如果說5年前，金屬3D打印還主要用于制造一些看起來“笨笨”的，“毛毛”的產(chǎn)品，那么如今的金屬3D打印則“脫胎換骨”，更多的用于生產(chǎn)像發(fā)動機關鍵零部件，復雜的航空控制閥這樣的零件。

       在金屬3D打印快速發(fā)展的今天，對于企業(yè)來說，既要跟上節(jié)拍，抓住機遇，又要注意方向，防止高速發(fā)展中出現(xiàn)跑偏，那么有哪些可以借鑒和參考的行業(yè)共識與標準呢？本期，繼續(xù)上期話題，一起來領略金屬合金3D打印/增材制造的現(xiàn)狀與現(xiàn)行使用的國際標準以及正在開發(fā)的國際標準。

“接上期”金屬3D打印/增材制造的現(xiàn)狀及國際標準（上）

圖：現(xiàn)行的金屬組分分析標準，適用于3D打印金屬粉末

另外一種常見的合金是鋼粉，常用的是工具鋼和不銹鋼。

工具鋼的適用性來源于其優(yōu)異的硬度、耐磨性和抗變形能力。其中，由于高硬度和耐磨性，馬氏體300適用于許多模具的應用（注塑模具、輕金屬合金鑄造、沖壓和擠壓）也為各種高性能的工業(yè)工程部（航空航天、高強度機身部件和賽車所應用）。

在金屬3D打印過程中，目前有一個非常明確的經(jīng)驗法則：碳鋼更難處理。最流行的合金是馬氏體鋼，通常稱為M300或1.2709，是工具鋼的一種。然而，這種合金實際上最初是為了滿足導彈和火箭發(fā)動機這些航空航天領域所使用的反沖彈簧、驅動器、起落架部件、高性能的軸、齒輪、緊固件等零件發(fā)明的。后來，這種合金被模具行業(yè)廣泛使用，并在壓鑄行業(yè)用作長期模具。與鈦合金的加工類似，馬氏體時效鋼可以通過采用幾種不同的熱處理方法獲得不同的性能。不過與鈦合金不同的是，即便不經(jīng)過熱處理，馬氏體鋼也可能滿足制造的要求。如拉伸強度可以從1000MPa的程度通過時效硬化達到2000MPa。

不銹鋼與碳鋼不同，目前的鉻含量不同，最低的鋼合金具有10.5%鉻含量，不銹鋼不容易生銹腐蝕。奧氏體不銹鋼具有高強度和耐腐蝕性。316L可在很寬的溫度范圍內(nèi)下降到低溫。它可用于航空航天、石油、天然氣等多種工程應用，也可用于食品加工和醫(yī)療等領域。

金屬3D打印主要用的是馬氏體沉淀硬化不銹鋼，要么17-4PH或15-5PH，15-5PH可以提供更好的高溫抗氧化性，馬氏體時效（沉淀硬化）不銹鋼具有很高的強度和更進一步的硬化。它具有良好的韌性、耐腐蝕、無鐵素體。15-5PH廣泛應用于航空航天，石化，化工，食品加工，造紙和金屬加工業(yè)。馬氏體不銹鋼的耐腐蝕性提供了一個優(yōu)秀的選項，高達315°C下仍然擁有高強度、高韌性，隨著激光加工狀態(tài)帶來極佳的延展性。17-4PH可以建立一個廣泛的激光性能。

金屬3D打印不銹鋼除了馬氏體不銹鋼還有ASM 300系列奧氏體不銹鋼，包括316L和304L。奧氏體不銹鋼的高強度和耐腐蝕性。316L可在很寬的溫度范圍內(nèi)下降到低溫。它可用于航空航天、石油、天然氣等多種工程應用，也可用于食品加工和醫(yī)療等領域。

與先前描述的合金類似，這兩種不銹鋼最初作為金屬打印材料是因為工業(yè)用途范圍廣泛，這些鋼通常用于航空航天部門，或用于醫(yī)療設備，并在重工業(yè)，如石油和天然氣領域應用廣泛。

沉淀硬化（PH）不銹鋼通常具有抗拉強度高、耐腐蝕性和適度良好的抗高溫氧化性能，同時還具有良好的韌性。即使沒有任何初始溶液pH處理這些不銹鋼，材料可以具備高于1400mpa的抗拉強度。當然不同的供應商供應的材料之間雖然有微小的成分差異，也會導致3D金屬打印完成后材料性能的顯著變化。然而，最終的屬性非常依賴于確切的熱處理方法。例如，一個常見的錯誤是沒有對17-4PH進行充分的時效硬化以獲得完全的馬氏體結構。這導致結果顯著低于預期的機械性能，這種不銹鋼不能通過增材制造的方法用來生產(chǎn)高質量部件。最后，熱處理是這些鋼的一個關鍵步驟，如果想要達到最佳的性能。

對于奧氏體不銹鋼，316L是迄今為止最常用的金屬材料。作為一個標準的工業(yè)合金，特別是在一些酸性環(huán)境中具有優(yōu)秀的表現(xiàn)，并且具有優(yōu)越的強度相比。這些單相不銹鋼是非熱處理的，這意味著它們的強度不能通過通過增加熱處理來獲得提高。一些報道的數(shù)據(jù)表明，700MPa的抗拉強度是可以實現(xiàn)的，但大多數(shù)用戶的報告都在600MPa左右。

還有一種“多才多藝”的合金是鈷鉻鉬合金，簡單稱為鈷鉻，在牙科部門最為普遍。這是ISO 5832合金的衍生物，或ASTM F75，歷史淵源為鎢鉻鈷合金?合金，它最初是作為整形外科植入物用鑄造合金。但是用于牙科的合金不同于用于植入物的鈷鉻合金，因為它含鎳（Ni）的自由基，并有更多的鎢（W）的成分。牙科合金具有很好的強度（＞1300MPa,消除應力后），并且具備很好的生物相容性，與陶瓷涂層不易的分離。3D金屬打印可以將這種材料制成牙橋、牙冠等產(chǎn)品，與傳統(tǒng)制造技術相比具有縮短制造流程、提高精度、降低成本的優(yōu)勢。

鈷鉻合金（Co28Cr6Mo）由于高耐磨性，良好的生物相容性，無鎳（鎳含量＜0.1%）組成，使其常用于外科植入物包括合金人工關節(jié)，膝關節(jié)和髖關節(jié)。也可用于發(fā)動機部件，風力渦輪機和許多其他工業(yè)部件，以及時裝行業(yè)，珠寶等。與Stellite21合金類似，這種合金具有較好的拉伸強度（＞1100mpa）具有高韌性、延性（伸長率18-20%），良好的耐腐蝕性，以及在高溫下正常工作的性能。與大多數(shù)增材制造的金屬一樣，最終的性能可以根據(jù)具體的要求，通過精心選擇的熱處理周期來實現(xiàn)。

其他高溫合金主要是基于Ni基合金，Inconel有兩個最常見的型號是625和718。使用合金的選擇通常取決于最大工作溫度和強度要求的組合。這些鎳基合金具有高合金含量，能夠承受各種各樣的嚴重腐蝕環(huán)境。即使在更嚴重的腐蝕環(huán)境中，鎳和鉻的組合可以耐氧化化學反應，鉬的存在使這些合金抗點蝕和縫隙腐蝕，鈮行則在焊接過程中防止隨后的晶間應力腐蝕開裂。

圖：ASTM關于X射線和CT檢查的標準

*ASTM E07.02對于增材制造確定缺陷提供了大量的參考

圖：現(xiàn)行標準

ASTM F42關于鈦合金，鎳基合金的粉末標準及加工標準，F(xiàn)2924,F3001,F3049,F3055,F3056

ASTM F42關于鋼、不銹鋼、相關合金熱等靜壓的標準，A1080

ASTM F42關于高溫工作環(huán)境下法蘭、配件、閥門的熱等靜壓標準，A988/A988M

圖：正在開發(fā)的標準

ASTM F42關于粉末床融化工藝加工鉻鉬合金(UNS R30075)的詳述,WK51329

ASTM F42關于鋁合金熱等靜壓的新指南，WK47205

ASTM F42關于粉末床融化工藝加工不銹鋼合金(S31603)的詳述，WK48732

ASTM F42關于粉末床融化工藝加工AlSi10Mg的詳述，WK53423

圖：ASTM F42關于通過粉末床激光融化技術加工不銹鋼合金的標準，F(xiàn)3184

圖：SAE將出臺的通過粉末床激光融化技術加工鎳基超合金625的航空零件增材制造標準

圖：ASTM F42將于2017年出臺更多關于鎳基超合金的激光粉末床融化加工標準

所以要“玩轉”這些合金的3D打印，3D科學谷認為需要對這些成分的屬性熟知，作為粗糙的經(jīng)驗法則，選擇625合金用于具有較高的強度和抗蠕變、斷裂和腐蝕環(huán)境，在高溫下即使在980°C至1140°C的范圍內(nèi)，625的名義室溫抗拉強度在827-1034MPa之間。718可用于在損害稍低的工作溫度，通常是在700°C到760°°C 的范圍，也被用在1000°C的環(huán)境下。718合金的室溫抗拉強度在1170-1275MPa之間。注意，這兩種合金也可以在非常低的低溫環(huán)境下使用。

總體來說，625在溫度高達約815條件下依然提供優(yōu)良的負載性能，此外，耐腐蝕性能，這種合金廣泛應用于需要高的點蝕、縫隙腐蝕和耐高溫的行業(yè)，例如航空航天，化工和電力工業(yè)中的應用。713具有優(yōu)異的抗熱疲勞性能，以及在927°C的特殊斷裂強度，非常適合于噴氣發(fā)動機燃氣輪機葉片。718具有優(yōu)異的耐腐蝕性以及良好的耐熱和拉伸，疲勞，蠕變性能，Inconel 718適合各種高端應用包括飛機渦輪發(fā)動機和陸基渦輪機（葉片，環(huán)，套管，緊固件和儀表零件）。其他高溫合金包括哈氏C276和Mar-M247。

鋁合金方面，鋁硅AlSi12-鋁硅12是一種具有良好的熱性能的輕質增材制造金屬粉末。典型的應用是薄壁零件如換熱器，或其他汽車，航空航天和航空工業(yè)級的原型及生產(chǎn)零部件。而AlSi10Mg-硅/鎂組合帶來顯著的強度和硬度的增加。這種鋁合金適用于薄壁，復雜的幾何形狀的零件，是需要良好的熱性能和低重量場合中理想的應用材料。零件組織致密，有鑄造或鍛造零件的相似性。

壓鑄合金AlSi10Mg類似美國合金360,雖然這并不是一個被廣泛認可的高強度鑄造合金，但它已被證明通過適當?shù)臒崽幚砟軌虍a(chǎn)生相當高的強度，3D科學谷了解到雖然這一事實也還備受爭議。但從廣義上講，這種合金可以通過標準的熱處理工藝，固溶處理后人工時效，稱為T6周期。溶液處理500°C以上， 4-12h，溫度不應超過550°C，其次是水或聚合物熔體淬火。人工老化溫度在155°C-165°C之間，時間6-24h，通過精確的時間和溫度控制最終性能。抗拉強度可以從220MPa到340MPa之間，抗拉屈服強度在180MPa和280MPa之間。 其他合金包括169（A357）和AlSi7Mg。根據(jù)3D科學谷的市場研究另外專有的合金如Scalmalloy已經(jīng)被用于空客的增材制造應用中，這是一些令人興奮的進展。

圖：現(xiàn)有的關于表面質量與表面處理的標準

其他純金屬粉末和合金銅（Cu）、鎢（W）、鉭（Ta）也經(jīng)常出現(xiàn)在金屬3D打印研究或專業(yè)商業(yè)工業(yè)應用。新的金屬和合金將不斷涌現(xiàn)，金屬打印系統(tǒng)不斷獲得改進。作為金屬3D打印企業(yè)來說，重要的是結合市場的需求，在一個應用點上深挖，形成自己的一套方法。

圖：ASTM將要發(fā)布的增材制造設計準則WK54856和新指南WK38342，以及為增材制造而設計的產(chǎn)品定義

圖：ASTM F42關于DED直接能量沉積加工技術的標準指南，F(xiàn)3187-16

圖：ASTM F42關于設備與檢測技術之間的增材制造術語標準，ISO/ASTM 52921

圖：ASTM 正在開發(fā)的標準

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