近幾年隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，它在航空航天、汽車、生物醫(yī)藥和建筑領(lǐng)域的應(yīng)用范圍逐步拓寬，其方便快捷、材料利用率高等優(yōu)勢不斷顯現(xiàn)。

目前，金屬3D打印技術(shù)主要有選擇性激光燒結(jié)（SLS）、電子束熔融（EBM）、選擇性激光熔化（SLM）和激光近凈成形（LENS），其中選擇性激光熔化為研究的熱點(diǎn)，其使用高能激光源，可以熔融多種金屬粉末。國內(nèi)外金屬3D打印機(jī)采用的金屬粉末一般有：工具鋼、馬氏體鋼、不銹鋼、純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、銅基合金、鈷鉻合金等。常用的粉體為鈦粉、鋁合金粉和不銹鋼粉。

工具鋼和馬氏體剛

工具鋼的適用性來源于其優(yōu)異的硬度、耐磨性和抗形變能力，以及在高溫下保持切削刃的能力。模具H13熱作工具鋼就是其中一種，能夠承受不確定時間的工藝條件；馬氏體鋼，以馬氏體300為例，又稱“馬氏體時效”鋼，在時效過程中的高強(qiáng)度、韌性和尺寸穩(wěn)定性都是眾所周知的。他們與其他鋼不同，因?yàn)樗麄兪遣缓嫉?，屬于金屬間化合物，通過豐富的鎳、鈷和鉬的冶金反應(yīng)硬化。由于高硬度和耐磨性，馬氏體300才適用于許多模具的應(yīng)用，例如，注塑模具、輕金屬合金鑄造、沖壓和擠壓等，同時，其也廣泛應(yīng)用于航空航天、高強(qiáng)度機(jī)身部件和賽車零部件。

不銹鋼

不銹鋼具有耐化學(xué)腐蝕、耐高溫和力學(xué)性能良好等特性，由于其粉末成型性好、制備工藝簡單且成本低廉，是最早應(yīng)用于3D金屬打印的材料。

目前，應(yīng)用于金屬3D打印的不銹鋼主要有三種：奧氏體不銹鋼316L、馬氏體不銹鋼15-5PH、馬氏體不銹鋼17-4PH。

奧氏體不銹鋼316L，具有高強(qiáng)度和耐腐蝕性，可在很寬的溫度范圍下降到低溫，可應(yīng)用于航空航天、石化等多種工程應(yīng)用，也可以用于食品加工和醫(yī)療等領(lǐng)域。

馬氏體不銹鋼15-5PH，又稱馬氏體時效（沉淀硬化）不銹鋼，具有很高的強(qiáng)度、良好的韌性、耐腐蝕性，而且可以進(jìn)一步的硬化，是無鐵素體。目前，廣泛應(yīng)用于航空航天、石化、化工、食品加工、造紙和金屬加工業(yè)。

馬氏體不銹鋼17-4PH，在高達(dá)315℃下仍具有高強(qiáng)度高韌性，而且耐腐蝕性超強(qiáng)，隨著激光加工狀態(tài)可以帶來極佳的延展性。目前華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中北大學(xué)等院校在金屬3D打印方面研究比較深入；現(xiàn)在的研究主要集中在降低孔隙率、增加強(qiáng)度以及對熔化過程的金屬粉末球化機(jī)制等方面。

鈦合金

鈦合金具有耐高溫、高耐腐蝕性、高強(qiáng)度、低密度以及生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、化工、核工業(yè)、運(yùn)動器材及醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)鍛造和鑄造技術(shù)制備的鈦合金件已被廣泛地應(yīng)用在高新技術(shù)領(lǐng)域，如美國F14、F15、F117、B2和F22軍機(jī)的用鈦比例分別為：24%、27%、25%、26%和42%，一架波音747飛機(jī)用鈦量達(dá)到42.7t。但是傳統(tǒng)鍛造和鑄造方法生產(chǎn)大型鈦合金零件，由于產(chǎn)品成本高、工藝復(fù)雜、材料利用率低以及后續(xù)加工困難等不利因素，阻礙了其更為廣泛的應(yīng)用。而金屬3D打印技術(shù)可以從根本上解決這些問題，因此該技術(shù)近年來成為一種直接制造鈦合金零件的新型技術(shù)。

圖為F-35的鈦合金整體框，目前美國仍然只能使用水壓機(jī)來進(jìn)行這種構(gòu)件的生產(chǎn)

飛機(jī)鈦合金大型整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形技術(shù)是“3D打印技術(shù)”的高端發(fā)展形勢，對航空工業(yè)來說是一場革命性的技術(shù)，而跑在這項(xiàng)技術(shù)前列的是中美兩國，而中國則領(lǐng)先美國。TiAl6V4（TC4）是最早使用于SLM工業(yè)生產(chǎn)的一種合金。但是3D打印鈦零件由于鈦本身的抗塑性剪切變形能力和耐磨性差，限制了其在高溫和腐蝕耐磨條件下的使用。因此錸（Re）和鎳（Ni）被引入鈦合金中，3D打印的Re基復(fù)合噴灌已經(jīng)成功應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)燃燒室，工作溫度可達(dá)2200℃。

日本京都大學(xué)利用3D打印技術(shù)打印了Ni-Ti合金人造骨

鋁合金

鋁合金具有優(yōu)良的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，在許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但是鋁合金自身的特性（如易氧化、高反射性和導(dǎo)熱性等）增加了選擇性激光熔化制造的難度。目前，SLM成形鋁合金中存在氧化、殘余應(yīng)力、空隙缺陷及致密度等問題，這些問題主要通過嚴(yán)格的保護(hù)氣氛，增加激光功率，降低掃面速度等改善。目前，SLM成形鋁合金材料主要集中在Al-Si-Mg系合金，主要有鋁硅AlSi12和AlSi10Mg兩種。鋁硅12，是具有良好的熱性能的輕質(zhì)增材制造金屬粉末，可應(yīng)用于薄壁零件如換熱器或其他汽車零部件，還可應(yīng)用于航空航天及航空工業(yè)級的原型及生產(chǎn)零部件；硅/鎂組合使鋁合金更具強(qiáng)度和硬度，使其適用于薄壁以及復(fù)雜的幾何形狀的零件，尤其是在具有良好的熱性能和低重量場合中。

第六代三叉戟II D5型彈道導(dǎo)彈使用了通過3D打印而生產(chǎn)的連接器后蓋，該部件可以保護(hù)導(dǎo)彈的電纜接頭。1英寸寬（2.5 cm）連接器后殼的附加打印工藝包括一層置于表面的細(xì)小鋁合金粉末層和一個激光或電子束加熱源，通過電腦控制，將粉末熔化，而后成固體金屬狀，其形態(tài)對應(yīng)于這一層的最終產(chǎn)物。之后機(jī)器將放置下一層粉末并且重復(fù)這一過程直至這一零件加工完成。這一工藝不僅減少了材料的浪費(fèi)，而且其加工時間縮短為傳統(tǒng)方法的一半。

高溫合金

高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力環(huán)境下長期工作的一類金屬材料，其具有較高的高溫強(qiáng)度、良好的抗熱腐蝕性和抗氧化性能以及良好的塑性和韌性。目前按合金基體種類大致可分為鐵基、鎳基和鈷基合金3類。高溫合金主要用于高性能發(fā)動機(jī)，在現(xiàn)代先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)中，高溫合金材料的使用量占發(fā)動機(jī)總質(zhì)量的40%～60%?，F(xiàn)代高性能航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展對高溫合金的使用溫度和性能的要求越來越高。傳統(tǒng)的鑄錠冶金工藝?yán)鋮s速度慢，鑄錠中某些元素和第二相偏析嚴(yán)重，熱加工性能差，組織不均勻，性能不穩(wěn)定。而3D打印技術(shù)在高溫合金成形中成為解決技術(shù)瓶頸的新方法。美國航空航天局聲稱，在2014年8月22日進(jìn)行的高溫點(diǎn)火試驗(yàn)中，通過3D打印技術(shù)制造的火箭發(fā)動機(jī)噴嘴產(chǎn)生了創(chuàng)紀(jì)錄的9t推力。

LEAP噴氣發(fā)動機(jī)采用3D打印的部件

Inconel 718是基于鐵鎳硬化的超合金，具有良好的耐腐蝕性及耐熱、拉伸、疲勞、蠕變性，適用于各種高端應(yīng)用，例如，飛機(jī)渦輪發(fā)動機(jī)和陸基渦輪機(jī)等。Inconel 718合金是鎳基高溫合金中應(yīng)用最早的一種，也是目前航空發(fā)動機(jī)使用量最多的一種合金。

鈷鉻合金具有高強(qiáng)度、耐腐蝕性強(qiáng)、良好的生物相容性以及無磁性的性能，主要應(yīng)用于外科植入物包括合金人工關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)，同時其還可用于發(fā)動機(jī)部件以及時裝、珠寶行業(yè)等。

鎂合金

鎂合金作為最輕的結(jié)構(gòu)合金，由于其特殊的高強(qiáng)度和阻尼性能，在諸多應(yīng)用領(lǐng)域鎂合金具有替代鋼和鋁合金的可能。例如鎂合金在汽車以及航空器組件方面的輕量化應(yīng)用，可降低燃料使用量和廢氣排放。鎂合金具有原位降解性并且其楊氏模量低，強(qiáng)度接近人骨，優(yōu)異的生物相容性，在外科植入方面比傳統(tǒng)合金更有應(yīng)用前景。

結(jié)語

3D打印技術(shù)自20世紀(jì)90年代出現(xiàn)以來，從一開始高分子材料的打印逐漸聚焦到金屬粉末的打印，一大批新技術(shù)、新設(shè)備和新材料被開發(fā)應(yīng)用。金屬粉末的3D打印技術(shù)目前已取得了一定成果，但材料瓶頸勢必影響3D打印技術(shù)的推廣，3D打印技術(shù)對材料提出了更高的要求。現(xiàn)在適用于工業(yè)用3D打印的金屬材料種類繁多，但是只有專用的粉末材料才能滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。因此，金屬粉末的3D打印技術(shù)的發(fā)展依舊任重而道遠(yuǎn)。