谷專欄是3D科學(xué)谷內(nèi)容板塊：谷前沿、谷透視、谷研究、谷專欄這四大板塊之一。谷專欄基于3D科學(xué)谷愿景：貢獻于制造業(yè)附加值創(chuàng)造，貢獻于人類可持續(xù)發(fā)展。其目的是通過攜手科研機構(gòu)、科學(xué)家、企業(yè)研發(fā)與應(yīng)用團隊，與業(yè)界分享對推動增材制造發(fā)展起關(guān)鍵作用的共性基礎(chǔ)科研與應(yīng)用成果。
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，目前如何通過基于粉末床工藝的選區(qū)激光熔化3D打印來加工鋁合金材料，仍存在著商業(yè)與技術(shù)邏輯上的瓶頸。
在商業(yè)方面, 鋁合金的價格相對于高溫合金來說是便宜的，就目前3D打印所成就的高附加零件來說，材料所占的成本比重并不明顯，那么鋁合金的價格優(yōu)勢就難以顯現(xiàn)出來。在技術(shù)邏輯上，由于傳統(tǒng)鋁合金的成形特點，大部分牌號不適用于3D打印，僅有幾種鑄鋁牌號合金適用于3D打印技術(shù)，并且由于其自身材料性能的限制，難以滿足高強、高溫應(yīng)用要求。
針對目前存在的瓶頸，旨在滿足高附加值應(yīng)用的新牌號鋁合金3D打印材料正呈現(xiàn)上升趨勢。
在本期谷.專欄文章中，3D科學(xué)谷將分享倍豐科技創(chuàng)始人、澳大利亞工程院吳鑫華院士領(lǐng)導(dǎo)的莫納什大學(xué)研究團隊，在鋁合金3D打印材料領(lǐng)域的科研成果。該成果是一種牌號為Al250C的高強高韌3D打印專用鋁合金材料。
Al250C材料打印的高效航空熱交換器
吳鑫華院士團隊
以技術(shù)發(fā)展彌補商業(yè)空白
Al250C 材料的力學(xué)性能
Al250C 材料強度達到目前可用于3D打印的鋁合金材料中最高水平，抗拉強度穩(wěn)定達到570MPa以上，延伸率穩(wěn)定達到12%以上，制備的航空零部件通過了250℃高溫下持續(xù)5000小時的穩(wěn)定試驗，相當(dāng)于發(fā)動機常規(guī)服役25年的要求。
Al250C熱處理前后樣棒室溫力學(xué)性能
吳鑫華院士團隊
3D打印常用鋁合金AlSi10Mg的屈服強度為260MPa,打印后的延伸率為4-6%，最高使用溫度小于100℃，無論從性能上還是使用溫度上，都無法滿足航空航天鋁合金產(chǎn)品的苛刻要求。
Al250C的強度接近常用AlSi10Mg系鋁合金材料強度的2倍。特別指出的是，Al250C表現(xiàn)出了優(yōu)異的高溫使用壽命，對比目前適用于金屬3D打印的Scalmalloy 鋁合金，其在250℃時的使用壽命僅為100小時，而Al250C在同樣溫度下的使用壽命超過5000小時，極大提高了使用壽命。
Al250C力學(xué)性能與其它鋁合金的對比
吳鑫華院士團隊
應(yīng)用前景
倍豐科技創(chuàng)始人、澳大利亞工程院吳鑫華院士表示：高強度3D打印鋁合金在航天制造領(lǐng)域的應(yīng)用尤為重要，主要目標(biāo)是實現(xiàn)航天器減重以及縮短交付周期，從而降低綜合生產(chǎn)成本、提升綜合效益。高強度3D打印鋁合金可使航天器零件減重20-90%不等，加工周期縮短3-12個月不等。典型應(yīng)用包括：衛(wèi)星射頻陣列天線支架，耦合震動阻尼器，空間站中多種支架構(gòu)件如：導(dǎo)軌支架、測控天線支架。
同樣的優(yōu)勢也將為新能源汽車制造帶來應(yīng)用價值。例如通過高強度3D打印鋁合金制造新能源汽車型材與鑄件之間等的鏈接件，減少這些產(chǎn)品之間的焊縫，提高汽車的安全性同時降低汽車的重量。3D打印應(yīng)用還將減少傳統(tǒng)鑄件前期生產(chǎn)的模具用量，降低新型車研發(fā)周期與成本。
Al250C材料彌補了傳統(tǒng)6系鋁合金材料不能完全適用3D打印工藝的缺點，同時解決了傳統(tǒng)鋁合金強度低、使用溫度低等問題，是一種新型高強度鋁合金材料，具有著廣泛的應(yīng)用前景。
除了在實現(xiàn)輕量化、提高綜合效益等方面的優(yōu)勢，Al250C材料還因其耐高溫、高強度特點，適合開發(fā)熱管理部件，如航空高效熱交換器（見文首圖片）。一方面在相同的耐壓條件下，可實現(xiàn)與常規(guī)AlSi10Mg鋁合金相比更薄的壁厚，更輕的重量，并實現(xiàn)更好的換熱效果；另一方面可取代原中溫環(huán)境下使用的低傳熱系數(shù)材料鈦合金和不銹鋼，實現(xiàn)減重、高效傳熱雙重提升。
Al250C粉末和打印產(chǎn)品
吳鑫華院士團隊
目前，吳鑫華院士團隊研發(fā)的Al250C 3D打印鋁合金材料已連續(xù)用于增材制造多種產(chǎn)品兩年多，獲得了來自國內(nèi)外航空航天和科研等領(lǐng)域用戶的市場應(yīng)用反饋。
用該材料制作的鋁合金3D打印結(jié)構(gòu)件，更有希望替代目前航空航天上的部分鈦合金構(gòu)件，達到航天航空領(lǐng)域降低重量與節(jié)約成本的目的。
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