3D打印材料高強度鋁合金，你不知道的潛力材料

 

 

根據(jù)SmarTech的數(shù)據(jù)顯示，鋁合金占金屬3D打印中所有金屬粉末的消耗量（按體積計算）從2014年的5.1%逐漸提高到2026年的11.7%左右，鋁合金在汽車行業(yè)的10年復(fù)合增長率在51.2%。

 

鋁合金價格相比其他合金來說更便宜，但在3D打印加工過程中存在困難。就拿航空航天領(lǐng)域來說，鋁合金的應(yīng)用一直存在著一些弊端。鋁合金雖然很輕，但在暴露于高于160°C的溫度的應(yīng)用中往往表現(xiàn)不佳。它們會隨著時間的流逝而軟化和老化，因此航空航天領(lǐng)域會選擇相對較重的金屬，例如鋼或鈦。如何在提升鋁合金的性能，這是一個值得研究和突破的地方。

 

半個多世紀以來，科研人員已經(jīng)完成了大量工作，以改善鋁合金的耐熱性，使鋁合金能夠承受更高的工作溫度而不會降低機械性能。今天，在世界范圍內(nèi)，通過3D打印技術(shù)，新型的鋁合金材料在呈現(xiàn)出快速上升的開發(fā)態(tài)勢，更高的強度，替代中溫鈦合金的可能性。

 

在我國，已經(jīng)有團隊成功開發(fā)出了牌號為Al250C的高強高韌增材制造專用鋁合金材料，該Al250C材料用于3D打印屈服強度可達580MPa，抗拉強度590MPa以上，延伸率可達11%，制備構(gòu)件通過了250℃高溫下持續(xù)5000小時的穩(wěn)定試驗， 相當于發(fā)動機常規(guī)服役25年的要求。

 

國際方面，高強度鋁合金的3D打印領(lǐng)域涌現(xiàn)出諸多的開發(fā)者，總部位于英國的鑄造專家Aeromet International其專利的用于增材制造的鋁合金粉末A20X所制造的零件已經(jīng)超過500MPa的極限拉伸強度（UTS）。A20X是一種鋁 – 銅合金材料，具有精細的微觀結(jié)構(gòu)，與其他合金相比，具有“更高的強度，抗疲勞和優(yōu)化的熱性能。在測試中，3D打印的A20X粉末材料所制造的極限拉伸強度為511MPa

 

某交通行業(yè)企業(yè)嘗試通過3D打印熔模來鑄造鎂鋁合金，目的是實現(xiàn)飛機座椅的輕量化。這種座椅結(jié)構(gòu)件適合任何標準的商用噴氣式飛機，預(yù)計可以通過減重為航空公司節(jié)約數(shù)百萬美元的成本。

 

美國方面，實現(xiàn)細晶粒微觀結(jié)構(gòu)，并與鍛造材料具有相當?shù)牟牧蠌姸?，HRL實驗室所開發(fā)的3D打印用高強度7A77.60L鋁粉于2019年10月正式投放市場，用戶可以直接向HRL購買這種鋁合金材料。當使用鋁合金材料Al7075和Al6061的時候，在激光高能環(huán)境中進行金屬3D打印會導(dǎo)致金屬部件遭受嚴重熱裂紋，HRL的研究人員在軟件和大數(shù)據(jù)的幫助下選擇了鋯基納米顆粒成核劑，并將它們組合到了7075和6061系列鋁合金粉末中。成型后的材料無裂紋、等軸（即晶粒在長度、寬度和高度上大致相等），實現(xiàn)了細晶粒微觀結(jié)構(gòu)，并與鍛造材料具有相當?shù)牟牧蠌姸龋?D打印的鋁合金材料平均屈服強度高達580 MPa，極限強度超過600 MPa，平均伸長率超過8％。

 

3D打印用高強度鋁合金材料的出現(xiàn)徹底顛覆了傳統(tǒng)制作方式，它結(jié)合3D打印技術(shù)設(shè)計自由度，高強度鋁合金將在包括壓力容器、液壓歧管、托架、高強度結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域越走越遠。