近年來，3D打印技術逐漸應用（yòng）於實（shí）際產品的製造，其中，金屬材料的3D打印技術（shù）發展尤其迅速。在國防領域，歐美發達國家非常重視3D打印技術的發展，不惜投入巨資加（jiā）以研（yán）究，而3D打印金屬零部件一直是研究（jiū）和應用的重點。 不大能打印模具、自行車，還能打（dǎ）印出gun等武器，甚（shèn）至能夠打印出汽車、飛機等大型（xíng）設備裝備。

 

作為一種新型製造技術，3D打印（yìn）已展現（xiàn）出了十分廣闊的應用（yòng）前景,而且在裝備設計（jì）與製造、裝備保障、航空航天等（děng）更多的領域展現出了強勁的發展勢頭。

 

 

 

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3D打印概述  

 

基本概述  

 

3D打印技術的核心思想最早起源19世紀（jì）末的美國，但是直到20世紀80年代中期才有了雛形（xíng），1986年美國人Charles  Hull發明了（le）第一（yī）台3D打印機。我國是從（cóng）1991 年（nián）開始研究3D打印技術的，2000年前後，這些工藝開始從實驗室研（yán）究逐步向工（gōng）程化、產品化（huà）方向發展。

 

當時它（tā）的名字叫快速原型（xíng）技術（RP），即開發樣品之前的實物模型。現在也有叫快速成型技術，增材製造。但為便於公（gōng）眾接受，把這種新技術統稱為3D打印。  3D打印是快（kuài）速成型技術的一種，它是一（yī）種以數（shù）字模型設（shè）計為基礎，運用粉末狀（zhuàng）金屬或（huò）樹脂等可粘合材料（liào），通過逐層“增材”打印的方式來（lái）構造三維物體的（de）技術。

 

3D打印被稱作“上個世紀的思想和技（jì）術，這個世紀（jì）的市場”。而且我國在3D打（dǎ）印航（háng）空航天方（fāng）麵最近還取得了突破， 3D打（dǎ）印部件從3kg減重到（dào）600g，減重（chóng）80% 。

 

 

 

3D打（dǎ）印特點

 

1）精度高。目前3D打印設備的精度（dù）基本都可控製在0.3mm以下。

 

2）周（zhōu）期短。3D打印（yìn）無須模具的製作過程，使得模型的生產時間大大縮短，一般幾個小時甚至幾十分鍾就可以完成一個模型（xíng）的打印。 

 

3）可實現個性化。3D打印（yìn）對於打印的模型數量毫無限製（zhì），不管一（yī）個還是多個都可（kě）以以相同的成本製作出來。  

 

4）材料的（de）多樣性。一個3D打印係統（tǒng）往往可以實現不同材（cái）料的打印，而這種材料的多樣性可以滿足不同（tóng）領域的需要。

 

5）成本相對較低。雖然現在3D打（dǎ）印係統和3D打印材料比較貴，但如果用來製作個性（xìng）化產（chǎn）品，其製作成本相對就比較低（dī）了。 

 

 

 

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金屬3D打印技術（shù）

 

金屬零件3D打印技術作為整個3D打（dǎ）印體係中最（zuì）為前沿和最有潛（qián）力的技術，是先進製（zhì）造技術的重要發展方向。隨著科技發展及推廣應用的需（xū）求，利用快速成型直接製造金屬功能零（líng）件成為了快（kuài）速成型主要（yào）的發展方向。

 

目前可用於直（zhí）接製造金屬功能零件的快速成型方法主要有（yǒu）：選（xuǎn）區激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）、電子束（shù）選區熔化（Electron Beam Selective Melting，EBSM）、激光（guāng）近淨成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）等。

 

 

 

激光工程化淨成形技術( LENS) 

 

LENS是一種新（xīn）的快速成形技術，它由（yóu）美（měi）國Sandia國家實驗室首先提出。其特（tè）點（diǎn）是: 直接製造形狀結構複雜的金屬功（gōng）能零件或模具； 可加（jiā）工的金屬或合（hé）金材料範圍廣（guǎng）泛並能實（shí）現異質材料零件的製造； 可方便加工熔點高（gāo）、難加工的材料。

 

 

 

LENS是在激光熔覆（fù）技術的（de）基礎上發展起來的一種金屬零件3D打印（yìn）技術。采用中、大功率激光熔化同步供給的金屬粉末，按（àn）照預設軌跡逐層沉積在基板上，最終形（xíng）成金屬零件。

 

1999年，LENS工藝獲得（dé）了美國工業界中“最富（fù）創造力的25項技術”之一的稱號。國外研究人員研究了LENS工藝（yì）製備奧氏體不鏽鋼試件的（de）硬度（dù）分布，結果表明隨著加工層數的（de）增加，試件的維（wéi）氏硬度降低（dī）。

 

國外研究人員（yuán）應用LENS工藝製備了載重植入體的多孔和功能梯度（dù）結構，采用的材料為Ni、Ti等與人體具有良好相容性的合金，製備的植入體的孔隙率（lǜ）最高能達（dá）到70%，使用壽命達到7-12年。

 

Krishna等人采用Ti-6Al-4V和Co-Cr-Mo合金製（zhì）備了（le）多孔生物植入體（tǐ），並研究了植入體的力學性能，發現孔隙率為10%時，楊氏模量達到90 GPa，當（dāng）孔隙率為70%時，楊氏模（mó）量急劇（jù）降到2 GPa，這樣就可以（yǐ）通過改變孔隙率，使植（zhí）入體的力學性能（néng）與生物體適配。

 

Zhang等製備了網狀的（de） Fe 基（jī）（Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr）金屬玻璃（MG）組件，研究發現MG的顯微硬度達到9.52 GPa。

 

Li通過LENS工藝修複定向（xiàng）凝固高溫合金GTD-111。國（guó）內（nèi）的（de）薛春芳等采用LENS工藝，獲得微觀（guān）組織、顯微硬（yìng）度和機械性能（néng）良好的網狀的Co基（jī）高（gāo）溫合金薄壁零件。費群星等（děng）采（cǎi）用LENS工藝成型了無變形的Ni-Cu-Sn合（hé）金樣品。

 

 

 

在LENS係統（tǒng）中，同軸送粉器包括送粉 器、送粉頭（tóu）和保護氣路3部分。送粉器包括（kuò）粉末料箱和粉末定量送給機構（gòu），粉末的流量由步進電機（jī）的轉（zhuǎn）速決定。為使金屬粉末在自重作用下增加流動（dòng）性，將送粉器架設在2.5 m的（de）高度上。從（cóng）送粉器流出（chū）的金屬粉末經（jīng）粉末分割器平均（jun1）分成4份並通過軟管流入粉頭（tóu），金屬粉末從粉頭的噴嘴噴射（shè）到激（jī）光焦點的位置完成熔化堆積過程。全（quán）部粉末路徑由保護氣體推動，保（bǎo）護氣體將金屬粉末與空氣隔離，從（cóng）而避免金屬（shǔ）粉末氧化。LENS 係統同軸（zhóu）送（sòng）粉（fěn）器結構示意圖見圖1。

 

目前，快速原型技術已經逐步趨（qū）於成熟，發達國家也將激光工程化淨成形技術作（zuò）為研究的重點，並取得了一些（xiē）實質性成果。在實（shí）際（jì）應用中，可以（yǐ）利用該（gāi）技術製作（zuò）出功能複 合型材料，可以修複高附（fù）加值的鈦（tài）合金葉片，也可以運用到直升（shēng）機、客（kè）機、導彈的製作中。另外，還能將該技術運用於生（shēng）物植入領域，采用與人體具有相容性的（de）Ni、Ti材質製備植入體，有（yǒu）效提升了空隙率，延長了（le）植入體的使用時長。

 

 

 

 

激（jī）光選區熔化技術( SLM) 

 

SLM 是金屬 3D 打印領域的重要部分，其（qí）發展（zhǎn）曆程經曆低熔點非金屬粉末燒結、低熔點包（bāo）覆高熔點粉末燒結、高熔（róng）點粉末直接熔化成形（xíng）等階段。由（yóu）美國德克薩斯大學奧斯（sī）汀分校在 1986年最早（zǎo）申請專利，1988年研（yán）製成功了第1台SLM 設（shè）備，采用精細（xì）聚焦光斑快速熔化成30 ～51 μm 的預置粉末材料，幾乎可以直（zhí）接獲得任意形狀以及具有完全（quán）冶金結合的功能零件。致密度可達到（dào）近（jìn）乎 100%，尺寸精度達 20 ～ 50 μm，表麵（miàn）粗（cū）糙（cāo）度達20 ～30 μm，是一（yī）種極具發展前景的（de）快速成形技術（shù）。

 

 

 

SLM成型材料多（duō）為單（dān）一組分（fèn）金屬（shǔ）粉末，包括奧（ào）氏體不鏽（xiù）鋼（gāng）、鎳基合金、鈦基合金、鈷-鉻合金（jīn）和貴重金屬等。激光束快速熔化金屬粉末並獲得連續的熔道，可以直（zhí）接獲得幾乎任意形狀（zhuàng）、具有（yǒu）完全冶金結合、高精度（dù）的近乎致密金屬零件，是極具發展前景的金屬零件3D打印技（jì）術。其應用（yòng）範圍已經擴（kuò）展到航空航天、微電子、醫（yī）療、珠寶首飾等行業。

 

SLM工藝有多達50多個影響因素，對成型效（xiào）果具有重要影響的六大類：材料屬性、激光與光路係統、掃描特征、成型氛（fēn）圍、成型幾何特（tè）征和設備因素。

 

目前，國內外研究人員主要針對以上幾個影（yǐng）響因素進行工藝研究（jiū）、應用研究，目的都是為了解決成型過程中（zhōng）出現的缺陷，提高成型零件的質量。工藝研究方麵，SLM成型過程中重要工藝參數有激光功率（lǜ）、掃描速度、鋪粉層（céng）厚、掃（sǎo）描間距和掃描策（cè）略等（děng），通過組合不同的工藝參數， 使成型質量最優。

 

 

 

SLM成型過程中的主要缺 陷有球化、翹曲變形。球化是成（chéng）型過程（chéng）中（zhōng）上下（xià）兩層熔化不充分，由於表麵張力的作用，熔化的液滴會迅速卷成球形，從而（ér）導致球化現象，為了避免（miǎn）球化，應該適當地增大輸入 能量。翹曲變形是由於SLM成型過程中存在的熱（rè）應力超過材料的強度，發（fā）生塑性變形引起（qǐ），由於殘餘應力的測量比較困難，目前對 SLM工（gōng）藝（yì）的翹曲變形的研究主要是采用有限（xiàn）元方法（fǎ）進行，然後通過實驗驗證模擬結（jié）果的可靠性。

 

SLM技術的基本原理是（shì）: 先在計算機（jī）上利用（yòng）Pro/e、UG、CATIA 等三維造型軟件設計出零件的三維實體（tǐ）模型，然後通過切片軟件（jiàn）對該（gāi）三維模型進行切片分層，得到各截麵的輪廓數據，由輪（lún）廓數據生成填充掃描路徑（jìng），設備將按照這些填充掃描線，控製激光束選區熔化各層的（de）金（jīn）屬粉末材料，逐步堆疊成三維金屬零件。

 

 

 

上圖為其成形原理圖： 激光束開（kāi）始掃描前，鋪粉裝置先把金屬（shǔ）粉末（mò）平推到成形缸的基板上，激光束再按當前層的填充掃描線，選區熔化基板上的粉末（mò），加工出當前層，然後成形（xíng）缸下降1個層厚的距離，粉料缸上升一定厚度的距離，鋪粉裝置再在已加工好的當前層上（shàng）鋪好金屬粉末，設備調入下一層輪（lún）廓的（de）數據進行加工，如此層層（céng）加工，直到整個零件加工完畢。

 

整（zhěng）個加工過（guò）程在通有惰性氣（qì）體保（bǎo）護的加工室（shì）中進行，以避免金屬在高溫（wēn）下（xià）與其他氣體發生反應。  廣泛應用激光選區熔化技（jì）術的代表國家有德國、美國等。他們都開發出了不同的製造（zào）機型，甚至可以根據實際（jì）情況專門打造零（líng）件，滿足個性化（huà）的需要。

 

利用EOSING M270設備成（chéng）形的金屬零件尺寸較小，將其應用到牙橋（qiáo）、牙冠的批量生產中既不會影響人（rén）們對其的使用，也不會產（chǎn）生不適感，且它的致密度接近100%，精細度較好（hǎo）。

 

與（yǔ）此同時，利用 SLM 技術生產出（chū）的鈦合金（jīn）零件還能夠運用到醫學植入體中，促進了醫學工作的發展。

 

電子束選區熔化技術( EBSM) 

 

EBSM是采用高能電子束作為加工熱源，掃描成形可以通過操縱磁偏轉（zhuǎn）線圈進行，且電子束具有（yǒu）的真空環境，還可以避免金屬粉末在液相燒結或熔化過程中被氧化。

 

鑒於電子（zǐ）束具有的上述（shù）優（yōu）點，瑞典 Arcam公司、清華大（dà）學、美國麻省理工學院和美國 NASA 的Langley 研究中心，均開發出了各自的（de）電（diàn）子束快速製（zhì）造係統 ，前兩家利用電子（zǐ）束熔化鋪在工（gōng）作台麵上的金屬粉（fěn）末，與激光（guāng）選區燒結技術類似；後兩家利用電子束熔化金屬絲材，電子束固定不動，金屬絲材通過送絲裝置和工作台移動，與激光淨成形製造技術類似。 

 

EBSM技術是20世紀90年代中期發展起來（lái）的（de）一（yī）種（zhǒng）金屬零（líng）3D打（dǎ）印技術，其與SLM/DMLS係統的差別主要是熱源不同，在（zài）成型原理上基本相似。與以激光（guāng）為能量源的金屬零件3D打印技術相比，EBSM 工藝（yì）具有能量利用率高、無反射、功率密度（dù）高、聚焦方便等許多優點。在目前3D打印技術的數十種方法中，EBSM技術因其能夠直接成型金屬零部件而受到人們的高（gāo）度關注。

 

 

 

國外對EBM工（gōng）藝理論研究相對較早，瑞典的Arcam AB公司（sī）研發了商品化的EBSM設（shè）備EBM S12係列，而國內對EBSM工藝的研究相對（duì）較晚。Heinl等（děng）采用Ti6-Al4-V、Ramirez采（cǎi）用Cu、Murr采用Ni基和Co基高（gāo）溫合金、Hernandez等人采用TiAl製備了一係列的開放式蜂巢結構（gòu）。

 

通過改變（biàn）預設置彈性模量E，可（kě）以獲得大小不同的（de）孔隙，降低結構的密度，獲得輕量化的結構。K.N.Amato等人利用（yòng）Co基高（gāo）溫合金矩陣顆粒製備（bèi）了柱（zhù）狀（zhuàng）碳化（huà）物沉積結構。

 

Ramirez等采用Cu2O製（zhì）備了新型定向微結構，發現在製（zhì）備過程中，柱狀Cu2O沉澱在（zài）高純銅中這一現象。劉海濤等研究了工藝參數對電（diàn）子束選區（qū）熔化工藝過程的影響，結果表明掃描線寬與電子束電流、加速電壓和掃描速度（dù）呈明顯的線性關係，通過調節（jiē）搭（dā）接率和掃描路徑可以（yǐ）獲得較好的層麵質量。

 

鎖紅（hóng）波（bō）等研究了（le）EBSM製備的Ti-6Al-4V試件的（de）硬度和拉伸強度等力（lì）學性能，結果表明成型過程中Al元素損失明顯，低（dī）的氧氣含量及Al含（hán）量有利 於塑性提高；硬度在同一層麵內和沿熔積高 度方向沒有（yǒu）明顯差別，均高於退火軋製板的硬度水平。 利用金屬粉末在電子（zǐ）束轟擊下熔化的原（yuán）理，先在鋪粉平麵上鋪展一層粉末並壓實； 然後，電子束在計算機的控製下按照截麵輪廓的信息進行有選擇（zé）的熔化/燒（shāo）結，層層堆積，直至整個（gè）零件全部熔化/燒結完成（chéng）。

 

 

 

EBSM 技術主要有送粉、 鋪粉（fěn）、 熔化（huà） 等工藝步驟，因此，在其真空室應具備鋪送粉機構、粉末（mò）回（huí）收箱及成形平台。同時，還（hái）應包括電子槍係統、真空係（xì）統、電源係統和控製係統。

 

其中（zhōng），控製係統包括掃描控（kòng）製係統、運動控製係統、電（diàn）源控製（zhì）係統、真空控製係統和溫（wēn）度檢測係統，如圖 3 所示（shì）。 瑞典Arcam公司製造生產的S12設備（bèi）是電子束選區熔化技術在（zài）實際應用中的最好實例。該公司在2003 年就開始研究該項技（jì）術，並（bìng）與（yǔ）多種領域結合探究。

 

目前，EBSM技術在生物醫學中（zhōng）得到了大量應用，相關單位（wèi）正積極研究它在（zài）航空航天（tiān）領域中的應用，美國在空間飛行器方麵的研究重點是飛行器和火箭發動機（jī）的（de）結構製造以及月（yuè）球或空間站環境下的金屬直接成形製造。 

 

 

 

3

3D打印材料突破是發展基礎 

 

3D打印材料是3D打印技術發展的重（chóng）要（yào）物質基礎，在某種程度上，材料的發展決定著3D打印（yìn）能否有更廣泛的應用。

 

目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材（cái）料、人造骨粉、細胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印領域得到了應用。3D打印（yìn）所用的這些原材料都是專門針對3D打（dǎ）印設備和工（gōng）藝（yì）而研發的（de），與普通的塑料、石（shí）膏（gāo）、樹脂等有所區別，其形態一般（bān）有（yǒu）粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。

 

通常，根據打印設備的類型及操（cāo）作條件的不同，所使用的粉末狀3D打印材料的粒徑為1～100μｍ不等，而為了使粉末保持良好的流動性，一（yī）般要求粉末要具有高球形度。  

 

 

 

3D 打印材（cái）料的（de）研發和突破是3D打印技術推廣應用的（de）基礎， 也（yě）是滿足打印的根本保證。 一是加強材料的研製，形成完備的打印材料體係。

 

 近幾年，3D 打印材料發（fā）展比較快，2013年，金屬材料打印增長了28%，2014年達到30%多， 約占 3D打印材料的12%， 金屬材料以鈦、鋁、鋼和鎳等合金（jīn）為主（zhǔ），鈦合金、高溫合金、不鏽（xiù）鋼（gāng）、模具鋼、高強鋼、合金鋼和鋁合金等均可作為打印材料（liào），已（yǐ）經（jīng）廣泛應用於裝備製造和修複（fù）再製造（zào）。

 

但（dàn）目（mù）前還沒有（yǒu）一個 3D 打印材料體係， 現有材料還遠不能滿足 3D 打印的需求。

 

 

 

用於激光立體成形的材料主要是金屬（shǔ）惰性（xìng）材料， 下一步需要嚐試其他活潑的金屬打印材料。  傳統用於粉末冶金的金屬粉末尚不能完（wán）全適應3D打印的要求，且目前能運用於打印的金屬材料種類少，價格偏高。

 

國外已出現少數幾家專供（gòng）3D打印的金屬（shǔ）粉末的公司（sī），如美國Sulzer Metco、瑞典的Sandvik等，但也隻能提供少數幾種常規金屬粉末。國內材料研（yán）發相對滯後，打印（yìn）粉末太貴。

 

因為材料研發周期長，研發難度較設備大，企業出於利益的最大化不願進（jìn）行材料研發。黃河旋風股份有限公司（sī）是國內為（wéi）數（shù）不多的從事（shì）金剛石微粉、CBN微粉生產的企業。高校研究又熱衷於3D打印裝備（bèi）及軟件配套（tào）等，因（yīn）此打印材料在很（hěn）大（dà）程度上製約著金屬3D打印技術（shù）的（de）發展及應用。 

 

4

金屬粉末 

 

3D打印所使用（yòng）的金屬粉末一般要（yào）求純淨度高、球形度（dù）好、粒（lì）徑（jìng）分布窄（zhǎi）、氧含量低。目前，應用於3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不鏽鋼和鋁（lǚ）合金材料等，此外還（hái）有用於（yú）打印首（shǒu）飾用的金、銀等貴金屬粉末材料。3D 打印金屬粉末作為（wéi）金屬零（líng）件 3D 打印產業鏈最（zuì）重要的一（yī）環，也是最大的價（jià）值所在。

 

在“2013年世界 3D 打印技（jì）術產業大會”上，世界 3D 打印行（háng）業的權威專家對3D打印金屬粉末給予（yǔ）明確（què）定義，即指（zhǐ）尺寸小於1mm 的金屬顆粒群。 包括單一金屬粉末（mò）、合金粉末以及具有金屬性質的某些難熔化合物粉末。

 

目（mù）前，3D 打印金屬粉末材料包（bāo）括鈷鉻合金、不鏽（xiù）鋼、工業鋼、青銅（tóng）合金、鈦合金和鎳鋁合金等。但是3D打印金（jīn）屬粉（fěn）末除需具備良好的可塑性外，還必須滿（mǎn）足粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和鬆裝密度高等要求。

 

鈦合（hé）金 

 

鈦合金具有耐高溫、高耐腐蝕性、高強度、低密度以及生物相容性等優點，在航空航天（tiān）、化工、核工（gōng）業、運動器材（cái）及醫療器械等領域得到（dào）了（le）廣泛的應用。傳統鍛造（zào）和鑄（zhù）造技術製備的（de）鈦合金件已（yǐ）被（bèi）廣泛地應用在高新技術領域（yù），一架（jià）波音747飛機用鈦量達到（dào）42.7t。

 

但是傳統鍛（duàn）造和鑄造方法生產大型（xíng）鈦合（hé）金零件，由於產（chǎn）品成本高、工（gōng）藝複雜、材料利用率低以及後續加工困（kùn）難等不利因素，阻礙（ài）了（le）其更為廣（guǎng）泛的應用。而金屬3D打印技術可以從根本上解決這些問題，因（yīn）此該技術近年來成為一種直接製造鈦合（hé）金零件的新（xīn）型技術（shù）。

 

開發新（xīn）型鈦基合金是鈦合金SLM應用（yòng）研（yán）究的主要方向。由於鈦以及鈦（tài）合金的（de）應（yīng）變硬化指（zhǐ）數（shù）低（dī）（近似為（wéi）0.15），抗塑性剪切變形（xíng）能力和耐磨性（xìng）差，因而限製了其製件在高（gāo）溫和腐蝕磨損條件下的使用。

 

然而錸（lái）（Re）的（de）熔點很高，一般（bān）用於超高溫和強熱震工作環境，如美國（guó） Ultramet公司采用金屬有機化學氣相沉積法（MOCVD）製備 Re基（jī）複合噴管（guǎn）已經成（chéng）功應用於航空發動機（jī）燃燒室，工作溫度可達2200℃。

 

因此，Re－TI合金的製備在航空航天、核能源和電子領域具有重大意義。Ni具有（yǒu）磁性和良好的可塑性（xìng），因此Ni－TI合金是常用的一種（zhǒng）形狀記憶合金。合金具有偽彈性、高彈性模（mó）量、阻尼（ní）特性、生物（wù）相容性和耐腐蝕性等性能。

 

另外鈦合金多孔結構人（rén）造骨的研究日益增多，日本京都大學通過3D打印技術給（gěi）4位頸椎間盤突出患者製作出不同的（de）人造骨並成功移植，該人造骨即為Ni－TI合金。

 

 

 

不鏽鋼（gāng）  

 

不鏽鋼具有耐化（huà）學腐蝕、耐高溫和力學性能良好（hǎo）等特（tè）性，由於其粉（fěn）末成型性好、製備工藝簡單且成本低廉，是最早應用於3D金屬打（dǎ）印的材料。如華中科技大學、南京航（háng）空航天大學、東北大學等院校在金屬3D 打印方麵研究比較深入。

 

現研究主要集中在 降低孔隙率、增加強度（dù）以及對熔化過程的金屬（shǔ）粉末球化機製等方麵。李瑞迪等采用不同的工（gōng）藝（yì）參數，對304L不（bú）鏽鋼粉（fěn）末進（jìn）行了SLM成形試驗，得出304L不鏽鋼致密度經驗公式，並總結（jié）出晶粒生（shēng）長機製。

 

潘琰峰分析和探討了316L不鏽鋼成形過程中球（qiú）化產生機理和影響球化的因素，認為在激光功率和（hé）粉末層厚一定時（shí），適當增大（dà）掃描速度可減（jiǎn）小球化現象，在（zài）掃描速度和粉末層厚固定時，隨（suí）著激光功（gōng）率的增大，球化現象加重。

 

Ma等通過對1Cr18Ni9Ti不鏽（xiù）鋼粉（fěn）末進行激光熔化，發現粉末（mò）層厚從60μｍ 增加到150μｍ時，枝（zhī）晶間（jiān）距從0.5μｍ增加（jiā）到1.5μｍ，最後（hòu）穩（wěn）定在2.0μｍ 左右，試樣的硬度依賴於熔化區域各向異性的微結構和晶粒大小（xiǎo）。

 

薑煒采用一係列的不鏽鋼粉末，分別研究粉末特性和工藝參數對SLM成（chéng）形質量的影響（xiǎng），結果表明，粉末材料的特殊性能和工（gōng）藝參數對SLM 成形影響（xiǎng）的機理（lǐ）主要是在於對選擇性激光成形過程當中熔池質量的影響，工藝參數（激光功率、掃描（miáo）速（sù）度）主要影響熔池的深度和寬度，從而決定（dìng）SLM 成形件的質量。

 

 

 

高溫合金 

 

高溫合金（jīn）是指以鐵、鎳、鈷為基，能（néng）在600℃以上的高溫及一定應力環境下長期工（gōng） 作的一類金屬材料。其具有較高（gāo）的高溫強度（dù）、良好的抗熱腐（fǔ）蝕和抗（kàng）氧化性能（néng）以及良好的塑性和韌性。目前按（àn）合金（jīn）基體種（zhǒng）類大致可分（fèn）為鐵基、鎳基和鈷基合金3類。

 

高溫合金主要用於高（gāo）性能發動機，在現代先進的航空發動機中，高溫合金材料的使用（yòng）量占發動機總質量的40％～60％。現代高性能航空發動機的發展（zhǎn）對高溫合金的使用溫度和（hé）性（xìng）能的要求越來越高。

 

傳統的鑄錠冶金工藝冷卻速（sù）度慢，鑄錠（dìng）中某些元素（sù）和第二相（xiàng）偏析嚴重，熱加工性能差，組織不（bú）均勻（yún），性能（néng）不穩定。而3D打印技術在高（gāo）溫合金成形中成（chéng）為解決技術瓶（píng）頸的新方法。

 

美國航空航天局聲稱（chēng），在2014年8月22日進行的高溫點火試驗中，通過3D打印技術製造的火箭發動機噴嘴產生了創紀錄的9t推力。

 

 

 

鎂合金（jīn） 

 

鎂合金作為最輕的結構合金，由於其特殊的高強度（dù）和阻（zǔ）尼性（xìng）能（néng），在諸多應用領域鎂合金具有替代鋼和鋁合金的可能。例（lì）如（rú）鎂（měi）合金在汽車以及航空器組件（jiàn）方麵的輕（qīng）量化應用，可降低燃料（liào）使用量和廢氣排放。鎂合（hé）金具有原位降（jiàng）解性並且其楊氏模量低，強度接近人骨，優異的生物相容性（xìng），在外科植入（rù）方麵比傳統合金更有應用前景。

 

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結語

 

3D打印技術自20世紀90年代出現以來，從一（yī）開始高分子材料的打印（yìn）逐漸聚焦（jiāo）到金屬粉末的打印，一（yī）大批（pī）新技術、新設備和新材（cái）料被（bèi）開發應用。

 

當前，信息技術創新步（bù）伐不斷（duàn）推進，工業生產正步入智能化、數字化的新階段。2014年德國提出“工業4.0”發展計劃，勢（shì）必引起（qǐ）工業領域顛覆性的改變（biàn）與創新，而（ér）3D打印技術將是工業智能化發展的強大推力。

 

金屬粉末3D 打印技術目前已取得了一定成果，但材料瓶頸（jǐng）勢必影響3D打印技術的推廣，3D打印（yìn）技術對材料提出了更高（gāo）的要求。現適用於工業用3D打印的金屬材料（liào）種類繁多，但是隻（zhī）有專用的粉末材料才能滿足工業生（shēng）產要求。

 

3D 打印金屬材料（liào）的發展方向主要有3個方麵：

 

一是如何在現有使用材料的基礎上（shàng）加（jiā）強材料結構和屬性之（zhī）間的關係研究，根據（jù）材料的性質進一步優化工藝參數，增加打印速度，降低孔隙率和氧含量，改善（shàn）表麵質量；

 

二是研發（fā）新材料 使其適用於3D打印（yìn），如開發耐腐蝕、耐（nài）高溫（wēn）和綜合力學性能優異的新材（cái）料；

 

三是修訂並完善3D打印粉體（tǐ）材（cái）料技術標準體係，實現金屬材料打印技術標準的製度化和常態化。