2.4.2　3D打印金屬典型材料的性能

目前國內外對3D打印鈦合金，特別是Ti-6Al-4V的研究最為廣泛和深入。研究結果表明，3D打印Ti-6Al-4V合金的室溫靜載力學性能能夠全面達到鍛件水平（見表2-6），并且經熱等靜壓處理后其高周疲勞、斷裂韌性等動載力學性能也與鍛件相當。早在2000年，美國AeroMet公司采用基于同步送粉激光定向沉積技術生產的三個3D打印Ti-6Al-4V零件獲準在實際飛機上使用，這三個零件分別是F-22上的一個接頭件、F/A18-E/F的機翼翼根吊環以及F/A18-E/F上的一個用于降落的連接桿。此外，在生物醫療領域，3D打印制備的10余種Ti-6Al-4V植入體在2007年以后分別獲得CE、FDA、CFDA和JFDA的認證，其中粉末床電子束選區熔化技術制備的Ti-6Al-4V髖臼杯全球臨床應用數量已經超過10萬例。

表2-6　不同3D打印方法制備Ti-6Al-4V合金室溫力學性能

對于3D打印304L和316L奧氏體不銹鋼，由于晶粒細化的緣故，雖然其屈服強度和抗拉強度普遍高于傳統方法，但延伸率與傳統方法還存在一定差距，如圖2-21所示。2017年10月，美國勞倫斯國家實驗室在Nature Materials報道了3D打印316L不銹鋼的革命性突破，制備了微觀形貌橫跨6個尺度的多級結構316L不銹鋼，其強度和塑性均大幅超過傳統方法。對于17-4PH和15-5PH等沉淀硬化不銹鋼，從已有報道來看，其綜合力學性能與傳統方法基本相當。

圖2-21　直接能量沉積（DED）和粉末床熔融（PBF）304L和316L不銹鋼性能與傳統方法對比

國外對3D打印鎳基高溫合金的研究以Inconel 718和Inconel 625合金為主。從已有報道來看，3D打印Inconel 718和Inconel 625合金沉積態條件下室溫力學與傳統工藝還存在差距，經固溶時效熱處理后其力學性能基本能夠達到鍛件水平，如表2-7所示。此外，對于可焊性較差的鎳基高溫合金，如CMSX-4、Inconel 738、Inconel 939合金，由于合金化程度較高，3D打印凝固過程中容易在枝晶間產生有害的低熔元素、化合物相或共晶偏析，在3D打印的快速加熱和冷卻導致的應力作用下，極易產生熱裂等冶金缺陷，導致力學性能的降低。美國橡樹嶺國家實驗室和德國Erlangen-Nürnberg大學通過電子束選區熔化成形工藝參數的優化，實現對Inconel 718和CMSX-4鎳基高溫合金顯微組織的控制，德國Erlangen-Nürnberg大學制備了尺寸超過?8mm×100mm的CMSX-4鎳基合金單晶試樣，如圖2-22所示。

表2-7　金屬3D打印Inconel 625和Inconel 718鎳基高溫合金力學性能

圖2-22　德國Erlangen-Nürnberg大學采用SEBM技術制備的CMSX-4單晶

目前國內外對3D打印鈷基合金的研究主要集中在生物醫用CoCr28Mo6方面，3D打印技術以粉末床熔融技術為主。表2-8給出了激光和電子束粉末床熔融技術制備的Co28Cr6Mo和Co28Cr9W1.5Si合金的力學性能，盡管其存在明顯的各向異性，但室溫強度和塑性均能夠達到ASTM F75標準規定的性能水平。

表2-8　粉末床熔融技術制備的Co28Cr6Mo和Co28Cr9W1.5Si合金的力學性能

目前國內外還沒有相關3D打印鋁合金的標準，研究以傳統鑄造鋁合金如AlSi10Mg、AlSi12為主。從已有報道來看，激光粉末床熔融技術成形AlSi10Mg、AlSi12合金的強度和塑性達到甚至優于傳統鑄造工藝，但熱處理后的力學性能與傳統工藝還存在一定差距（見表2-9）。對于變形鋁合金，2017年，美國HRL實驗室在Nature報道了3D打印7075變形鋁合金的革命性突破，通過在粉末原料表面修飾納米形核劑，不僅有效解決了3D打印變形Al合金開裂的技術難題，而且制備的7075和6061鋁合金的強度已接近鍛造鋁合金的水平。

表2-9　激光選區熔化成形AlSi10Mg合金的力學性能