替代中溫鈦合金，蘇州倍豐與英美企業(yè)搶灘高強度鋁合金3D打印

替代中溫鈦合金，蘇州倍豐與英美企業(yè)搶灘高強度鋁合金3D打印
目前在航空航天領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以解決極端復(fù)雜的精密構(gòu)件加工制造難題，在隨形內(nèi)流道、復(fù)雜薄壁、點陣鏤空、復(fù)雜內(nèi)腔、多部件集成等復(fù)雜結(jié)構(gòu)問題上有先天優(yōu)勢，是3D打印技術(shù)快速發(fā)展的重要領(lǐng)域。
但在3D打印鋁合金的應(yīng)用中，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。僅有適用于3D打印的幾種鑄鋁牌號合金，由于其自身材料性能限制，無法適用于航空航天高端領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，難以滿足高強、高溫使用要求，因此大大限制了3D打印在航空航天減重上的應(yīng)用需求。

▲Aeromet用于增材制造的A20X粉末
來源：Aeromet
正在跨越門檻的鋁合金3D打印
中國-蘇州倍豐
根據(jù)中國日報，蘇州倍豐創(chuàng)始人、澳大利亞工程院吳鑫華院士近日宣布，經(jīng)過近兩年的研究，吳院士領(lǐng)導(dǎo)莫納什大學研究團隊成功開發(fā)出了牌號為Al250C的高強高韌增材制造專用鋁合金材料，為3D打印鋁合金材料再添一名明星成員。Al250C是研究團隊專門為3D 打印設(shè)計的材料，目前已經(jīng)達到了批產(chǎn)和商業(yè)化使用階段。
本次Al250C粉末產(chǎn)品的推出，立刻受到了包括美國通用，波音， 雷神， 賽峰等多家航空巨頭的高度贊賞和重視。用該材料制作航空鋁合金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。
該Al250C材料強度達到目前可用于3D打印的鋁合金材料中高水平，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2500C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。之前市場上常用的鋁合金AlMg7Si和AlMg10Si的屈服強度為260 MPa, 打印后的延伸率為4-6%，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材料與其他材料比較
而吳院士開發(fā)的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，該材料表現(xiàn)出了十分優(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。
據(jù)悉，目前采用該高強鋁合金材料所開發(fā)的航空散熱結(jié)構(gòu)件成功替代了傳統(tǒng)采用鈦合金制作的中溫構(gòu)件，大幅度減輕了該結(jié)構(gòu)件的設(shè)計重量，成功幫助法國某型號發(fā)動機實現(xiàn)瘦身。
而在不久之前，蘇州倍豐還剛剛利用該材料打印出了致密度、強韌性等性能指標良好的Al250C航空鋁合金產(chǎn)品。同時，他們還會進一步研究Al250C生產(chǎn)工藝的優(yōu)化及其極具潛力的規(guī)?；I(yè)應(yīng)用。

▲3D打印Al250C材料所制造的零件
據(jù)介紹，研發(fā)團隊通過了化學成分調(diào)整、后處理工藝優(yōu)化等手段，采用自主擁有高強鋁合金霧化凝固過程的控制技術(shù)和高純氣體霧化技術(shù)，生產(chǎn)出批次性穩(wěn)定、性能優(yōu)異的高強耐熱該新型鋁合金Al250C粉體材料，已經(jīng)達到了商業(yè)化應(yīng)用的標準。
英國-Aeromet International
總部位于英國的鑄造專家Aeromet International近日宣布，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）。Aeromet 稱，這一成就使的該鋁合金材料成為“市售的用于增材制造的強鋁合金粉末之一”。

▲3D打印A20X鋁合金材料所制造的零件
該里程碑是進一步開發(fā)和優(yōu)化A20X鋁粉研究項目HighSAP的一部分。致力于優(yōu)化增材制造的高強度鋁合金粉末（HighSAP）項目涉及到航空發(fā)動機巨頭Rolls-Royce-羅羅，英國金屬3D打印機制造商Renishaw-雷尼紹和英國霧化專家Phoenix Scientific Industries（PSI）。HighSAP還得到了英國國家航空航天技術(shù)開發(fā)計劃（NATEP）的支持。
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?！蹦壳耙勋@得金屬材料特性開發(fā)和標準化（MMPDS）和航空航天材料標準（AMS）的批準，該材料已被全球領(lǐng)先的航空鑄造供應(yīng)商采用。
Aeromet用于增材制造的A20X粉末源于其鋁合金鑄造合金，目前在測試中，3D打印的A20X粉末材料所制造的極限拉伸強度為511MPa，還超過了之前3D打印的A20X零部件所達到的477MPa極限拉伸強度的記錄。
3D科學谷在《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》中談到鋁合金與3D打印技術(shù)存在多種結(jié)合方式，當然不同的金屬3D打印技術(shù)存在著一定層面的競爭或互補關(guān)系。競爭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，滿足更高的效率和更低的成本。
鋁合金的3D打印正在更多的“綁定”金屬3D打印工藝，從而形成多樣化的發(fā)展，并且?guī)砹顺掷m(xù)發(fā)展的機遇。由于粘結(jié)劑噴射金屬3D打印工藝* (*參考資料： 一文看懂面向規(guī)模制造的粘結(jié)劑噴射高速金屬3D打印技術(shù)態(tài)勢與挑戰(zhàn)）的后處理熱加工過程容易導(dǎo)致鋁合金燃燒，使得粘結(jié)劑噴射金屬3D打印工藝在鋁合金的加工方面目前不具備優(yōu)勢。而PBF（包括SLM/DMLS,EBM工藝）粉末床熔化金屬3D打印成為鋁合金更為理想的加工工藝 。
根據(jù)SmarTech，3D打印行業(yè)目前正在發(fā)生著兩個顯著的發(fā)展趨勢，個是鋁合金材料的全球供應(yīng)鏈似乎已經(jīng)“越過門檻”，成為支持增材制造技術(shù)的下一代機遇。鋁合金的3D打印現(xiàn)在開始趕上鎳，鋼和鈦。
在超過5,500種合金材料中，絕大多數(shù)材料仍無法通過金屬3D打印技術(shù)制造。美國HRL 實驗室發(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 實驗室的解決方案是通過在增材制造材料中引入納米顆粒成核劑的方式來解決這一問題。
在用成核劑進行功能化之后，先前與增材制造制造不相容的高強度鋁合金可以使用粉末床選擇性激光熔化設(shè)備進行成功的加工。成型后的材料無裂紋，等軸（即，其長度，寬度和高度上的晶粒大致相等），美國HRL 實驗室于2017年實現(xiàn)了細晶粒微觀結(jié)構(gòu)，并與鍛造材料具有相當?shù)牟牧蠌姸取?br/>在替代中溫鈦合金的賽道上，3D科學谷看到中國，英國，美國紛紛不約而同的從開發(fā)材料以及與3D打印工藝結(jié)合的角度發(fā)力，根據(jù)SmarTech，鋁合金產(chǎn)品的開發(fā)和商業(yè)化都在顯著增加，為穩(wěn)定及經(jīng)濟性的加工所打包的“流行鍛造合金配方”（“popular wrought alloy formulations” ）將繼續(xù)發(fā)展，這是含有稀土元素的專用增材制造用特定合金，未來五年應(yīng)該會看到這種材料更加多樣化的3D打印市場機會。