態相變后奧氏體及參與奧氏體向馬氏體的轉變。一般來說，隨著C元素的增多，固溶體中的滲碳體的增多和彌散分布勢必會增強鋼件的耐磨性，但也嚴重降低了材料的可塑性。如果假如其它強碳化物后形成了合金元素，則可有效解決強韌性低的問題。目前，由于耐磨損鋼的成分、成形能力及其應用等綜合問題較為復雜，僅有少數學者使用耐磨損材料進行激光增材制造實驗。

抗疲勞鋼粉體

大型復雜的鋼承力零部件的服役時間長, 服役環境惡劣, 其材料必須同時擁有較好的強韌性能、加工性能和抗疲勞性能。一些學者對承力部位的鋼激光增材制造件的疲勞特性進行了研究。在激光/金屬相互作用過程中, 極高的能量密度使基體表面材料在成形過程中發生熔化, 熔覆層及基體受到的短周期、多循環、具有極高加熱和冷卻的熱歷史不同, 因而固態相變過程和最終組織的形貌也不同。鋼材料的成分決定其升降溫過程的穩態和非穩態固態相變過程是復雜而難以精準預測和控制的, 同時材料本身還要擁有優異的增材制造成形能力, 因此目前和未來一段時間, 鋼材料的增材制造部件的疲勞問題會成為制約增材制造的主要原因。