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“接上期”金屬3D打印/增材制造的現(xiàn)狀及國際標(biāo)準(zhǔn)（上）

另外一種常見的合金是鋼粉，常用的是工具鋼和不銹鋼。

工具鋼的適用性來源于其優(yōu)異的硬度、耐磨性和抗變形能力。其中，由于高硬度和耐磨性，馬氏體300適用于許多模具的應(yīng)用（注塑模具、輕金屬合金鑄造、沖壓和擠壓）也為各種高性能的工業(yè)工程部（航空航天、高強(qiáng)度機(jī)身部件和賽車所應(yīng)用）。

在金屬3D打印過程中，目前有一個(gè)非常明確的經(jīng)驗(yàn)法則：碳鋼更難處理。最流行的合金是馬氏體鋼，通常稱為M300或1.2709，是工具鋼的一種。然而，這種合金實(shí)際上最初是為了滿足導(dǎo)彈和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)這些航空航天領(lǐng)域所使用的反沖彈簧、驅(qū)動(dòng)器、起落架部件、高性能的軸、齒輪、緊固件等零件發(fā)明的。后來，這種合金被模具行業(yè)廣泛使用，并在壓鑄行業(yè)用作長期模具。與鈦合金的加工類似，馬氏體時(shí)效鋼可以通過采用幾種不同的熱處理方法獲得不同的性能。不過與鈦合金不同的是，即便不經(jīng)過熱處理，馬氏體鋼也可能滿足制造的要求。如拉伸強(qiáng)度可以從1000MPa的程度通過時(shí)效硬化達(dá)到2000MPa。

不銹鋼與碳鋼不同，目前的鉻含量不同，最低的鋼合金具有10.5%鉻含量，不銹鋼不容易生銹腐蝕。奧氏體不銹鋼具有高強(qiáng)度和耐腐蝕性。316L可在很寬的溫度范圍內(nèi)下降到低溫。它可用于航空航天、石油、天然氣等多種工程應(yīng)用，也可用于食品加工和醫(yī)療等領(lǐng)域。

金屬3D打印主要用的是馬氏體沉淀硬化不銹鋼，要么17-4PH或15-5PH，15-5PH可以提供更好的高溫抗氧化性，馬氏體時(shí)效（沉淀硬化）不銹鋼具有很高的強(qiáng)度和更進(jìn)一步的硬化。它具有良好的韌性、耐腐蝕、無鐵素體。15-5PH廣泛應(yīng)用于航空航天，石化，化工，食品加工，造紙和金屬加工業(yè)。馬氏體不銹鋼的耐腐蝕性提供了一個(gè)優(yōu)秀的選項(xiàng)，高達(dá)315°C下仍然擁有高強(qiáng)度、高韌性，隨著激光加工狀態(tài)帶來極佳的延展性。17-4PH可以建立一個(gè)廣泛的激光性能。

金屬3D打印不銹鋼除了馬氏體不銹鋼還有ASM 300系列奧氏體不銹鋼，包括316L和304L。奧氏體不銹鋼的高強(qiáng)度和耐腐蝕性。316L可在很寬的溫度范圍內(nèi)下降到低溫。它可用于航空航天、石油、天然氣等多種工程應(yīng)用，也可用于食品加工和醫(yī)療等領(lǐng)域。

與先前描述的合金類似，這兩種不銹鋼最初作為金屬打印材料是因?yàn)楣I(yè)用途范圍廣泛，這些鋼通常用于航空航天部門，或用于醫(yī)療設(shè)備，并在重工業(yè)，如石油和天然氣領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

沉淀硬化（PH）不銹鋼通常具有抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕性和適度良好的抗高溫氧化性能，同時(shí)還具有良好的韌性。即使沒有任何初始溶液pH處理這些不銹鋼，材料可以具備高于1400mpa的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)然不同的供應(yīng)商供應(yīng)的材料之間雖然有微小的成分差異，也會(huì)導(dǎo)致3D金屬打印完成后材料性能的顯著變化。然而，最終的屬性非常依賴于確切的熱處理方法。例如，一個(gè)常見的錯(cuò)誤是沒有對17-4PH進(jìn)行充分的時(shí)效硬化以獲得完全的馬氏體結(jié)構(gòu)。這導(dǎo)致結(jié)果顯著低于預(yù)期的機(jī)械性能，這種不銹鋼不能通過增材制造的方法用來生產(chǎn)高質(zhì)量部件。最后，熱處理是這些鋼的一個(gè)關(guān)鍵步驟，如果想要達(dá)到最佳的性能。

對于奧氏體不銹鋼，316L是迄今為止最常用的金屬材料。作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)合金，特別是在一些酸性環(huán)境中具有優(yōu)秀的表現(xiàn)，并且具有優(yōu)越的強(qiáng)度相比。這些單相不銹鋼是非熱處理的，這意味著它們的強(qiáng)度不能通過通過增加熱處理來獲得提高。一些報(bào)道的數(shù)據(jù)表明，700MPa的抗拉強(qiáng)度是可以實(shí)現(xiàn)的，但大多數(shù)用戶的報(bào)告都在600MPa左右。

還有一種“多才多藝”的合金是鈷鉻鉬合金，簡單稱為鈷鉻，在牙科部門最為普遍。這是ISO 5832合金的衍生物，或ASTM F75，歷史淵源為鎢鉻鈷合金?合金，它最初是作為整形外科植入物用鑄造合金。但是用于牙科的合金不同于用于植入物的鈷鉻合金，因?yàn)樗嚕∟i）的自由基，并有更多的鎢（W）的成分。牙科合金具有很好的強(qiáng)度（＞1300MPa,消除應(yīng)力后），并且具備很好的生物相容性，與陶瓷涂層不易的分離。3D金屬打印可以將這種材料制成牙橋、牙冠等產(chǎn)品，與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比具有縮短制造流程、提高精度、降低成本的優(yōu)勢。

鈷鉻合金（Co28Cr6Mo）由于高耐磨性，良好的生物相容性，無鎳（鎳含量＜0.1%）組成，使其常用于外科植入物包括合金人工關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)。也可用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件，風(fēng)力渦輪機(jī)和許多其他工業(yè)部件，以及時(shí)裝行業(yè)，珠寶等。與Stellite21合金類似，這種合金具有較好的拉伸強(qiáng)度（＞1100mpa）具有高韌性、延性（伸長率18-20%），良好的耐腐蝕性，以及在高溫下正常工作的性能。與大多數(shù)增材制造的金屬一樣，最終的性能可以根據(jù)具體的要求，通過精心選擇的熱處理周期來實(shí)現(xiàn)。

其他高溫合金主要是基于Ni基合金，Inconel有兩個(gè)最常見的型號是625和718。使用合金的選擇通常取決于最大工作溫度和強(qiáng)度要求的組合。這些鎳基合金具有高合金含量，能夠承受各種各樣的嚴(yán)重腐蝕環(huán)境。即使在更嚴(yán)重的腐蝕環(huán)境中，鎳和鉻的組合可以耐氧化化學(xué)反應(yīng)，鉬的存在使這些合金抗點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕，鈮行則在焊接過程中防止隨后的晶間應(yīng)力腐蝕開裂。

所以要“玩轉(zhuǎn)”這些合金的3D打印，3D科學(xué)谷認(rèn)為需要對這些成分的屬性熟知，作為粗糙的經(jīng)驗(yàn)法則，選擇625合金用于具有較高的強(qiáng)度和抗蠕變、斷裂和腐蝕環(huán)境，在高溫下即使在980°C至1140°C的范圍內(nèi)，625的名義室溫抗拉強(qiáng)度在827-1034MPa之間。718可用于在損害稍低的工作溫度，通常是在700°C到760°°C 的范圍，也被用在1000°C的環(huán)境下。718合金的室溫抗拉強(qiáng)度在1170-1275MPa之間。注意，這兩種合金也可以在非常低的低溫環(huán)境下使用。

總體來說，625在溫度高達(dá)約815條件下依然提供優(yōu)良的負(fù)載性能，此外，耐腐蝕性能，這種合金廣泛應(yīng)用于需要高的點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕和耐高溫的行業(yè)，例如航空航天，化工和電力工業(yè)中的應(yīng)用。713具有優(yōu)異的抗熱疲勞性能，以及在927°C的特殊斷裂強(qiáng)度，非常適合于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)葉片。718具有優(yōu)異的耐腐蝕性以及良好的耐熱和拉伸，疲勞，蠕變性能，Inconel 718適合各種高端應(yīng)用包括飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和陸基渦輪機(jī)（葉片，環(huán)，套管，緊固件和儀表零件）。其他高溫合金包括哈氏C276和Mar-M247。

鋁合金方面，鋁硅AlSi12-鋁硅12是一種具有良好的熱性能的輕質(zhì)增材制造金屬粉末。典型的應(yīng)用是薄壁零件如換熱器，或其他汽車，航空航天和航空工業(yè)級的原型及生產(chǎn)零部件。而AlSi10Mg-硅/鎂組合帶來顯著的強(qiáng)度和硬度的增加。這種鋁合金適用于薄壁，復(fù)雜的幾何形狀的零件，是需要良好的熱性能和低重量場合中理想的應(yīng)用材料。零件組織致密，有鑄造或鍛造零件的相似性。

壓鑄合金AlSi10Mg類似美國合金360,雖然這并不是一個(gè)被廣泛認(rèn)可的高強(qiáng)度鑄造合金，但它已被證明通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砟軌虍a(chǎn)生相當(dāng)高的強(qiáng)度，3D科學(xué)谷了解到雖然這一事實(shí)也還備受爭議。但從廣義上講，這種合金可以通過標(biāo)準(zhǔn)的熱處理工藝，固溶處理后人工時(shí)效，稱為T6周期。溶液處理500°C以上， 4-12h，溫度不應(yīng)超過550°C，其次是水或聚合物熔體淬火。人工老化溫度在155°C-165°C之間，時(shí)間6-24h，通過精確的時(shí)間和溫度控制最終性能。抗拉強(qiáng)度可以從220MPa到340MPa之間，抗拉屈服強(qiáng)度在180MPa和280MPa之間。 其他合金包括169（A357）和AlSi7Mg。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究另外專有的合金如Scalmalloy已經(jīng)被用于空客的增材制造應(yīng)用中，這是一些令人興奮的進(jìn)展。

其他純金屬粉末和合金銅（Cu）、鎢（W）、鉭（Ta）也經(jīng)常出現(xiàn)在金屬3D打印研究或?qū)I(yè)商業(yè)工業(yè)應(yīng)用。新的金屬和合金將不斷涌現(xiàn)，金屬打印系統(tǒng)不斷獲得改進(jìn)。作為金屬3D打印企業(yè)來說，重要的是結(jié)合市場的需求，在一個(gè)應(yīng)用點(diǎn)上深挖，形成自己的一套方法。