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            3d打印鋁粉(3d打印鋁粉末)

            發布時間:2022/09/19 作者: Meiqi
            目前在鋁合金3D打印領域,可用的材料非常有限,主流的材料可能就是AlSi10Mg、AlSi7Mg一些鋁硅系的合金材料。但是高強度的合金材料基本上很少得到應用。這幾年,高強鋁的呼聲一直很高,不管是航空航天,還是其它一些高附加值的領域。
            鋁合金3D打印粉末已經成為金屬3D打印的一種主流材料,但可用的材料體系或種類非常有限,主要集中在AlSi10Mg材質,AlSi7Mg少量有一些。傳統變形系牌號(如2024、6061、7075等)的鋁合金材料并不能直接用于3D打印領域,造成了鋁合金材料的種類非常有限。航空航天等一些對高強度有要求的應用場合,非常期待能夠有一種高強度的材料。
            鋁,特殊的優勢是比較輕質,耐腐蝕性能好,不需要去做一些表面的涂層等等。在3D打印領域可用的主要是AlSi10Mg,強度非常有限。EOS-AlSi10Mg技術指標書 T6處理態,屈服強度才250 MPa。
            航空航天領域常用的像7075牌號的鋁合金,它的屈服強度標準都是在480 Mpa以上,延伸率也有7%。所以,傳統的AlSi10Mg材質并不能夠滿足高強度的應用場合,在這種背景下,我們需要去開發高強度的鋁合金。

            經過3D打印工藝,材料的屈服≥450 MPa,延伸率≥6%,我們稱為高強鋁。高強鋁對標傳統的一些硬鋁牌號,比如7075,7075的材料性能屈服是在480 MPa以上。3D打印工藝,也需要類似于7075材質的材料。大部分高強鋁打印出來的屈服強度基本上在480MPa以上,但是AlSi10Mg、AlSi7Mg材質做退火處理強度才200Mpa多,高強鋁打印出來的強度是AlSi10Mg的兩倍多。

            3d打印鋁粉(3d打印鋁粉末)

            鈦合金的強度很高,標準屈服強度是945MPa,跟鈦合金相比,高強鋁的強度只有接近鈦合金的二分之一。我們都知道鈦合金的密度大概在4.5左右,而鋁合金的密度大概在2.7,它的密度只有鈦合金的60%,在強度能夠滿足的情況下,鈦合金采用高強鋁替代能夠帶來40%的減重。
            當然還要考慮價格的因素,當前高強鋁的價格可能比鈦合金(TC4材質)相當或者略高,如果考慮它的減重帶來的巨大收益,采用高強鋁還是很有優勢的。跟常規AlSi10Mg比優勢也非常明顯,它的強度是后者的近兩倍,能夠滿足更高強度的應用場合。如果來替代AlSi10Mg,它能夠去發揮強度上的結構潛力。目前高強鋁的挑戰在于價格,大概是AlSi10Mg的4~5倍。當前的高強鋁著重用在一些需要減重且高附加值的場合,也有一些案例在逐步替代鈦合金。
            按鋁合金的牌號來講,傳統鋁合金的牌號是從1~7系鋁合金,也有一些其他體系的牌號。1系鋁是純鋁,2系鋁是鋁銅合金,3系鋁是鋁錳合金,4系鋁是鋁硅合金, 5系鋁是鋁鎂合金,6系鋁是鋁硅鎂,7系是鋁鋅鎂銅。針對這幾個不同的材料體系,市面上也有不同的單位去開發了一些相應的成分。
            鋁銅系的主要有兩家公司,一家是英國的Aeromet International,早在2016-2017期間開發了鋁銅的牌號,最早是A20X系列用在鑄造的牌號。由于金屬3D打印技術的興起,這家公司針對金屬3D打印的用粉專門推出了AM205,它的強度屈服能夠穩定在440,延伸13%,市場拓展比較好,主要跟一些原始設備制造商合作,此牌號也進入到了F1賽車可選用的材料體系當中。

            另一家EOS公司去年推出了AM2139,主要成分體系含了鋁銅還含了一部分的銀。它的性能屈服也是能夠達到460 ,抗拉520,延伸4%,官方網站上能看到AM2139具體的性能。EOS既然能把AM2139放入產品系列,說明這個材料體系已經是經過了充分的認證。

            3d打印鋁粉(3d打印鋁粉末)

            鋁錳合金目前主要是由蘇州倍豐吳院士團隊推出的Al250C,基于鋁錳的合金體系,也加入了鈧和鋯的一些成分。他們去測試了鋁錳體系在航空發動機領域上一些高溫的場合,經過高溫測試,發現它的高溫性能很好。
            鋁硅體系是在AlSi10Mg的基礎上做一些改進或改善,由上海交通大學王教授推出的二硼化鈦納米增強AlSi10Mg體系,核心技術是采用原位自身的方式來制備二硼化鈦增強AlSi10M錠,再把錠制成粉末。推廣做得很好,包括跟商飛在做一些應用的推廣,打印出來的大件性能也能達到抗拉530,有的情況下它的強度更高,取決于不同材料的成分和工藝。
            鋁鎂合金實際上是通過加入鈧和鋯的強化來實現高強,有很多公司也是基于鋁鎂鈧鋯體系來開發相應的產品,比如空客推出的Scalmalloy。鋁鎂鈧鋯體系最早也是航空的一種材料,早期的牌號也是基于鋁鎂鈧鋯體系用于航空的板材,俄羅斯方面做了很多這方面的開發工作??湛痛蟾旁?010年左右開始做鋁鎂鈧鋯體系用于增材領域,大概在2014-2016年期間成功開發了Scalmalloy,他們做了很多的測試工作,包括Scalmalloy的力學性能,物理性能以及化學性能等,性能能夠穩定在屈服強度480 MPa。

            國內針對這個體系也做了很多的開發工作,像長沙院推出的HAlSc,屈服強度也是能夠穩定在510以上,延伸率在12%以上。繼長沙院之后,中車研究院也推出了CRRC-HAP-1,它的性能能夠穩定達到屈服500,抗拉560,延伸10%。這些數據均來自于相關的報告,結果可能會有一些出入,因各家公司也在不斷地更新和完善自己的產品。寶航新材料也推出了HS5501高強鋁,測試的屈服強度穩定在520,抗拉540,延伸12%以上。此外,鋁鎂合金的開發,像西工大、中南大學也做了很多鋁鎂鈧鋯體系的一些研究。

            3d打印鋁粉(3d打印鋁粉末)

            鋁鋅合金在高強鋁最早有迫切需求的時候,HRL實驗室推出了7A77.60L,它大概的原理就是在其傳統的7系合金基礎上,對它的粉末進行一個納米的修飾,能夠改善它的打印性能。有報道說他們的強度能夠超過600 Mpa。他們突出的工作就是把這種材料命名了一個新的牌號,而且這個牌號已經通過了美國鋁業協會的認定,HRL實驗室也在推廣新牌號在一些領域的應用。鋁鋅合金國內也有一些公司在做開發,主要也是基于納米來修飾能夠改善它的打印性。
            從可購買性來看這幾種材料, 2系的鋁銅,英國公司的AM205,在國內推廣比較少見,不確定有一些國外的進口代理商能不能拿到他們的產品,能拿到產品的可能性較低。EOS公司的AM2139 ,應該能夠拿到粉末產品,因推出時間不長,不確定在中國有沒有這種粉末在銷售。鋁錳體系的通過倍豐公司應該可以拿到粉末,但不確定他們是單獨來出售,還是要來打印這種零件,這個需要確定。鋁鎂鈧鋯體系可獲得性非常方便,空客的Scalmalloy國內有代理商在賣。像長沙院的HAlSc,中車研究院的CRRC-HAP-1以及寶航的HS5501合金粉末都是可以獲得的。HRL實驗室的7A77.60L國內好像沒有成熟的渠道能夠拿到。
            2017年Smar Tech Publishing 報告顯示,新一代的 AM 專用合金(如 Scalmalloy )將成為 AM 中需求量最大的鋁合金類型,引領生產應用。高強鋁以輕質高強的性能優勢在航空、航天、汽車、散熱器等領域不斷擴展應用。
            在航空場合,空客在2015年率先推出利用Scalmalloy去打印機艙的座椅結構,它突出的優勢就是強度能夠滿足要求,同時也很輕質,能夠幫助飛機實現瘦身。這個材質的應用或者案例有沒有在A30客機上實現批產還有待確定。

            國內在航天領域也有一些案例,據航天增材云網報道,貴州天馬公司做了一個機器人手臂的零件,采用高強鋁突破了高強鋁合金打印成形困難,工藝窗口窄易出現氣孔和組織缺陷的問題,它的性能通過熱處理后屈服能夠達到≥500。

            3d打印鋁粉(3d打印鋁粉末)

            APWORKS是空客專門做增材領域的子公司,自從推出了Scalmalloy牌號就不斷在拓展材料在一些領域的應用。在汽車這一塊,APWORKS與布加迪合作做出了汽車排氣尾管,也是利用這種高強度,一定的耐熱性能來實現汽車部件的減重。利用空氣動力學配置,產生更大的壓力,能夠增加車輛的敏捷性和動態性能。

            此外,空客還推出了新概念,輕量化電動摩托車”輕騎手“。它是基于增材制造技術,加上Scalmalloy高強度的鋁合金試圖進入電動摩托車領域。當時限量發售是50臺,單臺車價格是37萬。我們可以看到,高強鋁在高附加值的一些應用場合,它的輕便和特性是一種創新的業態模式。
            賽車是一個追求高性能、高表現的領域,他們也會非常熱衷去應用一些新技術,實現更高的性能。像Scalmalloy通過了F1賽車的認證,他們團隊去打印了賽車的翼子板。除了 Scalmalloy,AM205也通過了F1的認證,能夠去打印一些賽車定制化的零件。還有散熱器,也是結合高強鋁的高強度和輕質的特性。

            由nTopology設計、Morf3D打印的7A77鋁合金回旋結構熱交換器,利用7A77鋁合金的固有熱導率,HRL及其合作伙伴為航空航天用戶開發了一項經過專門設計的機油冷卻器。在這種設計中,合金的高強度滿足了關鍵的爆破壓力要求,同時能以與常規AlSiMg合金相比更薄的壁厚實現更好的換熱效果。7A77鋁合金的高屈服強度使熱交換器設計人員將交換器的壁厚減少了50%,有效地提高了傳熱性能,這是在航天航空散熱器上的應用。國內在軌交領域也做了一些案例,像減震器、散熱板,包括一些拓撲優化的結構,但目前的應用主要是在一些試驗件上,還沒有進行到真正的量產或應用的階段。

            3d打印鋁粉(3d打印鋁粉末)

            主流的高強鋁材料技術程度,國外設置了9級,從TRL1-TRL9級,國內也做了新材料技術程度的等級,從1級到9級。其中1~3級是實驗室階段,4~6級是工程化階段, 7~9級是產業化階段。目前市場上出現從2系到7系的高強鋁,各家在推出材料產品的時候,作為用戶可以去了解一下他們材料的成熟度等級,如果材料成熟度等級相對夠高,實際上是更值得去用,由于材料體系的缺乏沒有標準去評判它,這是一個挑戰。
            5系的鋁鎂鈧鋯合金成熟度要靠前一點,得益于空客的創新。5系鋁鎂合金加入了大量的Sc元素,Sc是一種稀土元素,價格非常高。地球上的Sc含量并沒有那么稀少,但是Sc的材質從稀土鈧 提取需要很大的努力。高強鋁的價格,由于Sc原材料價格高,導致粉末價格也很高,阻礙了30打印的規模應用。
            打印工藝和性能需要更多摸索,高鎂含量的高強鋁打印過程中會存在黑煙,黑煙對于打印材料或零件,尤其在風場控制不好的情況下,它就會存留在材料內部產生影響,包括打印孔洞的一些缺陷。參數設置不合理,孔洞的缺陷會比較大。通過參數的一些優化能夠改善這一情況,想完全消除孔洞可能不太現實。在工藝參數設置不合理的情況下還會發生很大的翹曲,包括打印表面球化現象,在材料的測試和工藝上需要做很多的工作。
            相比前幾年,高強鋁的市場機會還是很大的。如果你看好這個機會,前期必須做一些相關的投資和布局,需要多嘗試以這樣的心態去面對它,一旦市場上真正有批量需求的時候,前期做好了準備才能夠很好地應對。

            電話:130-277-89516 聯系人:王經理 地址:河南省鄭州市鞏義市工業園區

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