高強(qiáng)度3D打印鋁合金的快速上升趨勢與發(fā)展邏輯
魔猴君 行業(yè)資訊 1598天前
根據(jù)SmarTech，3D打印行業(yè)目前正在發(fā)生著兩個顯著的發(fā)展趨勢，第一個是鋁合金材料的全球供應(yīng)鏈似乎已經(jīng)“越過門檻”，成為支持增材制造技術(shù)的下一代機(jī)遇。
鋁合金的3D打印正在實(shí)現(xiàn)飛躍，追趕鎳合金，不銹鋼和鈦合金。
性能更強(qiáng)，材料更輕
l 鋁合金的開發(fā)邏輯
當(dāng)一種材料相對便宜，但又難以通過3D打印加工的時候，市場上開發(fā)這種材料以適用于3D打印加工技術(shù)的當(dāng)前動機(jī)就變得不足，因?yàn)橄鄬τ?D打印設(shè)備的價格來說，材料的價格對最終產(chǎn)品的價格所起到的作用并不明顯。
不過如果有一種方法，使得這種相對便宜的材料變得容易加工，且所實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品性能可以堪比那些昂貴材料呢？譬如說能夠替代中溫鈦合金的應(yīng)用場景。
這支撐了高強(qiáng)度鋁合金的開發(fā)邏輯。
l Amaero HOT Al
近日澳大利亞的Amaero宣布其高性能3D打印鋁合金Amaero HOT Al已進(jìn)入國際專利批準(zhǔn)的國家階段（第四階段也是最后階段）。國際專利意味著超過150個參與國認(rèn)可一項(xiàng)發(fā)明并對其進(jìn)行保護(hù)。這樣，發(fā)明人無需遍歷多個專利申請就可以在全球范圍內(nèi)認(rèn)可他們的發(fā)明創(chuàng)造。
Amaero來源于莫納什大學(xué)，這所大學(xué)在航空航天增材制造領(lǐng)域有著多年的經(jīng)驗(yàn)積累，曾與法國宇航企業(yè)賽峰集團(tuán)合作，開發(fā)了兩臺3D打印的噴氣式發(fā)動機(jī)，目前該發(fā)動機(jī)已經(jīng)進(jìn)入到商業(yè)化階段。
航空航天領(lǐng)域，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。它們會隨著時間的流逝而軟化和老化，因此航空航天領(lǐng)域會選擇相對較重的金屬，例如鋼或鈦。如何在提升鋁合金的性能，這是一個值得研究和突破的地方。
半個多世紀(jì)以來，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降低機(jī)械性能。今天，在世界范圍內(nèi)，通過3D打印技術(shù)，新型的鋁合金材料在呈現(xiàn)出快速上升的開發(fā)態(tài)勢，更高的強(qiáng)度，替代中溫鈦合金的可能性，Amaero HOT Al開辟了在性能方面一種獨(dú)特的市場定位。
Amaero HOT AI實(shí)現(xiàn)的性能。來源：Amaero
還拿Amaero HOT Al舉例，這種新型鋁合金可在3D打印后進(jìn)行熱處理和時效硬化，從而提高了強(qiáng)度和耐用性，使得這種鋁合金在260°C左右的溫度下長時間穩(wěn)定。最初是由澳大利亞莫納什大學(xué)的研究人員與Amaero合作開發(fā)的，Amaero現(xiàn)在擁有該合金的全球許可權(quán)。開發(fā)和商業(yè)化新型高強(qiáng)度鋁合金以及適合各種鋁合金3D打印的設(shè)備，已經(jīng)成為一條明顯的國際與國內(nèi)發(fā)展趨勢。
l 蘇州倍豐-Al250C
根據(jù)中國日報，蘇州倍豐創(chuàng)始人、澳大利亞工程院吳鑫華院士領(lǐng)導(dǎo)莫納什大學(xué)研究團(tuán)隊成功開發(fā)出了牌號為Al250C的高強(qiáng)高韌增材制造專用鋁合金材料，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)件通過了250℃高溫下持續(xù)5000小時的穩(wěn)定試驗(yàn)， 相當(dāng)于發(fā)動機(jī)常規(guī)服役25年的要求。
l Aeromet-A20X
國際方面，高強(qiáng)度鋁合金的3D打印領(lǐng)域涌現(xiàn)出諸多的開發(fā)者，總部位于英國的鑄造專家Aeromet International其專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。在測試中，3D打印的A20X粉末材料所制造的極限拉伸強(qiáng)度為511MPa
l HRL-7A77.60L
美國方面，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，用戶可以直接向HRL購買這種鋁合金材料。當(dāng)使用鋁合金材料Al7075和Al6061的時候，在激光高能環(huán)境中進(jìn)行金屬3D打印會導(dǎo)致金屬部件遭受嚴(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。成型后的材料無裂紋、等軸（即晶粒在長度、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600 MPa，平均伸長率超過8％。
鋁合金的3D打印正在獲得更廣泛的開發(fā)，2020年早些時候，DED定向能量沉積3D打印設(shè)備制造商Optomec宣布了其LENS 3D打印的適用材料方面的進(jìn)步。現(xiàn)在可以使用Optomec系統(tǒng)來沉積任何鋁合金，包括其最近開發(fā)的具有改進(jìn)增材制造性能的鋁合金。
l QuesTek
另外一家金屬粉末制造商QuesTek Innovations已開始與德國航空航天中心合作開發(fā)新型鋁合金原料。該合金將在200°C至300°C的高溫下表現(xiàn)出高強(qiáng)度，甚至在某些應(yīng)用中可以替代鈦合金。
南京航空航天大學(xué)幾年前開發(fā)出基于SLM成形的鋁基納米復(fù)合材料，用于激光增材技術(shù)領(lǐng)域，有效的解決鋁基納米復(fù)合材料在激光增材過程中工藝性能與力學(xué)性能不匹配、增強(qiáng)顆粒分布不均勻以及陶瓷相與基材相之間潤濕性較差的問題，使得所獲得的產(chǎn)品具備良好的界面結(jié)合以及優(yōu)異的力學(xué)性能。
總之，3D打印用高強(qiáng)度鋁合金材料的出現(xiàn)為原來必須通過鍛造來實(shí)現(xiàn)的零件加工打開了一扇嶄新的大門，結(jié)合3D打印所釋放的設(shè)計自由度，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)域獲得想象力巨大的市場空間。
