一文看懂鋁合金制造在3D打印領(lǐng)域的現(xiàn)狀與發(fā)展態(tài)勢(shì)

一文看懂鋁合金制造在3D打印領(lǐng)域的現(xiàn)狀與發(fā)展態(tài)勢(shì)
    鋁合金，由于其天然的輕量化特點(diǎn)，在工業(yè)制造領(lǐng)域占有重要的一席之地。不過(guò)隨著3D打印在鈦金屬領(lǐng)域的崛起以及低成本鈦金屬的發(fā)展趨勢(shì)，鋁合金似乎遇到了鈦合金和復(fù)合輕量化塑料材料的雙重夾擊。甚至包括傳統(tǒng)加工行業(yè)的鋁合金輪轂，也面臨著無(wú)充氣整體輪胎發(fā)展趨勢(shì)的威脅，那么鋁合金是否可以借助3D打印技術(shù)獲得一定程度突圍，在金屬3D打印領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀如何呢？
本期，3D科學(xué)谷從市場(chǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)，粉末材料當(dāng)前的技術(shù)突破，以及鋁合金與3D打印技術(shù)的多種結(jié)合方式，鋁合金的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，為谷友深入分析鋁合金制造在3D打印領(lǐng)域的現(xiàn)狀與發(fā)展態(tài)勢(shì)。

▲點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的鋁合金3D打印
 市場(chǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)：
   鋁合金的市場(chǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)方面，根據(jù)SmarTech的預(yù)測(cè)，鋁合金占金屬3D打印中所有金屬粉末的消耗量（按體積計(jì)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(zhǎng)率在51.2%。
鋁硅AlSi12-鋁硅12是一種具有良好的熱性能的輕質(zhì)增材制造金屬粉末。AlSi10Mg-硅/鎂組合帶來(lái)顯著的強(qiáng)度和硬度的增加。這種鋁合金適用于薄壁，復(fù)雜的幾何形狀的零件，是需要良好的熱性能和低重量場(chǎng)合中理想的應(yīng)用材料。零件組織致密，有鑄造或鍛造零件的相似性。典型的應(yīng)用包括汽車，航空航天和航空工業(yè)級(jí)的原型及生產(chǎn)零部件，例如換熱器這樣的薄壁零件。
    當(dāng)然不同的金屬3D打印技術(shù)存在著一定層面的競(jìng)爭(zhēng)或互補(bǔ)關(guān)系。競(jìng)爭(zhēng)的主旋律圍繞著在提供高度的精度以及零件復(fù)雜性的同時(shí)，滿足更高的效率和更低的成本。
    壓鑄合金AlSi10Mg類似美國(guó)合金360,雖然這并不是一個(gè)被廣泛認(rèn)可的高強(qiáng)度鑄造合金，但它已被證明通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砟軌虍a(chǎn)生相當(dāng)高的強(qiáng)度，3D科學(xué)谷了解到雖然這一事實(shí)也還備受爭(zhēng)議。但從廣義上講，這種合金可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的熱處理工藝，固溶處理后人工時(shí)效，稱為T(mén)6周期。溶液處理500°C以上， 4-12h，溫度不應(yīng)超過(guò)550°C，其次是水或聚合物熔體淬火。人工老化溫度在155°C-165°C之間，時(shí)間6-24h，通過(guò)精確的時(shí)間和溫度控制終性能。抗拉強(qiáng)度可以從220MPa到340MPa之間，抗拉屈服強(qiáng)度在180MPa和280MPa之間。其他合金包括169（A357）和AlSi7Mg。
    此外，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究另外專有的合金如Scalmalloy已經(jīng)被用于空客的增材制造應(yīng)用中，這是一些令人興奮的進(jìn)展。
在超過(guò)5,500種合金材料中，絕大多數(shù)材料仍無(wú)法通過(guò)金屬3D打印技術(shù)制造。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，美國(guó)HRL 實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，影響合金材料在增材制造工藝中使用的原因是，打印過(guò)程中材料的熔融和凝固產(chǎn)生了具有大柱晶粒和周期性裂紋的微觀結(jié)構(gòu)。HRL 實(shí)驗(yàn)室表示，可以通過(guò)在增材制造材料中引入納米顆粒成核劑的方式來(lái)解決這一問(wèn)題。
    HRL實(shí)驗(yàn)室的研究人員根據(jù)晶體學(xué)信息選擇了鋯基納米顆粒成核劑，并將它們組裝到了7075和6061系列鋁合金粉末中。在用成核劑進(jìn)行功能化之后，這些先前與增材制造制造不相容的高強(qiáng)度鋁合金可以使用粉末床選擇性激光熔化設(shè)備進(jìn)行成功的加工。成型后的材料無(wú)裂紋，等軸（即，其長(zhǎng)度，寬度和高度上的晶粒大致相等），實(shí)現(xiàn)了細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)，并與鍛造材料具有相當(dāng)?shù)牟牧蠌?qiáng)度。
   如今，為了進(jìn)入商業(yè)化過(guò)程，HRL實(shí)驗(yàn)室成功將這種合金注冊(cè)下來(lái)，美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)負(fù)責(zé)監(jiān)督整個(gè)行業(yè)使用的合金注冊(cè)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)會(huì)的新增材制造合金注冊(cè)系統(tǒng)于2019年2月推出，以響應(yīng)越來(lái)越多的增材制造合金，個(gè)注冊(cè)的正是HRL實(shí)驗(yàn)室的高強(qiáng)度鋁。這將永遠(yuǎn)將HRL與這種特殊的合金成分聯(lián)系在一起。這一點(diǎn)，值得國(guó)內(nèi)企業(yè)借鑒。
    而國(guó)內(nèi)，中航邁特與GE增材在2019年7月宣布聯(lián)合共建北京亦莊增材制造創(chuàng)新中心，推動(dòng)增材制造高性能鈦鋁合金、高溫合金等材料及其零部件產(chǎn)品在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用。
  除了空客的Scalmalloy已經(jīng)被用于空客的增材制造應(yīng)用中，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，SLM選區(qū)激光熔化金屬3D打印鋁合金的一個(gè)經(jīng)典應(yīng)用是Betatype公司3D打印鋁合金熱交換器，通過(guò)粉末床激光熔化工藝創(chuàng)造出所需的超高密度點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。在3D科學(xué)谷看來(lái)，鋁合金材質(zhì)方面的輕量化優(yōu)勢(shì)與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方面的輕量化雙重加強(qiáng)，成為一種頗具前景的輕量化實(shí)現(xiàn)方式。
   不過(guò)鋁合金的加工領(lǐng)域國(guó)際上的一家公司走出了更系統(tǒng)化的路線，針對(duì)于鋁合金的加工，Sintavia開(kāi)發(fā)出了完整的端到端的參數(shù)體系，Sintavia通過(guò)專有工藝來(lái)打印F357鋁粉末，從而滿足航空航天和汽車行業(yè)對(duì)低密度、良好的加工性和熱傳導(dǎo)元件的需求。航空航天和汽車行業(yè)對(duì)于鋁硅合金的需求正在上升，Sintavia的綜合制造能力使得F357鋁合金的制造更加快速，并且達(dá)到或超過(guò)行業(yè)的嚴(yán)格驗(yàn)證參數(shù)要求。
   Sintavia獨(dú)家的鋁合金加工工藝是一整套的體系，不僅包括預(yù)構(gòu)建材料分析，還包括后期熱處理和壓力消除，從而能夠生產(chǎn)出高達(dá)125%的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，精密度達(dá)100%。通過(guò)常溫、高溫強(qiáng)度驗(yàn)證，以及零度以下的溫度驗(yàn)證，Sintavia能夠快速生產(chǎn)出滿足要求的鋁件。
    此前，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，國(guó)內(nèi)方面，2018年?yáng)|風(fēng)汽車公司通用鑄鍛廠聯(lián)合其他三家單位建立戰(zhàn)略合作。四方利用各自優(yōu)勢(shì)，建立產(chǎn)學(xué)研全面合作關(guān)系，共建汽車輕量化鋁合金低壓鑄造研究中心，共同在汽車用鑄造鋁合金材料、鋁合金鑄件輕量化設(shè)計(jì)、鋁合金鑄造技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用等方面開(kāi)展全方位合作。
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，國(guó)際上，關(guān)于鑄造在交通工具領(lǐng)域的輕量化應(yīng)用，一個(gè)現(xiàn)實(shí)的例子是歐特克嘗試通過(guò)3D打印熔模來(lái)鑄造鎂鋁合金，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)座椅的輕量化。這種座椅結(jié)構(gòu)件適合任何標(biāo)準(zhǔn)的商用噴氣式飛機(jī)，預(yù)計(jì)可以通過(guò)減重為航空公司節(jié)約數(shù)百萬(wàn)美元的成本。
    雖然，金屬3D打印在推動(dòng)制造業(yè)跨越式發(fā)展，并能夠生產(chǎn)非常復(fù)雜的產(chǎn)品，但目前材料選項(xiàng)仍然有限。目前增材制造支持的材料只有幾十種，但鑄造可以在成千上萬(wàn)種的金屬和復(fù)合材料中進(jìn)行選擇。因此，該項(xiàng)目利用了3D打印的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而不完全依賴于3D打印技術(shù)。
   利用3D打印和鑄造，來(lái)生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品可以將3D打印制造復(fù)雜產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)以及鑄造領(lǐng)域多年來(lái)成熟的產(chǎn)業(yè)化工藝做到優(yōu)勢(shì)結(jié)合。
   借助顆粒增強(qiáng)獲得的鋁硅基復(fù)合材料可顯著提高傳統(tǒng)的鋁硅合金的力學(xué)性能，已經(jīng)被廣泛的研究并在實(shí)際工程中獲得應(yīng)用。
   目前對(duì)于激光增材制造的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，在成形加工過(guò)程中主要面臨這樣一些問(wèn)題：
- 由于鋁對(duì)激光具有很高的激光反射率，通常低功率激光器難以使得鋁合金發(fā)生完全熔化，增強(qiáng)顆粒的加入能夠在程度上提高粉體對(duì)激光的吸收率，但增強(qiáng)顆粒加入過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致材料延伸性能下降；
- 研究表明，降低增強(qiáng)體的顆粒尺寸達(dá)到納米級(jí)可以有效提高金屬基復(fù)合材料的機(jī)械性能，如提高強(qiáng)度和減少裂紋，但是當(dāng)增強(qiáng)顆粒的尺寸減小至納米尺度時(shí)，顆粒之間會(huì)因強(qiáng)烈的范德瓦爾力以及極大的表面張力而緊密地團(tuán)聚在一起，從而很不利于增強(qiáng)顆粒在基體中的均勻分散，在激光增材制造過(guò)程中，所形成熔池中特有的Marongoni流可以起到均勻分散第二相的作用，但該Marangoni流又與熔池的溫度場(chǎng)緊密相連；
- 由于通常加入的增強(qiáng)顆粒為陶瓷相，而陶瓷相與基體相之間的潤(rùn)濕性很差，同時(shí)它們之間的熱膨脹系數(shù)差異也往往較大，這就導(dǎo)致在成形過(guò)程中形成的液相不能均勻鋪展，同時(shí)在隨后的凝固過(guò)程中產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力而出現(xiàn)裂紋。

為解決上述存在的技術(shù)問(wèn)題，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，南京航空航天大學(xué)幾年前開(kāi)發(fā)出基于SLM成形的鋁基納米復(fù)合材料，用于激光增材技術(shù)領(lǐng)域，有效的解決鋁基納米復(fù)合材料在激光增材過(guò)程中工藝性能與力學(xué)性能不匹配、增強(qiáng)顆粒分布不均勻以及陶瓷相與基材相之間潤(rùn)濕性較差的問(wèn)題，使得所獲得的產(chǎn)品具備良好的界面結(jié)合以及優(yōu)異的力學(xué)性能。
   展望下一步，從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，人工智能將在材料開(kāi)發(fā)領(lǐng)域扮演越來(lái)越重要的角色。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，由英國(guó)劍橋的一家人工智能公司Intellegens開(kāi)發(fā)的一種新的機(jī)器學(xué)習(xí)算法已被用于設(shè)計(jì)一種新的用于金屬增材制造的鎳基合金。未來(lái)，是否鋁合金材料開(kāi)發(fā)領(lǐng)域出現(xiàn)越來(lái)越多的人工智能的身影，3D科學(xué)谷認(rèn)為這是一種必然。
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