金属增材制造材料选择指南

增材制造技能已经运用于许多领域，例如航空航天、汽车、医疗保健、消费品制造、教诲等。

该技能是一种创新的制造技能，可以大大提高制造的灵巧性和生产效率，有望在未来成为工业制造和个性化生产的紧张手段之一。
有名3D打印顾问公司Wohlers Associates早前发布的《Wohlers Report 2023》显示：环球增材制造市场规模超过180亿美元，市场规模总体增长18.3%，估量到2030年将达到近千亿美元。

金属增材制造技能全景

Source：https://ampower.eu/tools/metal-additive-manufacturing/

2023年环球的金属零部件数量将达到1200万件

Source： https://www.smartechanalysis.com/;

目前主流的金属增材制造技能包括：选区激光熔化成形（Selective Laser Melting, SLM）、电子束熔化成形（Electron Beam Melting, EBM）和定向能量沉积（Directed Energy Deposition, DED）等。
在材料选择方面，适用于金属增材制造技能的材料包含多种系列材料，例如钛合金、高温合金、铝合金、不锈钢、铜合金等。

1钛合金

钛及钛合金在航空航天、生物医疗 、汽车制造、国防等领域具有广阔的运用前景，这归因于它们具有密度小、耐高温、具有良好的生物相容性、良好的耐堕落性和低弹性模量等精良的物理性能及化学性能。
然而干系研究表明，合金的整体性能取决于其所含杂质的程度，这对其塑性产生不利影响。
当存在氢、碳、氧和氮时，钛合金会发生塑性变形 。
因此常在钛中加入合金元素后用于改进加工性能和力学性能，常添加的合金元素有Al、V、Mn、Cr、Mo等，按照身分和在室温时的组织不同，可以分为钛、钛和+钛。

钛合金已广泛运用于多种工业领域，常见的牌号有：TA1、TA15、Ti6Al4V、Ti6Al4V ELI（医疗用）、Ti48Al2Cr2Nb、NiTi、TC18、Ti60等。
目前Ti6Al4V是增材制造钛合金中运用最为成熟的材料, TA1、TA15也是该工艺常用的材料牌号。
此外钛铝（TiAl）合金在航空航天和汽车等须要轻质和高强的构造系统中得到广泛运用。
钛铝合金具有高温强度和改进的抗氧化性（>750C），这使得它们适宜高温构造运用。
NiTi合金具有形状影象效应、超弹性、阻尼特性和良好的生物相容性，使其在生物医疗和航空航天领域受到广泛关注。

不同牌号钛基合金的运用及力学性能

Source：Tshephe T S, Akinwamide S O, Olevsky E. Additive manufacturing of titanium-based alloys—A review of methods, properties, challenges, and prospects. Heliyon, 8: 20[J]. 2022.

钛合金的比强度与其他构造材料的热强度的关系图

Source：Titanium and titanium alloys: fundamentals and applications[M]. Wiley-vch, 2006.

2铝合金

铝合金是一种具有密度低，比强度、比刚度高，塑性好，优秀的导电性、导热性和抗堕落性等特点，是实现构造轻量化的首选材料，在航空航天、交通运输、船舶舰艇等领域具有广泛的运用前景和研究代价。
按照加工工艺可将铝合金分为铸造铝合金、变形铝合金两种。
常日铸造铝合金中合金化元素硅的最大含量高于变形合金中的硅含量。
大多数铸造铝合金每每具有良好的可打印性，且开裂风险最小，在汽车行业得到广泛运用。

SLM 方法形成的铝基材料在成形态和热处理条件下的显微硬度变革

Source：Sharma S K, Grewal H S, Saxena K K, et al. Advancements in the additive manufacturing of magnesium and aluminum alloys through laser-based approach[J]. Materials, 2022, 15(22): 8122.

常见的铸造铝合金有Al-Si系、Al-Cu系、Al-Zn系和Al-Mg系。
Al-Si 铸造合金大多能达到 < 300 MPa 的中低屈从强度，并且具有精良的可打印性，热膨胀系数小，常用的有AlSi12、AlSi7Mg、AlSi10Mg等。
而一些 Al-Cu 铸造合金可以达到靠近 400 MPa 的强度，适当加入Mn和Ti能显著提高室温、高温强度和铸造性能。
比较之下，变形铝合金中常添加Mn、Mg元素以提高耐堕落性能，（例如2xxx、7xxx）可以供应更高的强化潜力，但每每具有较大的固液相线温度范围和较高的裂纹敏感性。
不可热处理的变形合金（例如1xxx、3xxx、5xxx）紧张通过固溶硬化和冷加工来得到较低的强度。
然而，由于增材制造常日不可能进行冷加工，而且这些合金在激光熔化过程中也可能随意马虎分裂，以是它们不太适宜。
此外，在增材制造运用领域中有很多研究职员专注于研究更高强度的铝合金材料，或者在现有成熟材料牌号中添加添加晶粒细化元素或颗粒，以获取更好的协同效益。

常见牌号有：AlSi7Mg 、AlSi10Mg、2024、6061、7075、AlSi12、AlMgScZr等。

3高温合金

高温合金是指以铁、镍、钴为基体，能在600℃以上的高温及一定应力浸染下长期事情的一类金属材料，并具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗堕落性能，良好的疲倦性能、断裂韧性等综合性能。
按基体元素分类，高温合金有铁基合金、钴基合金和镍基合金。
铁基高温合金利用温度只能达到750~780℃，限定了其在耐热零件中的进一步运用。
钴基高温合金在 730–1100 C 的温度下仍能保持良好的性能，常日运用于叶片、燃烧室部分和飞机涡轮机等方面。
目前，大多数前辈工程运用都利用镍基高温合金，镍基高温合金事情温度范围常日在600℃到1100℃之间。
具有精良的耐堕落性、强度和韧性，以及良好的冶金稳定性、可加工性和可焊性，广泛用于须要耐化学性和高温强度的部件，如涡轮机、火箭、热交流器等。

高温合金一样平常采取固溶强化和沉淀强化两种强化机制。
固溶强化理论是Cr、Mo、W等其他金属元素固溶在基体中形成固溶体，导致晶格畸变，提高强度。
Inconel 718（GH4169）是添加一定量Nb、Mo元素的耐热沉淀硬化镍铬铁合金，是运用最广泛的镍基高温合金。
GH3536合金是一种性能精良的镍基高温合金，其元素身分与哈氏合金X非常靠近。
与Inconel 718不同，GH3536具有更高的理论事情温度（达到1200℃以上），Cr和Mo的含量更高且无Nb。
其他的例如GH3625、GH3230、GH4099、GH5188等材料也在增材制造领域得到广泛运用。
除以上合金外，第二代单晶镍基高温合金CMSX-4也表现出精良的性能和运用潜力。

常见高温材料合金性能 Source：Weldability Studies of Haynes 230 alloy

常见牌号有：GH3230、GH3625、GH3536、GH4169、GH4099、GH5188、K438、CMSX-4、DD6、DZ125等。

4铁基合金

钢铁材料的性能精良、体系丰富、本钱低廉，是运用最为广泛的金属材料，也是增材制造研究的重点材料体系。
铁基合金紧张包括：不锈钢和模具钢，钢铁材料的增材制造适应性与钛合金相似，同样比较优秀，险些适应于所有主流的增材制造技能。
不锈钢是一种具有精良的耐堕落性和抗氧化性的钢，在增材制造领域最受关注。
一样平常来说，不锈钢含有一定比例的Cr元素用来改变电极电位以提高耐蚀性，有时还含有Ni、Mo、Ti等。

不锈钢按物相可分为马氏体 、铁素体、奥氏体 、奥氏体-铁素体和沉淀硬化等。
个中奥氏体不锈钢，综合性能良好，对增材制造更具吸引力。
304和316L不锈钢是两种最常见的奥氏体不锈钢，316不锈钢通过添加Mo.具有更好的耐堕落性和高温强度。
除奥氏体不锈钢外，其他不锈钢如马氏体不锈钢在增材制造领域也得到了大量研究，如410、420。
另一种含有 Cu 和 Nb 的马氏体沉淀硬化不锈钢17-4PH也在增材制造领域具有广泛运用。
与一样平常马氏体不锈钢比较，17-4 PH具有更好的强度和精良的耐堕落性，可在某些恶劣条件下利用。
一些工具钢如H13，是一种C-Cr-Mo-Si-V热作模具钢，也在工业中得到广泛运用。
此外，新型超高强度马氏体时效钢18Ni300，因其出色的强韧性、焊接性能，广泛运用于航空、航天、机器制造等领域。

常见牌号有：304、316L、15-5PH、17-4PH、H13、18Ni300、300M等。

5其他材料

除了以上几种合金体系，增材制造的运用材料还包括贵金属、金属间化合物、难熔金属、铜合金、高熵合金、镁合金、非晶等体系。

(1) 贵金属在珠宝和腕表行业有着广泛的运用，而且在牙科、电子和其他行业也备受关注。
目前已知的增材制造用贵金属如18K金、纯银、Agcu7.5、AgCu28等材料被用于艺术品、首饰、腕表等的定制化制造，为珠宝及艺术品设计等行业供应了更多的设计自由度及设计的灵巧性。
但由于目前贵金属粉末本钱较高，且金、银等贵金属材料对激光的接管率很低。
因此该领域运用更多的处于研究阶段，研究职员更关注打印工艺以及粉末特性对成型的影响。

(2) 铜合金具有优秀的导热、导电、延展、耐堕落等特性，铜在航空航天、武器装备某些运用处所是必选材料。
铜对激光的高反射性和高热导率，易产生翘曲、分层等毛病，目前增材制造设备厂商推出铜合金适用的绿光激光，很好的办理了该问题。
增材制造铜材料包括纯Cu、CuCrZr、CuNiSi、CuSn10、CuNi等，目前增材制造铜合金运用呈上升趋势。

(3) 难熔金属包括钨、钼、钽、铌、锆、铪及其合金，个中纯钽和纯铌材料的增材制造技能相对成熟，但对付具有室温脆性的钨、钼及其合金，增材制造过程极易发生开裂，而通过添加钽、铌、稀土氧化物或碳元素捕获晶界氧元素，防止氧在晶界堆积，提高晶界强度，可有效掌握晶界开裂 。

(4) 镁合金在当代轻量化技能中仍旧发挥着重要浸染，镁合金具有优秀的铸造性能、切削加工性、阻尼性和热稳定性, 良好的抗电磁辐射性能以及优胜的生物相容性，运用广泛于汽车、航空航天、骨科材料等领域。
增材制造镁合金起步较晚，紧张研究的牌号有 WE43、WE54、AZ91D 和 ZK60等。
目前增材制造镁合金工艺还处于发展之中，其运用潜力还没有得到充分挖掘。

(5) 高熵合金(high-entropy alloys，HEA)一样平常指的是含有多种(≥5)紧张元素，且所含紧张元素浓度(原子分数)介于5%~35%之间的合金。
具有高硬度、高强度、高温条件下组织和性能稳定、抗氧化、耐磨损及耐堕落等精良性能。
目前研究紧张集中在CoCrFeMnNi (Cantor) 系列合金、AlxCoCrFeNi 系列合金、难熔高熵合金等。

常见牌号有：CoCrFeNiMn、CoCrFeNiV、AlCoCrFeNi、HfNbZrTi等。

结 语

增材制造材料的选择每每基于终极用场、所需的物理特性和零部件设计哀求等成分；可持续性和本钱效益是材料选择中的主要考虑成分。
撤除目前常用的金属材料外，未来估量会有更多新型材料呈现，知足各种繁芜运用的需求，增材制造技能的发展也将持续推动材料的创新和进步。
增材制造专用合金未来可能拥有前所未有的潜力，前辈材料的开拓及低本钱材料将是未来增材制造研究的紧张方向。

【参考文献】

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[4] 宋波,张金良,章媛洁,et al.金属激光增材制造材料设计研究进展[J].金属学报, 2023, 59(1):15.DOI:10.11900/0412.1961.2022.00026.

[5] Sharma S K, Grewal H S, Saxena K K, et al. Advancements in the additive manufacturing of magnesium and aluminum alloys through laser-based approach[J]. Materials, 2022, 15(22): 8122.

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