2020金属3D打印粉末终极指南：主流合金全景解析

任何涉足金属3D打印的企业，首要任务是掌握当前可用金属材料。从设计到制造，选对材料是成品达标的基石。
 
为助您快速掌握AM金属生态现状，我们梳理粉末床熔融商用合金、打印关键材料指标、未来金属应用演进。先了解何为粉末床熔融。
 

金属粉末床熔融技术概览

 
金属粉末床熔融（PBF）是当今最成熟的金属增材制造（AM）技术。
 
PBF工艺将金属粉末均匀铺于构建平台，由激光或电子束选择性熔融。
 
两大核心工艺归属PBF：
 

• 选择性激光熔融（SLM）/ 直接金属激光烧结（DMLS）

 

• 电子束熔融（EBM）

 
SLM用高能精准激光选择性作用于金属粉末层，熔融金属颗粒成型零件。
 
SLM关键要求：构建腔体充惰性气体（如氩气），防止粉末氧化污染，维持工艺温度。
 
EBM同样熔融金属粉末制备全致密金属件。为防污染氧化，EBM在真空环境运行。
 
SLM/DMLS与EBM核心差异在于能量源：EBM用高能电子束替代激光熔融金属粉末层。
 
电子束通常比激光更强，EBM常用于高温超合金制造喷气发动机、燃气轮机等极端应用零件。且依赖电荷特性，EBM仅适用导电金属，如钛合金、钴铬合金。
 

金属3D打印粉末关键指标

 
为保证精准可重复的金属AM生产，金属粉末必须呈现一致特性。
 
因制粉工艺差异，粉末特性随工艺和合金不同。最关键指标包括：
 

• 粒度分布（PSD）：细颗粒提升尺寸分辨率和表面光洁度。PBF中，EBM传统用45–105 µm PSD，激光基系统多要求15–45 µm PSD。

• 形貌：光滑规则颗粒利于堆积致密，成就优良力学性能的致密制品。

• 流动性：铺粉辊铺布粉层，流动性直接影响层均匀度。

• 密度：流动与加工中最佳堆积密度正向影响零件完整性和表面质量。椭球颗粒天然/随机堆积更优且一致。

• 化学/相组成：解释为何非所有合金均有粉末供给。PBF普遍偏好可焊金属。

粉末床熔融可打印金属有哪些？

钢

 
AM可用合金：316L、H13工具钢、马氏体时效钢、渗碳钢、15-5PH不锈钢、17-4PH不锈钢、300/400系列不锈钢、低合金钢

 
钢是地球上应用最广、回收最多的金属。从不锈钢到耐热钢，各类钢合金提供多元性能覆盖广泛应用。
 
金属PBF中，目前仅约十种主流钢合金广泛打印。虽较传统金属加工品类稀少，但Carpenter、Sandvik、Hoganas、GKN、Oerlikon等企业均在积极开发AM新钢种拓展市场。
 
例：GKN增材材料近期开创AM用新型低合金钢粉末。凭借韧性与耐腐蚀性，为汽车等看重规模化与成本的领域开辟AM新机遇。
 
如今钢用于最终零件AM生产增长迅猛，特别是海洋、汽车等3D打印新兴市场。钢极有望在未来数年成为最广泛使用的金属AM材料。
 

铝

 
AM可用合金：Al-Si10Mg、AlSi12、AlSi7Mg、AlSi9Cu3、Al4047、Al-Si-Mg(F357)、Scalmalloy(Al-Mg-Sc)、Al-Cu-Ti-B2(A205/A20X)
 
铝兼具高强轻量、优异力热性能，广泛用于航空航天、汽车、生物医疗。
 

 
AM研究机构SmarTech估算，2018年铝3D打印占全金属打印约10%。此后得益于航天汽车需求，铝合金AM开发商业化显著加速。
 
例：APWORKS联合空客开发Scalmalloy用于航天，提供最低买飞比，极利航天业。材料虽面向航天，其性能亦吸引赛车领域——Scalmalloy近期获批F1认可AM材料清单。
 
但许多AM铝合金仍昂贵且不满足目标行业要求。如汽车业要求3D打印铝件通过碰撞测试方可用于量产车辆。
 
工程集团EDAG在“CustoMat_3D”研发项目中开发新铝合金CustAlloy，聚焦适配汽车系列生产AM。
 
新材料旨在提供更高强度与断裂伸长率——使汽车3D打印件在碰撞测试中表现优异。
 

钛

 
牌号：Ti-6Al-4V(5级)、Ti-6Al-4V(23级)、Cp-Ti(1/2级)、Ti-Al、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti5553、Ti6242
 
钛材料性能优异，但高成本历史上限制其用于航天高价值应用。
 
随金属3D打印获认可为可行制造法，技术让钛更易被医疗、汽车、赛车等行业触达。
 
钛3D打印在骨科植入体潜力巨大，得益于钛无毒、高强、耐腐蚀。
 
结合3D打印，医疗器械厂商可制造复杂多孔钛植入体。令人惊叹的是，这些结构模仿人骨结构，骨细胞将其识别为生长支架。
 

 
钛粉需求增长驱动金属粉末厂商新建钛生产线或扩产。
 
例：Sandvik 2019年底为Osprey®品牌钛/镍基超合金建粉末厂。同年PyroGenesis（加拿大等离子雾化金属粉末厂）提升钛粉产率，降低历史高昂钛粉生产成本。
 

铜与贵金属

 
AM可用合金：CuNi3Si、CuNi2SiCr、CuCrZr、CuAl10Fe5Ni5、Cu高氧
 
并非所有金属适合3D打印。如铜打印极具挑战，绝大部分铜基3D打印基于铜合金而非纯铜。
 
纯铜激光反射率超90%，激光难持续稳定熔融纯铜粉。
 
突破路径：开发适配此类金属的新系统。
 
Formnext 2018，TRUMPF演示绿光激光技术，可打印纯铜及其他贵金属。
 
公司认为3D打印纯铜可成导电感应器、换热器替代制造法，适用电子、汽车、航天。
 
贵金属（金/银/铂）3D打印优势在于实现复杂精致设计，适配珠宝、配饰、装饰品。
 
贵金属3D打印通常间接进行：制蜡模再失蜡铸造。
 
基于PBF的贵金属直接打印亦可行，但兼容设备有限。
 

超合金

 
超合金以镍、钴、铁为基，在接近熔点的高温下仍抗变形、耐腐蚀氧化。
 
初为涡喷发动机燃气轮机部件开发，现广泛用于航天、发电高温应用。
 

镍

 
AM可用合金：Inconel 625/718/738/939、Ni-Ti、Waspaloy、Hastelloy、ABD900AM、Haynes 282
 
镍合金2007年即商业化用于金属PBF。
 
当前需求以Inconel超合金为主——尤IN625、IN718——因其在硬度、抗拉强度、化学温度耐受性上的卓越能力。
 
除此两合金，领先金属企业提供更多镍铬超合金。多款Haynes、Hastelloy超合金及各类Inconel渐成主流。
 
航天业目前主导镍基AM需求，但石油天然气、能源、化工等通用工业领域潜力巨大。
 

钴

 
AM可用合金：MP1、CP2、Co-Cr、Co-Cr-MoC、188钴合金、509钴合金、CoCr-0404、CO502、CO90、CO212、Co49Fe2V
 

 
首款商用钴超合金3D打印材料2006年面世。以来医疗航天需求驱动用量增长。
 
钴超合金具优异力学性能、耐腐蚀高温。钴铬合金因生物相容性极佳，尤适医疗（骨科植入）和牙科。
 

铁

 
AM可用合金：Invar 36、Fe-Si、Fe-Ni
 
少数金属PBF系统厂商支持打印Invar 36（镍铁合金），以极低热膨胀著称。用于宽温域需高尺寸稳定性的部件：收音机/电子装置、飞机控制、光学激光系统。
 
领先金属粉末厂Hoganas旗下AMPERPRINT品牌提供耐磨耐蚀铁基粉末系列。
 

难熔金属

 
难熔金属性能非凡，却极难加工。
 
AM中难熔金属最常见用法是与钢、镍、钴合金化生成主流超合金。
 
目前仅少数公司提供AM用难熔金属粉末。
 
H.C. Starck钽铌公司（现更名TANIOBIS GmbH）为其中之一，提供AMtrinsic品牌雾化钽铌(Ta/Nb)粉末及合金。
 
TANIOBIS认为钽铌凭借高熔点、高耐蚀、高热电导率，将为AM开辟新机遇。
 
这些特性将使企业在化工、能源及各类高温环境应用AM。
 

持续扩容的金属3D打印粉末谱系

 
金属PBF材料开发进行时。相比铸造机加等传统制造，3D打印可用金属仍有限。
 
原因一：开发AM新金属粉末耗时耗资，有时需数年。
 
原因二：硬件限制，如铜粉需不同激光波长，难以打印。庆幸硬件挑战正被攻克，可打印金属范围持续拓展。
 
尽管挑战存在，金属PBF前景光明：生产端采纳增长、更多行业拥抱技术，意味将聚焦新材料化学，解锁新应用，推进金属3D打印新高度。