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材料盘点:10款具有特殊性能的3D打印铝合金6款来自国内

来源:欧宝体育平台在线登录 作者:欧宝全站APP 时间:2022-08-15

  材料在使3D打印成为真正的生产技术中起着关键作用。根据捷普的一项调查,41%的受访用户认为,引入更好的材料将对鼓励大规模采用3D打印进行生产产生最大影响。以铝合金为例,具有特殊性能的铝合金需求越来越旺盛,如耐高温、高强度、高韧性的特点,在兵器、船舶、航空、航天、汽车等行业中具有广泛的需求。

  7月24日,我国问天实验舱发射任务取得圆满成功。由中国科学院金属研究所研制的新型铝基复合材料成功应用在问天实验舱太阳翼柔性展开机构关键部件和多个实验机柜转接件中。3D打印技术参考注意到, 问天实验舱实验机柜与实验舱内壁结构采用六点式机械连接,连接件在发射过程中在剧烈震动、摩擦工况下服役,承受巨大载荷,是实验机柜载荷结构设计中受力最苛刻的零部件。中科院团队针对该工况研发出高性能碳化硅颗粒增强铝基复合材料锻件,具有低密度、高强韧性、高耐磨、良好阻尼性能及耐疲劳等优点,采用该材料替代传统铝、钛等合金,实现优异的轻量化加工制造,承受住了发射过程中的震动疲劳及磨损等,并使零件减重20%以上。

  2021-2022年,3D打印铝合金材料研究不断取得新突破,一批新的高性能粉末被推向市场。本期,3D打印技术参考汇总了当前10款具有特殊性能的3D打印铝合金材料,其中6款来自国内。

  宝航推出的这款材料将于2022年推出,是一种适用于SLM工艺的高性能铝合金粉末,其具有超高的强度(620MPa)和良好的塑性(8%);该材料为AlMg合金体系,被命名为:HS5601(其中:HS为High Strength的简称,5表示一种5系铝镁合金,601表示第一代的600MPa铝)。

  相较于AlMgScZr而言,其具有更高的强度,有望应用于航空航天及国防军工领域对高性能材料的特别需要。

  宝航新材料已经能够批量生产HS5601,并有计划研制更高强度如800MPa的铝合金3D打印材料。

  倍丰科技开发的Al250C高温高强3D打印铝合金材料抗拉强度稳定达到570MPa以上,延伸率稳定达到12%以上,制备的航空零部件通过了250℃高温下持续5000小时的稳定试验,相当于发动机常规服役25年的要求。

  Al250C弥补了传统6系铝合金材料不能完全适用3D打印工艺缺点,同时解决了传统铝合金强度低、使用温度低等问题,是一种新型高强度铝合金材料,具有着广泛的应用前景。用该材料制作航空铝合金3D打印结构件,更有希望替代目前航空航天上的部分钛合金构件,达到航天航空领域降低重量与节约成本的目的。

  对于耐高温铝合金而言,其核心目标是保持良好的高温强度。陕西兴华业开发的具有自主知识产权的耐高温、高强、高韧3D打印铝合金AK09系列具备优异的室温和高温性能:

  • 室温性能:抗拉强度500MPa,屈服强度420MPa,延伸率17%;

  EOS推出了一种专为增材制造设计的新型铝合金Al2139AM,该合金可在高达200ºC的高温下提供卓越性能,是EOS推出的强度最高的3D打印铝合金。改进的强度特性为客户带来了新机遇,可以在不影响强度的情况下显著减轻零件重量。

  据介绍,3D打印的Al 2139AM在热处理状态下的屈服强度和拉伸强度约为500Mpa,具有高达200°C的高温耐受性和良好的耐腐蚀性。EOS指出,该材料具有快速简单的一步热处理特点,能够减少88%的热处理时间,从而能够更快的得到最终零件。同时,3D打印的Al 2139AM零件可以进行电解抛光和阳极氧化处理。

  除超高强HS5601铝合金外,宝航还于2022年年中向市场推出了一款新型耐温铝合金——HT4251,其能够在250℃的高温下,抗拉强度稳定在264.5MPa、屈服强度稳定在198.5MPa,延伸率稳定在15%,表现出优异的耐温性能。

  传统的耐高温铝合金主要基于AlFe、AlCr或AlCu合金来做成分开发,利用Fe、Cr或Cu元素形成大量弥散分布且具有热稳定性的析出相。宝航技术研发团队则另辟蹊径,通过在AlSi合金体系中添加少量微量元素,在保证良好SLM打印工艺窗口的同时,成功实现了优异的高温力学性能。

  该高强铝合金粉末材料经批量生产以及多轮SLM技术验证,拉伸强度稳定超过560MPa,屈服强度超过520MPa,延伸率14-16%,显著优于空客公司Scalmalloy®铝合金粉末的打印性能以及其他7系锻造高强铝合金。

  由于不同于空客公司Scalmalloy®的强化机制,该打印材料在215℃高温条件下的强度超过260MPa,延伸率超过10%,几乎比空客Scalmalloy®的高温性能整整提高了一倍。此外,该材料还具备优良的耐腐蚀性能,可满足国内轨道交通装备和航空航天等高端制造零部件3D打印的需求,具有广泛的应用前景和市场价值。

  2019年2月,国内航天科工旗下长沙新材料产业研究院通过添加稀土元素及化学成分调整、后处理工艺摸索等手段,成功研制出了一种高强铝合金粉末材料,其室温拉伸强度535MPa,屈服强度510MPa,延伸率为12%。该企业一直在增材制造高性能铝合金方向努力,目前在超轻铝锂合金、超高强铝合金等方向均已形成产品。

  2019年10月,美国休斯研究实验室(HRL)开发的3D打印用高强7A77.60L铝合金正式投放市场。该材料因使用锆基纳米颗粒作为成核剂,避免了7075和6061铝合金在采用激光进行打印时出现的易开裂问题,并可实现细晶粒微观结构,强度超过600 Mpa,成为首个可用于增材制造的锻造等效高强度铝合金。

  HRL高强铝合金商业化始于2017年发表于nature的一篇关于铝合金3D打印的研究。受熔铸工艺启发,研究人员通过将纳米颗粒作为成核剂与液体金属混合来孕育晶种,从而实现在温度梯度较大和凝固速度快的非平衡条件下实现晶体精细生长,进而提高了产品的性能。在2019年商业化后,该材料已经在NASA和其他航空航天企业获得了大规模零部件的生产。

  针对航空用铝合金零件增材制造需求,空客公司开发了世界上第一种增材制造专用高强铝合金粉末材料Scalmalloy,它是一种铝镁钪合金,室温拉伸强度(520MPa)、屈服强度(480 MPa)和延展性(延伸率13%)均表现出色,且具有耐腐蚀、微观结构稳定的特点,是一款专为增材制造而开发的材料。Scalmalloy旨在用于航空航天应用,早在2016年,空客就用这种材料3D打印了机舱隔断,成功帮助A320客机实现瘦身;同时,Scalmalloy的优异性能也使其成为赛车运动行业的首选应用材料。

  2019年,英国铸造公司Aeromet International推出的A20X铝合金粉末经热处理后拉伸强度为511 MPa,屈服强度440 MPa,伸长率为13%,基于该材料开发的航空散热结构件已成功替代传统采用钛合金制作的中温构件,并帮助法国某型号发动机实现瘦身。

  铝合金有着极大的使用潜力,由于材料的低密度,高强铝合金表现出优异的比强度,在室温下接近主力钛合金Ti6Al4V。为了获得类似的强度特性,3D打印的高强铝合金还需要辅以热处理过程。

  金属增材制造过程独特的凝固条件极大地限制了当今可以加工的合金数量,这阻碍了金属增材制造充分发挥其改变设计和制造以及颠覆多个行业的潜力。然而可以看到的是,适用于增材制造的新型材料正在加速涌现,尤以高强铝合金最为突出。

  除此之外,具有高性能的金属材料以往更多依赖进口,昂贵的价格只是限制应用的因素之一,限制进口则影响技术的发展。好在这种现象正在加速得到解决。