發布時間：2022年4月13日
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3D打印物體和機器零部件是一種高新先進尖端技術，幾乎可以打印一切東西，大到建筑物、橋梁和汽車，小到牙齒等，所用材料除了塑料、垃圾和陶瓷粒子外，金屬材料粉末/絲材如鋁、鈦、不銹鋼和高溫合金粉也是常用的。傳統的種種鋁合金粉都可以用來打印物體和結構件，還研發出了一些不能用于常規生產的3D打印用的鋁合金，如對98%以上的變形鋁合金來說，Fe都是一種有害的雜質。可是對于3D打印用的鋁合金卻是一種有益的合金化元素，因為它能顯著細化顯微組織，阻礙晶粒長大，全面大幅提高打印件的力學性能。
3D打印（3D printing）又稱增材制造（Adding Manufacture或Additive Manufacturing，AM），是一種前沿新興的快速成型制造技術，受到社會各界和國內外媒體的廣泛關注，是一種以數字模型文字為基礎，采用金屬粉末或塑料等粘合材料，通過一層一層打印方式建造種種物體的技術。3D打印機于上世紀90年代中期面世，是一種用光固化和紙層疊等技術的快速成型裝置，與常規打印機工作原理大體相同，機內裝有液體或粉末等“打印材料”，與計算機連接后，通過其控制把“打印材料”一層又一層疊加起來，把計算機上的藍圖變成實實在在的物體和機器。
3D打印過程可分為兩步，首先在需要成型的區域噴灑特殊的“膠水”，然后均勻噴灑粉末，粉末遇到膠水會迅速固化，沒有膠水的區域仍保持松散狀態，重復這一過程就會按藍圖打出實物。由于其分層加工過程三維與噴墨打印十分相似，所以被稱為3D打印，相應的機器被稱為3D打印機。
鋁粉制備
3D打印材料除了塑料與陶瓷粒子外，金屬材料粉末如鋁、鈦、不銹鋼和高溫合金粉也是常用的。在3D打印工藝中，制造幾何形狀與結構復雜的3D打印的粉末是常規的氣體霧化法制取的，小液滴在霧化過程受到急冷，形成細小晶粒，粉末的晶粒一般為20μm～30μm。目前，適合選擇激光熔化打印（SLM，selective laser melting）的鋁合金并不多，只有少數合金霧化粉未適于這種打印，才可以SLM法打印出沒有小孔和熱裂紋的產品，用的最多的是AISi10Mg合金，但它并不是為3D打印研發的鋁合金，是一種近共晶型的常規合金，由于含有不少的共晶，所以打印的產品中無細小的孔洞與熱裂紋，可見，發展適合SLM工藝3D打印的鋁合金是當務之急。
先進的3D打印用鋁-鐵合金
近年來，研發成功一批適合3D打印的新型鋁合金，它們不會在產品中形成疏松（porosity），也不會形成熱裂紋。發展3D打印用鋁合金的兩條戰略舉措：一是保證液滴高速凝固時能有足夠的熔體流入晶粒間縫隙內；二是形成的晶粒應細小，為了達到第一個目的，應確保合金有足夠的共晶。細晶粒產品既有高的強度，又有良好的塑性，同時還能改善熔體的流動性，不會形成疏松和熱裂紋。在W.佛雷格納（Fragner）等制備的3D打印的含Fe的合金晶粒圖中顯示，在含1.2%Fe的AlSi9Cu3MgFeZn合金（A380、A226）壓鑄件的顯微組織中，富Fe中間金屬相β-AlFeSi的尺寸達幾百μm；SLM工藝3D打印件的顯微組織，β-AIFeSi相的尺寸小于1μm。
在設計合金和生產工藝時最重要的是要保證熔體有高的冷卻速度，最好能達到104K/s～106K/s，即約為常規壓鑄冷卻速度的1000倍，在這種冷卻速度下，中間金屬相（IMPs，intermetalic phases）就會成為異質晶核和阻礙晶粒長大，可形成這種中間相的元素為Zr、Sc、Ti、SiC，它們形成的中間金屬相為：
Al+Zr→Al3Zr、Al+Sc→Al3Sc、Al+Sc+Zr→Al3（Sc，Zr）、7075合金中的Si→Mg2Si、5XXX合金中的Si→Mg2Si。
富鐵相是有害的，因為它們使合金的塑性下降，應嚴格控制其量和尺寸。含1.2%Fe的AISi9Cu3MgFeZn（A380、A226）合金在較慢冷卻時（1K/s～10K/s），相當于壓鑄冷卻速度，組織中的β-AIFeSi相呈片狀或針狀，它的抗拉強度160MPa，伸長率很低，只有0.7%，因為其富Fe中間相大到好幾百 μm，造成應力集中。選擇性激光熔煉（SLM）合金的顯微組織，非常細密，富Fe中間相（IMP）尺寸小于1μm，力學性能大大改善，屈服強度220 MPa，伸長率1.9%，甚至可達5.3%〔2〕。
由此可見，對選擇激光3D打印用鋁合金粉末來說，Fe是一種有益的合金化元素，由于此工藝的冷卻速度很快，可形成細密的顯微組織。奧地利有色金屬公司（Amag）和其合作公司設計和制備了含Fe量高的3D打印用的鑄造鋁合金和變形鋁合金，合金中的Fe、Mn含量大到使合金在選擇激光3D打印時的固相線溫度TsTMP比合金的液相線TL溫度還高一些或與其相近。這樣就能確保IMPS 3D打印零件具有細小的顯微組織與更好的力學性能。
Fe+Mn含量高的3D打印鋁合金
根據Fe、Mn元素在鋁合金中的作用，奧地利有色金屬公司在制備一些性能憂良的選擇激光打印用的鋁合金時，不但應精準調控Fe、Mn的含量，而且還要很好地調制Si、Cu、Mg、Mn、Zn的含量。Amag公司推出的新型先進高鐵3D打印鋁合金是以AA5083（AIMg4.5Mn0.55）合金為基準的發展，并參考了AM合金Scalmalloy的成分，它是一種含有Sc+Zr的AA5083型合金，雖然有好的綜合性能，但價格高。5083合金是一種于上世紀30年代成型的合金，獲得了廣泛的應用，至今仍是一種常用合金，其成分（質量%）：Si0.40，Fe0.40，Cu0.10，Mn0.40～1.0，Mg4.0～4.9，Cr0.05～0.25，Zn0.25，Ti0.15，其它雜質單個0.05、合計0.15，其余Al，現在已形成有8個成員的大家族：5083、5183、5183A、5283、5283A、5283B、5383、5483。
新合金及比較的標桿合金——Scalmalloy、低Fe（0.1%）的合金，以及含0.45%Zr的合金的化學成分見下表。合金A3的成分與Al合金的成分相似，但Fe含量很高，同時還調整了Mn含量。A2合金的成分與Scalmalloy合金的相似，但Fe含量卻高達0.7%。
在A1及A3合金的光學及電鏡顯微組織圖像實驗中也可以清晰地顯示出：含1.3%Fe合金晶粒細小，A3合金也沒有可見的熱裂紋，說明Fe有很好的作用。A1合金的Fe含量很低，只有0.1%，晶粒粗大，且有熱裂紋。
在A3合金（1.3%Fe）的光學及電鏡顯微組織圖像中顯示，晶粒細小，Fe（+Mn）相呈亞顯微結構（submicroscoptically fine），很細小，同時主要位于晶界，阻礙晶粒長大，因而合金的晶粒細小，又沒有裂紋，力學性能好，各項指標均居高位。A3合金晶粒細密，有很高的抗拉強度，A1合金的塑性低，伸長率小，因為有熱裂紋。
細晶粒的形成是Sc及Sc+Fe的功勞，A2合金的力學性能之所以比Scalmalloy合金的高是因為含有0.4% Fe。而Scalmalloy合金的Fe含量低，A3合金與Scamalloy合金有大體相當的力學性能，不過后一合金有昂貴的Sc，宜少用。而A3合金中的Fe是一種常用合金化元素，同時可由用的廢料中帶來。Scalmalloy在325℃/4h熱處理人工時效后具有很高的強度性能，屈服強度475MPa，抗拉強度520 MPa，而A3合金毫無時效反應。
后記
3D打印技術是一種萬能的高精尖新興快速成形技術，受到各國和地區社會各界的熱切關注，中國在3D打印技術應用、研發和推廣方面做了許多工作，在世界上率先打印出10m級2219鋁合金火箭發射燃料貯箱連接環。早在2015年8月，李克強總理就主持國務院專題講座討論加快發展先進制造與3D打印等問題，近些年來，成就巨大，但與發達國家相比，還有一些差距。本文所介紹的高鐵含量3D打印用的5XXX系鋁合金可能對感興趣的讀者有所幫助，尚未見我國在這方面研究成果的報道。
來源：中國有色網 2022.04.13