2020 年可以使用哪些金属 3D 打印粉末？ [指南]

对于任何希望涉足金属 3D 打印的公司而言，了解当今哪些金属可用于该技术至关重要。从设计到制造，选择合适的材料可确保成品达到最高标准。

为了帮助您了解当前的 AM 金属生态系统，我们探索了用于粉末床融合的商用合金、成功打印的关键材料要求以及金属的使用在未来将如何发展.但让我们先来了解一下什么是粉床融合。

金属粉末床融合技术的简要概述

金属粉末床融合 (PBF) 是当今最成熟的金属增材制造 (AM) 技术。

使用 PBF，粉末金属层均匀分布在机器的构建平台上，并通过能量源（激光或电子束）选择性地熔化。

两种关键的金属 3D 打印工艺都属于粉末床融合类别：

• 选择性激光熔化 (SLM) / 直接金属激光烧结 (DMLS)
• 电子束熔化 (EBM)

在 SLM 中，强大的微调激光被选择性地应用于一层金属粉末。通过这种方式，金属颗粒融合在一起形成一个零件。

SLM 的一个重要要求是封闭的构建室，其中充满惰性气体，例如氩气。这可以防止金属粉末受到氧气污染，并有助于在打印过程中保持正确的温度。

EBM 的操作与 SLM 类似，因为金属粉末也被熔化以形成完全致密的金属部件。为了防止粉末受到污染和氧化，EBM 工艺在真空环境中进行。

SLM/DMLS 和 EBM 技术之间的主要区别在于能源：EBM 系统使用高功率电子束作为热源来熔化金属粉末层，而不是激光。

由于电子束通常比激光更强大，因此 EBM 通常与高温金属超合金一起使用，以制造用于高要求应用的零件，例如喷气发动机和燃气轮机。此外，由于该技术依赖于电荷，因此 EBM 只能用于导电金属，例如钛和铬钴合金。

金属3D打印粉末要求

为了确保准确和可重复的金属增材制造生产，金属粉末必须表现出一致的特性。

由于粉末生产方法不同，粉末特性因工艺和合金而异。一些最重要的特征包括：

• 粒度分布 (PSD) ：更小的颗粒可以更精细地解析零件尺寸和表面光洁度。在 PBF 中，EBM 系统传统上使用 45–105 µm PSD，而大多数基于激光的系统需要 15–45 µm PSD。

• 形态 ×：优选平滑的规则形状的金属粉末粒子。这使它们能够很好地包装，从而产生具有良好和所需机械性能的致密产品。

• 流动性 ：粉末流动性在形成均匀的粉末层方面起着重要作用，因为粉末被重涂器铺开。

• 密度 ：流动和加工过程中粉末的最佳堆积密度对 3D 打印部件的完整性和表面光洁度有积极影响。椭圆体颗粒将具有更好和更一致的自然或随机堆积。

• 化学/相组成 ：这解释了为什么并非所有合金都可以作为粉末使用。 PBF 通常有利于可焊金属。

在粉末床融合中可以 3D 打印哪些金属？

钢

可用于增材制造的合金 ：316L、H13工具钢、马氏体时效钢、表面硬化钢、不锈钢15-5 PH、不锈钢17-4 PH、不锈钢300系列、不锈钢400系列、低合金钢

钢铁是地球上使用最广泛、回收最多的金属材料。从不锈钢和高温钢，各种形式和合金的钢提供不同的性能以满足广泛的应用。

在金属 PBF 中，广泛印刷的主要钢合金只有大约十种今天。尽管如今一套印刷钢材的规模很小，但与传统的金属加工技术相比，Carpenter、山特维克、Hoganas、GKN 和 Oerlikon 等公司都在积极开发用于 AM 的新型钢材，以开拓新市场。

例如，GKN Additive Materials 最近开创了用于 AM 的新型低合金钢粉末。由于其韧性和耐腐蚀性，低合金钢粉末为汽车行业等行业的增材制造创造了新的机会，在这些行业中，可扩展性和成本是关键驱动因素。

今天，将钢用于终端零件 AM 生产正在增长，特别是在 3D 打印的新市场，例如海事和汽车。这使得钢铁成为在传统医疗和航空航天行业之外进一步采用金属增材制造技术的关键之一。

这些进步表明，钢很可能在未来几年成为使用最广泛的金属增材制造材料。

铝

可用于增材制造的合金 :Al-Si10Mg, AlSi12, AlSi7Mg, AlSi9Cu3, Al4047, Al-Si-Mg (F357), Scalmalloy (Al-Mg-Sc), Al-Cu-Ti-B2 (A205/A20X)

铝是一种坚固、重量轻的金属，结合了出色的机械和热性能。由于这些原因，铝合金广泛用于航空航天、汽车和生物医学行业。

AM 研究公司 SmarTech 估计，2018 年铝 3D 打印约占所有金属打印的 10%。航空航天和汽车行业的需求。

例如，APWORKS 与空中客车公司合作开发了用于航空航天应用的 Scalmalloy。这种材料的购买飞行比最低，这对航空航天业来说是一个特别的福音。

虽然这种材料是为航空航天而开发的，但它的特性对赛车运动也很有吸引力——这就是为什么Scalmalloy 最近被添加到Formula 1 批准的AM 材料列表中。

但是，许多用于AM 的铝合金仍然非常昂贵并且不符合目标行业的要求。例如，汽车行业要求铝制 3D 打印部件通过碰撞测试，才能考虑用于批量生产的车辆。

EDAG 工程集团开发了一种名为 CustAlloy 的新型铝合金，作为“CustoMat_3D”研究项目的一部分，专注于将 AM 应用于汽车系列生产。

新开发的材料旨在通过提供更高的强度和更高的断裂伸长率来克服这些挑战——这些基本特性将使汽车 3D 打印部件能够使用新合金在碰撞测试中表现良好。

钛

成绩 :Ti-6Al-4V (5级), Ti-6Al-4V (23级), Cp-Ti (1级), Cp-Ti (2级), Ti-Al, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo , Ti5553, Ti6242

钛具有优异的材料性能，但其高昂的成本历来限制了其在航空航天领域的高价值应用。

现在金属 3D 打印越来越被认为是一种可行的制造方法，该技术使钛更容易应用于医疗、汽车和赛车运动等行业。

钛 3D 打印的潜力，特别是在骨科植入物领域，由于钛的无毒、高强度和耐腐蚀。

当与 3D 打印一起使用时，医疗器械制造商可以制造钛植入物复杂的多孔结构。值得注意的是，这些结构模仿了人类骨骼的结构，因此骨细胞将其识别为生长的支架。

对钛粉的需求不断增长，促使一些金属粉末生产商开始建设新的钛生产厂，而另一些则加快钛粉的生产。

例如，山特维克于 2019 年底开设了一家粉末工厂，生产 Osprey® 品牌的钛和镍基高温合金。同年，加拿大等离子雾化金属制造商 PyroGenesis粉，提高了钛粉的生产率，这也使该公司降低了历史上非常昂贵的钛粉生产成本。

铜和贵金属

可用于增材制造的合金 ：CuNi3Si、CuNi2SiCr、CuCrZr、CuAl10Fe5Ni5、Cu 高氧

并非所有金属都适合 3D 打印。例如，铜的打印特别具有挑战性，目前绝大多数 3D 打印铜基于铜合金，而不是纯金属。

纯铜的激光反射率超过 90%分，而且激光很难连续有规律地熔化纯铜粉。

前进的一个方向是开发能够 3D 打印此类金属的新系统。

在Formnext 2018，通快展示了其绿色激光技术，可以打印纯铜以及其他贵金属。

该公司认为3D打印纯铜可以成为一种制造导电电感器和热交换器的替代方法，特别适用于电子、汽车和航天应用。

在贵金属方面，如金、银和铂，3D 打印的优势这些材料有可能实现复杂的设计，是珠宝、配饰和装饰品的理想选择。

然而，贵金属的 3D 打印通常是间接的，涉及生产蜡模，然后用于蜡铸技术。

使用 PBF 的贵金属直接 3D 打印也是可能的，尽管与贵金属兼容的 3D 打印机数量有限。

高温合金

超级合金是一种基于镍、钴或铁的金属混合物，具有耐高温变形、腐蚀和氧化的能力，尤其是在接近其熔点的高温下运行时。

高温合金最初是为涡轮喷气发动机的燃气轮机部件开发的，现在广泛用于航空航天和发电行业的高温应用。

镍

可用于增材制造的合金 ：Inconel 625、Inconel 718、Inconel 738、Inconel 939、Ni-Ti、Waspaloy、Hastelloy、ABD900AM、Haynes 282

镍合金早在 2007 年就开始商业化用于金属 PBF 工艺。

目前对镍合金的需求主要由 Inconel 系列中的高温合金主导 - 特别是 IN625 和 IN718 合金 - 由于它们在需要高硬度、抗拉强度以及最重要的化学和温度的应用中具有显着的能力

除了这两种合金之外，领先的金属公司还提供更多的镍铬高温合金。几种 Haynes 高温合金、Hastelloy 高温合金和各种形式的 Inconel 现在越来越成熟。

虽然航空航天业目前推动了对镍基增材制造的大部分需求，但在石油和天然气、能源和一般工业领域，镍高温合金的 3D 打印潜力巨大，例如化学处理。

钴

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

首批用于 3D 打印的商用钴高温合金的推出可以追溯到 2006 年。从那时起，在医疗和航空航天行业需求的推动下，这种材料的使用一直在增长。

钴高温合金具有出色的机械性能，同时具有耐腐蚀性和耐高温性。钴铬合金具有优异的生物相容性，特别适用于医疗（骨科植入物）和牙科应用。

铁

可用于增材制造的合金 ：Invar 36、Fe-Si、Fe-Ni

一些金属 PBF 系统制造商提供了印刷 Invar 36 的可能性，Invar 36 是一种镍铁合金，以极低的热膨胀而著称。 Invar 36 用于需要在很宽的温度范围内具有高尺寸稳定性的部件，例如无线电和电子设备、飞机控制、光学和激光系统。

Höganäs 是领先的金属粉末制造商之一，还在其 AMPERPRINT 品牌下提供一系列抗磨损、耐磨和腐蚀的铁基粉末。

难熔金属

难熔金属具有非凡的性能，但同时，使用它们也极具挑战性。

当今增材制造中最常见的难熔金属用途是与钢、镍和钴材料合金化，以制造许多流行的高温合金。

目前，只有少数公司为AM提供难熔金属粉末。

H.C. Starck Tantalum and Niobium GmbH（最近更名为 TANIOBIS GmbH）就是这样一家公司，提供一系列以 AMtrinsic 品牌名称专为 AM 设计的雾化钽和铌 (Ta/Nb) 粉末及其合金。

钽和铌，TANIOBIS 相信，由于它们的高熔点、高耐腐蚀性和高导热性和导电性，将在 AM 中开辟新的机会。

这些特性将使公司能够在化学加工、能源领域和一系列高温环境中应用增材制造。

金属 3D 打印粉末的范围不断扩大

在金属PBF中，材料开发是一项正在进行的工作。与传统制造（如铸造或机械加工）相比，可用于 3D 打印的金属数量仍然有限。

一个原因是开发用于增材制造的新金属粉末所需的时间和资源——在某些情况下，开发过程可能需要几年时间。

另一个原因在于硬件限制，就像铜粉的情况一样，与其他金属相比，铜粉需要不同的激光波长才能成功打印。幸运的是，正在克服硬件挑战以进一步扩大可印刷金属的范围。

尽管存在挑战，但金属 PBF 的未来看起来很光明，因为它在生产中的应用不断增加，而且越来越多的行业开始采用该技术。这意味着将更加关注新材料化学，这将有助于解锁新应用并将金属 3D 打印提升到一个新的水平。