2.4.1　3D打印金屬材料國內外發展概況

2.4.1.1　國外發展概況

目前，國外3D打印金屬材料的研究主要是針對航空航天材料，如高性能鈦合金、高溫合金、超高強度鋼以及鋁合金。隨著3D打印技術向生物醫療、動力、能源等領域的推廣，鈷合金、銅合金、難熔合金、金屬間化合物、復合材料、梯度材料、高熵合金、非晶合金的3D打印也逐漸受到了重視。總體來說，目前研究最為成熟的主要是Ti-6Al-4V合金、Inconel 718合金、Inconel 625合金、316L不銹鋼和Co-28Cr-6Mo合金，并已制定了相關標準，如表2-4所示。

一些設備制造產商，如Optomec公司、Sciaky公司、EOS公司、SLM Solution公司、Concept Laser公司、Renishaw公司、Realize公司、Arcam公司等也發布了一些3D打印典型金屬材料的數據庫（見表2-5）。主要涉及304L、316L、17-4PH、15-5PH、H13、M300等結構鋼和工具鋼，AlSi7Mg、AlSi10Mg、AlSi12等鋁合金，純Ti、Ti-6Al-4V、Ti6242等鈦合金，Hastelloy X、Inconel939、Inconel625、Inconel718等鎳基高溫合金，CoCrMo、CoCrW等鈷基醫用合金，以及Cu、W、Mo、Zr等純金屬材料。盡管這些標準還非常粗糙，如材料相關性能的系統性、完整性還不夠完善，典型材料的力學性能與傳統制造技術還存在差距，標準中的很多指標要求都是由供貨商和采購商（Supplier and Purchaser）協商，但是，這對于金屬材料3D打印技術的發展和應用來說邁出了突破性的一步。

整體來看，歐洲特別是德國在激光選取熔化3D打印材料技術方面處于世界領先地位，瑞典在電子束選取熔化3D打印材料技術方面開展了持續的研究工作。2012年以前，美國重點發展了定向能量沉積3D打印材料技術。2012年，美國成立增材制造國家創新中心，粉末床熔融3D打印技術取得飛速發展，并且將增材制造基因組列為未來發展的重點方向之一，重點用于3D打印材料技術的研發。美國GE公司通過收購粉末床熔融3D打印相關企業，已經成為全球最大的3D打印研發中心，在3D打印材料技術方面開展了大量卓有成效的工作，例如其3D打印的TiAl金屬間化合物的綜合性能已經全面達到精密鑄造水平，目前已經進入裝機考核階段。

2.4.1.2　國內發展概況

我國自20世紀90年代中期開展金屬3D打印技術研究，研究的重點以定向能量沉積和粉末床熔融3D打印技術為主。經過二十余年的發展，我國自主研發的定向能量沉積和粉末床熔融3D打印裝備已基本實現商業化，并且定向能量沉積3D打印材料技術處于世界領先水平。粉末床熔融3D打印材料技術雖然開展了大量的研究，但在系統性、完整性等方面與國外還存在一定差距。

西北工業大學和北京航空航天大學率先在我國開展了基于同步送粉的激光定向能量沉積技術的研究，不僅成功研制了工業級的打印設備，而且金屬材料體系研究范圍最廣，具體涉及鈦合金、鎳基高溫合金、不銹鋼、超高強度鋼、難熔合金、耐熱鋼、鈦基復合材料、梯度復合材料等，整體處于世界領先水平。1997年，西北工業大學“金屬粉材激光立體成形的熔凝組織與性能研究”獲得航空科學基金重點項目資助，是中國金屬增材制造第一個正式立項的科研項目。2001年，“多材料任意復合梯度結構材料及其近終成形”項目獲得國家“863”計劃資助，其成果于2005年應用于我國研制的首臺推重比10航空發動機軸承后機匣制造，為該發動機按時裝機試車做出了關鍵貢獻。該零件下部為In961合金鑄件，上部為GH4169鎳基高溫合金激光立體成形件，是以鑄件為基材，異種材質增材制造的首個應用案例。此外，北京航空航天大學與沈陽飛機設計研究所、第一飛機設計研究院、沈陽飛機工業集團公司、西安飛機工業集團公司等單位合作，于2005年突破了飛機鈦合金小型、次承力結構件激光增材制造關鍵技術并成功實現在型號飛機上的裝機工程應用，使我國成為當時繼美國（2002年）之后國際上第2個實現激光增材制造鈦合金小型、次承力構件實際裝機工程應用的國家。在此基礎上，2007年突破了飛機鈦合金大型、主承力構件激光增材制造工藝，工程成套裝備，構件內部質量及力學性能控制關鍵技術并初步建立了整套技術標準體系，制造出了TA15、TC18、TC4、TC21、TC11等鈦合金的大型、整體、復雜、主承力飛機加強框等關鍵構件以及A100等超高強度鋼飛機起落架關鍵構件。2008年以來先后在包括C919大型客機和多種型號飛機的研制和生產中工程應用，使我國成為目前世界上唯一突破飛機鈦合金大型整體主承力構件激光增材制造技術并裝機工程應用的國家。2012年，該研究成果獲國家技術發明一等獎。

在基于同步送絲的電子束定向能量沉積技術方面，北京航空制造工程研究所針對鈦合金、超高強度鋼開展了研究。其中TC4合金的研究較為成熟，目前已開發出900MPa級、930MPa級TC4合金材料，以及TA15、TC11、TC17、TC18、TC21、A100鋼等專用合金材料。大量測試表明，電子束熔絲沉積成形的TC4合金綜合性能能夠達到TC4自由鍛及模鍛件水平，目前，采用TC4合金研制的部分零件已經裝機使用。

我國粉末床熔融3D打印技術的研究始于21世紀初。2004年，華中科技大學和華南理工大學幾乎同時開始激光選區熔化成形技術與裝備的研發工作。同年，清華大學申請了我國電子束選區熔化成形技術的第一個專利。經過十余年的發展，我國在粉末床熔融3D打印裝備技術方面已經取得顯著進步，相關裝備已經實現商業化，并且某些材料技術與國外水平相當，但整體還存在明顯差距。

在激光選區熔化成形技術方面，我國采用國外進口設備和自制設備開展了多種金屬材料的研究工作。2015年，無錫飛爾康采用進口激光選區熔化成形裝備和技術制備的28個TC4飛機艙門零件通過適航認證，并在C919大飛機上獲得應用。華中科技大學、南京航空航天大學、華南理工大學、湖南華曙高科和西安鉑力特公司采用自制裝備，圍繞鈦合金、鋁合金、鎳基高溫合金、不銹鋼、鋁基復合材料等開展了大量的研究工作。從已有報道來看，湖南華曙高科和西安鉑力特公司在激光選區熔化3D打印材料技術方面與國外水平相當。

我國在電子束選區熔化成形3D打印材料技術方面同樣與國外差距不大。西北有色金屬研究院采用自制裝備和原料粉末，在電子束選區熔化成形鈦合金方面開展了大量的研究工作，先后開展了TC4、TA7、Ti600、TiTaNbZr、TiAl金屬間化合物等鈦合金方面的研究，制定了我國金屬3D打印領域的第一個材料標準（GB/T 34508—2017，粉末床電子束增材制造TC4合金材料），研制的多個TC4復雜構件已在航空航天型號裝備上得到應用，開發的TC4植入體已經臨床應用300余例。此外，西北有色金屬研究院在國內率先實現了脆性TiAl金屬間化合物的成形，并在國際上首次實現了難熔Ta金屬的電子束選區熔化成形。