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制约铝合金3D打印应用的六大因素及国内外高强铝合金的商用进展

2019年11月18日

    作为金属3D打印的重要材料之一,铝合金由于密度轻、弹性好、比刚度和比强度高等一系列优良特性,一直被认为是“朝阳材料”。它在军工、航空航天、汽车制造等领域已经被广泛的应用且具有很好的发展前景,与3D打印的结合更是使其迸发出新的活力。

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SmarTech Publishing关于铝合金3D打印粉末基于不同应用的市场调查

    然而相比钛合金、铁基、镍基合金,铝合金的3D打印研究和应用在近十年来才获得较快的发展,其主要原因还在于材料本身的局限性。而随着新型复合材料的诞生,传统铝合金的地位也受到了挑战,发展高强铝合金成为新的研究思路。本文重点关注影响铝合金3D打印应用的主要因素,以及国内高强铝合金的商用进展。

    ▌制约铝合金3D打印应用的六大因素

    目前3D打印用铝合金仍旧有限,主要原因有以下几个方面:

    第一,铝合金成本低,3D打印加工的铝合金没有价格优势。

    第二,大多数铝合金焊接性能不理想,铝合金的强化多归咎于析出相强化,而如Al-Zn系高强铝合金由于含有不稳定元素Zn,在3D打印过程中易导致飞溅,孔隙和熔池剧烈反应而不适合3D打印工艺。

    第三,铝合金中如Mg、Li元素蒸气压完全异于Al元素,在3D打印过程中会首先蒸发出来。

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金属打印本身是一个非常复杂的物理冶金过程

    第四,铝合金具有很高的激光反射率(约 91%),这就要求必须具有足够高的能量才能将出来熔化,因此对设备提出了高要求。

    第五,铝合金粉体的流动性较差,熔融铝的低流动性导致成形件成分不均匀也制约着铝合金在3D打印上的运用。

    最后,铝合金的强氧化性生成的氧化膜会阻碍熔覆层与基体结合以及在3D打印过程中形成的气孔等缺陷也影响了铝的有效成型。

    除了以上缺点,铝合金还具有高导热性,允许3D打印过程中快速成形,另外较高的导热性可以降低热应力产生,降低对支撑结构的依赖,但同时也增加了对激光能量的需求。(以上内容参考《铝合金增材制造技术在军工领域的研究进展》)

    ▌铝合金的应用现状及国内高强铝合金的商用情况

    目前铝合金3D打印材料种类有限,一般为AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi12等,其中AlSi10Mg几乎占据绝对主流。但AlSi系列合金的力学性能并不高,无法满足目前对铝合金增材制造零件高强度的要求。基于此,开发高强铝合金成为发展应用的必由之路。

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福特使用铝合金3D打印的网状结构歧管

    在过去10年间,空客公司针对航空用铝合金零件增材制造需求,开发出世界上第一种增材制造专用高强铝合金粉末材料Scalmalloy,其室温拉伸强度达到520MPa以上,为国际领先水平,已经应用于A320飞机机舱结构零件的增材制造。

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采用Scalmalloy打印的A320飞机隔断结构

    近日,英国铸造公司Aeromet International宣布了一项突破性成就,其专利A20X铝合金粉末已成为目前市场上用于增材制造高强度铝合金粉末之一。该材料经热处理后拉伸强度为511 MPa,屈服强度为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。

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A20X适用于要求耐用性的航空航天部件

    国内方面,今年上半年以来陆续有高强铝合金粉末上市,它们分别由航天科工旗下的长沙新材料产业研究院和吴鑫华院士的苏州倍丰有限公司所开发。

    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。通过在国内多家用户不同型号设备上机使用验证,此种合金粉末材料的成型零件室温拉伸强度达到535MPa以上,屈服强度达到510MPa以上,延伸率达到12%以上。与空客公司研发的高强铝合金粉末产品性能相当,目前已被国内航空航天部门采购应用。

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当前高强铝合金的性能对比

    由吴鑫华研究团队开发的Al250C材料则将目前可用于3D打印的铝合金材料达到了最高水平,其拉伸强度超过590Mpa,屈服强度可达580MPa,延伸率11%,制备的构件在250℃高温下通过了持续5000小时的稳定试验,相当于发动机常规服役25年的要求。此举受到了包括美国通用、波音、雷神、赛峰等多家航空巨头的重视。

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Al250C粉末 Al250C拉伸强度与其它铝合金对比

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