金屬/陶瓷粉末3D打印技術及其應用

（中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京市先進鈦合金精密成型工程研究中心，北京 10095）

3D打印又稱增材制造，是一種結(jié)合計算機、材料、機械等多領域的系統(tǒng)性、綜合性的技術，運用金屬/陶瓷粉末或粘合材料，通過選擇性粘結(jié)逐層堆積方式實現(xiàn)實體。粉末冶金技術可實現(xiàn)近凈成形同時能夠極大限度地減少傳統(tǒng)鑄造合金的成分偏析、組織粗大以及不均勻性，獲得與鍛件性能水平相當?shù)娘@微組織結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)粉末冶金技術相比，3D打印技術以其成本低、生產(chǎn)周期短、可成形各類復雜結(jié)構(gòu)零部件等一系列優(yōu)點，使其在各領域迅速發(fā)展。3D打印技術與傳統(tǒng)的制造技術相比，具有如下特點： ①節(jié)約原材料，能夠?qū)崿F(xiàn)“近凈成形”； ②降低設備成本；③可以制造形狀復雜、難加工材料； ④設計生產(chǎn)空間靈活可控； ⑤縮短了生產(chǎn)時間； ⑥可以用于零件修復； ⑦可以結(jié)合鑄造技術，進行復合成形，即在鑄件上直接打印難鑄結(jié)構(gòu)或零部件，因此，可采用增材制造技術制備傳統(tǒng)工藝方法難以加工的構(gòu)件[1]。

近幾年來，隨著3D打印技術的快速發(fā)展，在航空航天、生物醫(yī)藥、汽車和建筑等領域應用逐漸拓寬，其優(yōu)勢不斷顯現(xiàn)，備受廣大科研學者關注[2—3]。金屬/陶瓷粉末構(gòu)件的 3D打印技術是目前先進制造技術的重要發(fā)展方向[4]。鈦合金具有比強度高、耐蝕性、無磁性等一系列優(yōu)點，使其在電子、航空、航天、船舶、高端民品等領域廣泛應用。文中以3D打印成形鈦合金為例，從3D打印用粉體材料的選擇、成形設備原理、技術種類及其應用等方面進行介紹。

1 3D打印成形金屬/陶瓷粉末技術的應用

以 3D打印鈦合金為例，美國 AeroMet公司與Boeinq、Lockheed-Martin公司共同合作開展飛機機身鈦合金復雜結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術研究，并且激光成形鈦合金全尺寸飛機機翼結(jié)構(gòu)件順利通過地面性能考核試驗，構(gòu)件的疲勞強度和靜強度均達到了傳統(tǒng)鍛造及鑄造飛機鈦合金構(gòu)件的要求。AeroMet公司自2001年起開始小批量為波音公司某型號艦載聯(lián)合殲擊/攻擊機供應發(fā)動機翼梁、帶筋壁板、艙推力拉梁、機翼轉(zhuǎn)動折疊接頭、和龍骨梁壁板等機翼鈦合金非主承力結(jié)構(gòu)件，部分鈦合金構(gòu)件已在 F/A18-E/F、F-22等飛機上裝機應用。

圖1 F/A-18E/F飛機激光快速成形Ti6A14V鈦合金推力梁試驗件Fig.1 F/A-18E/Faircraft laser rapid prototyping test piece of Ti6a14V titanium alloy thrust beam

圖2 美國AeroMet公司激光快速成形Ti6A14V帶筋壁板試驗件Fig.2 Laser rapid prototyping of Ti6A14V stiffened wall plate by AeroMet Company in USA

國內(nèi)關于鈦合金激光快速成形技術研究的機構(gòu)有北京有色金屬研究總院、西北工業(yè)大學、北京航空航天大學、北京航空材料研究院等。北京航空航天大學提出并掌握了激光快速成形鈦合金主承力構(gòu)件凝固組織及熱處理組織調(diào)控方法，實現(xiàn)了激光快速成形鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件內(nèi)部質(zhì)量和顯微組織控制，制造出了大型整體鈦合金飛機主承力結(jié)構(gòu)件，其綜合力學性能良好，部分構(gòu)件已實現(xiàn)在飛機上的裝機應用。目前國內(nèi)制造出的30多種鈦合金等大型復雜關鍵金屬零件已在大型運輸機、艦載機、C919大型客機、殲擊機等飛機中裝機應用[5—6]。

由于金屬材料的熔點高，使其在激光/電子束成形過程涉及到固液相變、表面擴散以及熱傳導問題，同時需觀測組織是否致密良好以及在激光/電子束的快速加熱和冷卻過程如何避免構(gòu)件中存在的殘余應力等問題。對于成形金屬間化合物類脆性合金而言，SLM 技術因其無需后續(xù)加工的優(yōu)勢，因此被研究者們開發(fā)利用。美國坩堝公司采用激光成形設備成功研制出200 mm×150 mm×32 mm的TiAl合金件，得到了力學性能優(yōu)良的層片狀精細組織。其性能見表1。

表1 激光成形Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的力學性能Tab.1 Mechanical properties of laser-formed Ti-47Al-2Cr-2Nb alloy

目前 3D打印技術制備陶瓷材料上國內(nèi)外尚處于剛剛起步階段，在材料的成形方面取得很大進展，但是材料的組織性能和密度還不夠理想，通常需要通過后處理工序來改善陶瓷結(jié)構(gòu)件的密度，同時，在尺寸控制方面，陶瓷構(gòu)件的精度和內(nèi)部質(zhì)量尚不能滿足實際要求，距離工程化應用存在距離。未來需要在陶瓷材料種類、陶瓷構(gòu)件尺寸精度、表面質(zhì)量、內(nèi)部冶金缺陷、產(chǎn)品綜合力學性能等方面進行廣泛且深入研究。

2 金屬/陶瓷粉末3D打印技術

金屬粉末的主要成形方法按熱源分有激光和電子束兩種加熱方式，按成形材料狀態(tài)分為金屬粉狀和金屬絲狀，按送材方式分為儲粉、送粉/絲?，F(xiàn)階段金屬增材制造技術主要包括激光熔化沉積(LMD)、選區(qū)激光熔化(SLM)、電子束熔絲、電子束選區(qū)熔化(EBSM)等方法。熔化沉積技術是計算機控制送粉器通過載氣將粉末從噴嘴送出并聚焦熔覆頭下方軸線，其中熔覆頭是激光熔化沉積制造系統(tǒng)核心部件，因為熔覆頭上帶有可輸送粉末及保護氣的噴嘴。而選區(qū)熔化方式則是將工件的三維模型進行分層處理，然后利用掃描系統(tǒng)控制激光束/電子束對待成形區(qū)域內(nèi)的材料進行照射，有選擇性地熔融金屬粉末，其中 LMD技術與SLM相比，在成形尺寸上更加靈活，可以制備更大尺寸的零件，因而與SLS技術相比，SLM技術無需粘接劑，直接熔化金屬/陶瓷粉末，因此其零件密度大大提高、零件尺寸精度高、表面粗糙度小，不足是沉積效率低、成形尺寸小[7]。以鈦合金為例，金屬粉末的快速成形分類見圖3。

圖3 鈦合金快速成形分類Fig.3 Classification of titanium alloy rapid prototyping

與金屬材料、樹脂材料的3D打印技術相比，陶瓷3D打印技術起步較晚，發(fā)展較慢，但因其具有巨大發(fā)展?jié)摿Χ鴤涫荜P注。陶瓷件的3D打印包括配制陶瓷漿料、繪制三維模型并切片、3D打印成形、燒結(jié)等工藝過程。利用3D打印技術研究的陶瓷材料包括氧化鋯、氧化鋁、磷酸三鈣、碳化硅、碳硅化鈦、陶瓷前驅(qū)體等，其成形方法主要分為：噴墨打印技術(Ink-jet printing, IJP)、三維打印成形(Three Dimensional Printing, 3DP)、熔化沉積成形技術(Fused deposition of ceramics, FDC)、直寫自由成形技術(Direct Ink Writing, DIW)、激光選區(qū)燒結(jié)/熔融(Selective Laser Sintering/Melting, SLS/SLM)、光固化快速成形技術(Stereo Lithography Appearance, SLA)、疊層實體制造(Laminated Object Manufacturing, LOM)[7]。

其中IJP技術原理簡單，打印頭成本低，易產(chǎn)業(yè)化，但是墨水配制需要求粉末粒徑均勻，不發(fā)生凝聚，流動性好，高溫化學性能穩(wěn)定，且噴墨打印頭易堵塞，墨水液滴大小限制打印最大高度，很難制備z軸方向具有不同高度的三維結(jié)構(gòu)；而 3DP技術能夠大規(guī)模成形出陶瓷部件，成本較低，但粘結(jié)劑強度導致部件強度有限，難以制備機械性能優(yōu)良的陶瓷部件；與SLA技術相比，DIW 技術無需紫外光和激光輻射，常溫可成形，且可配制高含量均勻穩(wěn)定的陶瓷懸浮液，燒結(jié)后可獲得高致密化燒結(jié)體，但是水基陶瓷懸浮液穩(wěn)定性差，保存周期短，有機物基陶瓷料漿穩(wěn)定性高，但增加低溫排膠過程，提高了制造成本；SLS技術無需支撐就可制備復雜陶瓷零件，但因受粘結(jié)劑鋪設密度限制，導致陶瓷制品密度不高；SLA技術成形精度極高，可制備極其復雜幾何形狀的零件，得到的陶瓷件燒結(jié)后密度高，性能優(yōu)異，但需設置支撐結(jié)構(gòu)，后處理麻煩，同時考慮二次固化問題，且折射率較高材料難以使用該技術，LOM 成形速率高，無需設計支撐，但后處理工序繁瑣，成形坯體各向機械性能差別大[8—11]。

不同3D打印成形方法各有利弊，在實際生產(chǎn)制備過程中需平衡周期、經(jīng)濟成本、精度、尺寸等多方面因素、選擇合適的陶瓷3D打印成形方法，不同3D打印陶瓷粉末比對見表2。

表2 不同3D打印陶瓷粉末制備方法比對Tab.2 Comparison of different preparation methods 3D printing ceramic powder

3 3D打印用金屬粉末要求

增材制造工藝與傳統(tǒng)粉末冶金工藝相比有明顯區(qū)別，在成形過程中，粉體材料與熱源直接作用，材料的變化是瞬態(tài)的，沒有模具的約束以及持久壓力的作用。3D打印用粉末具有良好的可塑性、流動性，高球形度、松裝密度以及低氧含量，較窄的粒度分布范圍等綜合性能[12]。其中粉末粒徑對3D打印成形性影響最大，粉末粒度越大球化現(xiàn)象越嚴重，粒徑越小，表面光潔度更高，在不影響粉末流動性的前提下，均勻且粒度小的粉末更有利于成形。一般認為直徑小于1 mm的粉體材料適用于增材制造，粒徑在50 μm左右的粉體材料具有較好的成形性。根據(jù)3D打印機不同能量源劃分，激光能量源用粉末粒度為 15～50 μm（細粉），粉末補給方式為逐層鋪粉；等離子束作為能量用粉末粒度為 50～110 μm（粗粉），粉末補給方式為同軸送粉。與傳統(tǒng)粉末冶金相比，3D打印用金屬粉末尚未形成標準，仍沿用鑄造用粉末標準；除了精確控制粉末純度及成分，提高力學性能和密度以外，同時應關注粉末中相的性質(zhì)、含量、尺寸及其分布范圍的隨機性，使3D打印金屬材料顯微組織得以更好控制。對不同體系的金屬粉末，氧含量為一項重要指標，一般制品要求在0.15%以下，航空航天制品要求控制在0.05%以下。其中3D打印用鈦合金粉末主要選取等離子旋轉(zhuǎn)電極或氣液霧化兩種，3D打印用金屬粉末制備方法及不同工藝下粉末的優(yōu)缺點和適用范圍見表3。

表3 3D打印用粉末制備方法Tab.3 Preparation of powder for 3D printing

4 3D打印用金屬粉末設備

圖4 3D打印設備原理Fig.4 Schematic diagram of 3D printing equipment

用于成形鈦合金粉末用激光熔化式成形機和激光燒結(jié)式成形機及原理見圖4。不同種類的快速成形系統(tǒng)由于所用成形材料不同以及產(chǎn)品性能要求的差異性，所以其原理和系統(tǒng)特點也各不相同，但都是基于離散堆積原理，即分層制造、逐層疊加的原理。3D打印設備對于成形金屬粉末而言，以鈦合金為例，主要有激光燒結(jié)式快速成形機、激光熔化式快速成形機、電子束熔化式快速成形。其中激光燒結(jié)式快速成形機工作原理是在工作臺上鋪一層粉末，激光束對粉末進行有選擇性的掃描，使表面外表熔化而相互粘接，逐步形成界面薄層，而未被激光束掃描的粉末散狀，形成對后續(xù)層的支撐。激光熔化式快速成形機與激光燒結(jié)式成形機原理相同，不同之處在于粉末完全融化，有利于提高粉末的成形性及材料的致密性。電子束熔化成形機是近幾年新興的設備，其成形工作原理與激光熔化式成形機相似，只是熔化的熱源不同。

5 結(jié)語

3D打印增材制造較傳統(tǒng)工業(yè)比較具有不可替代的優(yōu)勢，也有很多方面存在不足。只有成形質(zhì)量、周期、成本有了質(zhì)的改變，增材制造才能成為制造業(yè)發(fā)展的強大動力。下面將從增材制造金屬/陶瓷粉末存在的問題和未來發(fā)展方向給出建議。

1) 增材制造產(chǎn)品力學性能、密度和尺寸控制需進一步提高。3D打印用金屬粉末除了精確控制粉末純度及成分，以提高材料力學性能和密度外，同時應關注粉末中相的性質(zhì)、含量、尺寸及其分布范圍的隨機性，使3D打印金屬材料顯微組織得以更好控制，提高產(chǎn)品力學性能；同時，為了滿足產(chǎn)品質(zhì)量的最終需求，增材制造產(chǎn)品需要后處理工序，例如熱等靜壓、熱處理、表面光整等，這將引起新的工藝變量，因此需增強增材制造技術后處理工藝的精確控制。

2) 增材制造的實時過程監(jiān)測和控制難度大，技術成熟度很低，無法滿足成形需求，急需開展實時過程監(jiān)測和控制技術研究，從而提升增材制造構(gòu)件質(zhì)量和可靠性。對于3D打印成形難熔金屬、極活潑金屬以及硬脆的金屬間化合物而言，其設備需設計防裂預熱保溫裝置、配備更高功率熱源，組裝高抽真空裝置。

3) 增材制造的計算機模擬仿真技術仍處于基礎研究階段，由于熔區(qū)尺寸微小，逐層成形過程中，其溫度場、流動場、應力場受周邊環(huán)境影響大，各類熱物性參數(shù)和邊界參數(shù)獲取困難，數(shù)值模型建立難度大，繼續(xù)開展增材制造的計算機模擬仿真技術，揭示一些機理，從而提高工藝優(yōu)化水平。

4) 增材制造技術因組織細化、性能好，修復復雜形狀，缺陷少，性能接近鍛件等一些優(yōu)點，使其將在構(gòu)件修復領域得到廣泛應用。

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