金屬/陶瓷粉末3D打印技術(shù)及其應(yīng)用

2018-05-24 04:00:37

精密成形工程 2018年3期

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京市先進(jìn)鈦合金精密成型工程研究中心，北京 10095）

3D打印又稱增材制造，是一種結(jié)合計(jì)算機(jī)、材料、機(jī)械等多領(lǐng)域的系統(tǒng)性、綜合性的技術(shù)，運(yùn)用金屬/陶瓷粉末或粘合材料，通過(guò)選擇性粘結(jié)逐層堆積方式實(shí)現(xiàn)實(shí)體。粉末冶金技術(shù)可實(shí)現(xiàn)近凈成形同時(shí)能夠極大限度地減少傳統(tǒng)鑄造合金的成分偏析、組織粗大以及不均勻性，獲得與鍛件性能水平相當(dāng)?shù)娘@微組織結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)相比，3D打印技術(shù)以其成本低、生產(chǎn)周期短、可成形各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件等一系列優(yōu)點(diǎn)，使其在各領(lǐng)域迅速發(fā)展。3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比，具有如下特點(diǎn)： ①節(jié)約原材料，能夠?qū)崿F(xiàn)“近凈成形”； ②降低設(shè)備成本；③可以制造形狀復(fù)雜、難加工材料； ④設(shè)計(jì)生產(chǎn)空間靈活可控； ⑤縮短了生產(chǎn)時(shí)間； ⑥可以用于零件修復(fù)； ⑦可以結(jié)合鑄造技術(shù)，進(jìn)行復(fù)合成形，即在鑄件上直接打印難鑄結(jié)構(gòu)或零部件，因此，可采用增材制造技術(shù)制備傳統(tǒng)工藝方法難以加工的構(gòu)件[1]。

近幾年來(lái)，隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，在航空航天、生物醫(yī)藥、汽車和建筑等領(lǐng)域應(yīng)用逐漸拓寬，其優(yōu)勢(shì)不斷顯現(xiàn)，備受廣大科研學(xué)者關(guān)注[2—3]。金屬/陶瓷粉末構(gòu)件的 3D打印技術(shù)是目前先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向[4]。鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐蝕性、無(wú)磁性等一系列優(yōu)點(diǎn)，使其在電子、航空、航天、船舶、高端民品等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。文中以3D打印成形鈦合金為例，從3D打印用粉體材料的選擇、成形設(shè)備原理、技術(shù)種類及其應(yīng)用等方面進(jìn)行介紹。

1 3D打印成形金屬/陶瓷粉末技術(shù)的應(yīng)用

以 3D打印鈦合金為例，美國(guó) AeroMet公司與Boeinq、Lockheed-Martin公司共同合作開展飛機(jī)機(jī)身鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)研究，并且激光成形鈦合金全尺寸飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)件順利通過(guò)地面性能考核試驗(yàn)，構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度和靜強(qiáng)度均達(dá)到了傳統(tǒng)鍛造及鑄造飛機(jī)鈦合金構(gòu)件的要求。AeroMet公司自2001年起開始小批量為波音公司某型號(hào)艦載聯(lián)合殲擊/攻擊機(jī)供應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)翼梁、帶筋壁板、艙推力拉梁、機(jī)翼轉(zhuǎn)動(dòng)折疊接頭、和龍骨梁壁板等機(jī)翼鈦合金非主承力結(jié)構(gòu)件，部分鈦合金構(gòu)件已在 F/A18-E/F、F-22等飛機(jī)上裝機(jī)應(yīng)用。

圖1 F/A-18E/F飛機(jī)激光快速成形Ti6A14V鈦合金推力梁試驗(yàn)件Fig.1 F/A-18E/Faircraft laser rapid prototyping test piece of Ti6a14V titanium alloy thrust beam

圖2 美國(guó)AeroMet公司激光快速成形Ti6A14V帶筋壁板試驗(yàn)件Fig.2 Laser rapid prototyping of Ti6A14V stiffened wall plate by AeroMet Company in USA

國(guó)內(nèi)關(guān)于鈦合金激光快速成形技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)有北京有色金屬研究總院、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京航空材料研究院等。北京航空航天大學(xué)提出并掌握了激光快速成形鈦合金主承力構(gòu)件凝固組織及熱處理組織調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)了激光快速成形鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件內(nèi)部質(zhì)量和顯微組織控制，制造出了大型整體鈦合金飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)件，其綜合力學(xué)性能良好，部分構(gòu)件已實(shí)現(xiàn)在飛機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)制造出的30多種鈦合金等大型復(fù)雜關(guān)鍵金屬零件已在大型運(yùn)輸機(jī)、艦載機(jī)、C919大型客機(jī)、殲擊機(jī)等飛機(jī)中裝機(jī)應(yīng)用[5—6]。

由于金屬材料的熔點(diǎn)高，使其在激光/電子束成形過(guò)程涉及到固液相變、表面擴(kuò)散以及熱傳導(dǎo)問(wèn)題，同時(shí)需觀測(cè)組織是否致密良好以及在激光/電子束的快速加熱和冷卻過(guò)程如何避免構(gòu)件中存在的殘余應(yīng)力等問(wèn)題。對(duì)于成形金屬間化合物類脆性合金而言，SLM 技術(shù)因其無(wú)需后續(xù)加工的優(yōu)勢(shì)，因此被研究者們開發(fā)利用。美國(guó)坩堝公司采用激光成形設(shè)備成功研制出200 mm×150 mm×32 mm的TiAl合金件，得到了力學(xué)性能優(yōu)良的層片狀精細(xì)組織。其性能見表1。

表1 激光成形Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of laser-formed Ti-47Al-2Cr-2Nb alloy

目前 3D打印技術(shù)制備陶瓷材料上國(guó)內(nèi)外尚處于剛剛起步階段，在材料的成形方面取得很大進(jìn)展，但是材料的組織性能和密度還不夠理想，通常需要通過(guò)后處理工序來(lái)改善陶瓷結(jié)構(gòu)件的密度，同時(shí)，在尺寸控制方面，陶瓷構(gòu)件的精度和內(nèi)部質(zhì)量尚不能滿足實(shí)際要求，距離工程化應(yīng)用存在距離。未來(lái)需要在陶瓷材料種類、陶瓷構(gòu)件尺寸精度、表面質(zhì)量、內(nèi)部冶金缺陷、產(chǎn)品綜合力學(xué)性能等方面進(jìn)行廣泛且深入研究。

2 金屬/陶瓷粉末3D打印技術(shù)

金屬粉末的主要成形方法按熱源分有激光和電子束兩種加熱方式，按成形材料狀態(tài)分為金屬粉狀和金屬絲狀，按送材方式分為儲(chǔ)粉、送粉/絲?，F(xiàn)階段金屬增材制造技術(shù)主要包括激光熔化沉積(LMD)、選區(qū)激光熔化(SLM)、電子束熔絲、電子束選區(qū)熔化(EBSM)等方法。熔化沉積技術(shù)是計(jì)算機(jī)控制送粉器通過(guò)載氣將粉末從噴嘴送出并聚焦熔覆頭下方軸線，其中熔覆頭是激光熔化沉積制造系統(tǒng)核心部件，因?yàn)槿鄹差^上帶有可輸送粉末及保護(hù)氣的噴嘴。而選區(qū)熔化方式則是將工件的三維模型進(jìn)行分層處理，然后利用掃描系統(tǒng)控制激光束/電子束對(duì)待成形區(qū)域內(nèi)的材料進(jìn)行照射，有選擇性地熔融金屬粉末，其中 LMD技術(shù)與SLM相比，在成形尺寸上更加靈活，可以制備更大尺寸的零件，因而與SLS技術(shù)相比，SLM技術(shù)無(wú)需粘接劑，直接熔化金屬/陶瓷粉末，因此其零件密度大大提高、零件尺寸精度高、表面粗糙度小，不足是沉積效率低、成形尺寸小[7]。以鈦合金為例，金屬粉末的快速成形分類見圖3。

圖3 鈦合金快速成形分類Fig.3 Classification of titanium alloy rapid prototyping

與金屬材料、樹脂材料的3D打印技術(shù)相比，陶瓷3D打印技術(shù)起步較晚，發(fā)展較慢，但因其具有巨大發(fā)展?jié)摿Χ鴤涫荜P(guān)注。陶瓷件的3D打印包括配制陶瓷漿料、繪制三維模型并切片、3D打印成形、燒結(jié)等工藝過(guò)程。利用3D打印技術(shù)研究的陶瓷材料包括氧化鋯、氧化鋁、磷酸三鈣、碳化硅、碳硅化鈦、陶瓷前驅(qū)體等，其成形方法主要分為：噴墨打印技術(shù)(Ink-jet printing, IJP)、三維打印成形(Three Dimensional Printing, 3DP)、熔化沉積成形技術(shù)(Fused deposition of ceramics, FDC)、直寫自由成形技術(shù)(Direct Ink Writing, DIW)、激光選區(qū)燒結(jié)/熔融(Selective Laser Sintering/Melting, SLS/SLM)、光固化快速成形技術(shù)(Stereo Lithography Appearance, SLA)、疊層實(shí)體制造(Laminated Object Manufacturing, LOM)[7]。

其中IJP技術(shù)原理簡(jiǎn)單，打印頭成本低，易產(chǎn)業(yè)化，但是墨水配制需要求粉末粒徑均勻，不發(fā)生凝聚，流動(dòng)性好，高溫化學(xué)性能穩(wěn)定，且噴墨打印頭易堵塞，墨水液滴大小限制打印最大高度，很難制備z軸方向具有不同高度的三維結(jié)構(gòu)；而 3DP技術(shù)能夠大規(guī)模成形出陶瓷部件，成本較低，但粘結(jié)劑強(qiáng)度導(dǎo)致部件強(qiáng)度有限，難以制備機(jī)械性能優(yōu)良的陶瓷部件；與SLA技術(shù)相比，DIW 技術(shù)無(wú)需紫外光和激光輻射，常溫可成形，且可配制高含量均勻穩(wěn)定的陶瓷懸浮液，燒結(jié)后可獲得高致密化燒結(jié)體，但是水基陶瓷懸浮液穩(wěn)定性差，保存周期短，有機(jī)物基陶瓷料漿穩(wěn)定性高，但增加低溫排膠過(guò)程，提高了制造成本；SLS技術(shù)無(wú)需支撐就可制備復(fù)雜陶瓷零件，但因受粘結(jié)劑鋪設(shè)密度限制，導(dǎo)致陶瓷制品密度不高；SLA技術(shù)成形精度極高，可制備極其復(fù)雜幾何形狀的零件，得到的陶瓷件燒結(jié)后密度高，性能優(yōu)異，但需設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，后處理麻煩，同時(shí)考慮二次固化問(wèn)題，且折射率較高材料難以使用該技術(shù)，LOM 成形速率高，無(wú)需設(shè)計(jì)支撐，但后處理工序繁瑣，成形坯體各向機(jī)械性能差別大[8—11]。

不同3D打印成形方法各有利弊，在實(shí)際生產(chǎn)制備過(guò)程中需平衡周期、經(jīng)濟(jì)成本、精度、尺寸等多方面因素、選擇合適的陶瓷3D打印成形方法，不同3D打印陶瓷粉末比對(duì)見表2。

表2 不同3D打印陶瓷粉末制備方法比對(duì)Tab.2 Comparison of different preparation methods 3D printing ceramic powder

3 3D打印用金屬粉末要求

增材制造工藝與傳統(tǒng)粉末冶金工藝相比有明顯區(qū)別，在成形過(guò)程中，粉體材料與熱源直接作用，材料的變化是瞬態(tài)的，沒(méi)有模具的約束以及持久壓力的作用。3D打印用粉末具有良好的可塑性、流動(dòng)性，高球形度、松裝密度以及低氧含量，較窄的粒度分布范圍等綜合性能[12]。其中粉末粒徑對(duì)3D打印成形性影響最大，粉末粒度越大球化現(xiàn)象越嚴(yán)重，粒徑越小，表面光潔度更高，在不影響粉末流動(dòng)性的前提下，均勻且粒度小的粉末更有利于成形。一般認(rèn)為直徑小于1 mm的粉體材料適用于增材制造，粒徑在50 μm左右的粉體材料具有較好的成形性。根據(jù)3D打印機(jī)不同能量源劃分，激光能量源用粉末粒度為 15～50 μm（細(xì)粉），粉末補(bǔ)給方式為逐層鋪粉；等離子束作為能量用粉末粒度為 50～110 μm（粗粉），粉末補(bǔ)給方式為同軸送粉。與傳統(tǒng)粉末冶金相比，3D打印用金屬粉末尚未形成標(biāo)準(zhǔn)，仍沿用鑄造用粉末標(biāo)準(zhǔn)；除了精確控制粉末純度及成分，提高力學(xué)性能和密度以外，同時(shí)應(yīng)關(guān)注粉末中相的性質(zhì)、含量、尺寸及其分布范圍的隨機(jī)性，使3D打印金屬材料顯微組織得以更好控制。對(duì)不同體系的金屬粉末，氧含量為一項(xiàng)重要指標(biāo)，一般制品要求在0.15%以下，航空航天制品要求控制在0.05%以下。其中3D打印用鈦合金粉末主要選取等離子旋轉(zhuǎn)電極或氣液霧化兩種，3D打印用金屬粉末制備方法及不同工藝下粉末的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍見表3。

表3 3D打印用粉末制備方法Tab.3 Preparation of powder for 3D printing

4 3D打印用金屬粉末設(shè)備

圖4 3D打印設(shè)備原理Fig.4 Schematic diagram of 3D printing equipment

用于成形鈦合金粉末用激光熔化式成形機(jī)和激光燒結(jié)式成形機(jī)及原理見圖4。不同種類的快速成形系統(tǒng)由于所用成形材料不同以及產(chǎn)品性能要求的差異性，所以其原理和系統(tǒng)特點(diǎn)也各不相同，但都是基于離散堆積原理，即分層制造、逐層疊加的原理。3D打印設(shè)備對(duì)于成形金屬粉末而言，以鈦合金為例，主要有激光燒結(jié)式快速成形機(jī)、激光熔化式快速成形機(jī)、電子束熔化式快速成形。其中激光燒結(jié)式快速成形機(jī)工作原理是在工作臺(tái)上鋪一層粉末，激光束對(duì)粉末進(jìn)行有選擇性的掃描，使表面外表熔化而相互粘接，逐步形成界面薄層，而未被激光束掃描的粉末散狀，形成對(duì)后續(xù)層的支撐。激光熔化式快速成形機(jī)與激光燒結(jié)式成形機(jī)原理相同，不同之處在于粉末完全融化，有利于提高粉末的成形性及材料的致密性。電子束熔化成形機(jī)是近幾年新興的設(shè)備，其成形工作原理與激光熔化式成形機(jī)相似，只是熔化的熱源不同。

5 結(jié)語(yǔ)

3D打印增材制造較傳統(tǒng)工業(yè)比較具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，也有很多方面存在不足。只有成形質(zhì)量、周期、成本有了質(zhì)的改變，增材制造才能成為制造業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。下面將從增材制造金屬/陶瓷粉末存在的問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展方向給出建議。

1) 增材制造產(chǎn)品力學(xué)性能、密度和尺寸控制需進(jìn)一步提高。3D打印用金屬粉末除了精確控制粉末純度及成分，以提高材料力學(xué)性能和密度外，同時(shí)應(yīng)關(guān)注粉末中相的性質(zhì)、含量、尺寸及其分布范圍的隨機(jī)性，使3D打印金屬材料顯微組織得以更好控制，提高產(chǎn)品力學(xué)性能；同時(shí)，為了滿足產(chǎn)品質(zhì)量的最終需求，增材制造產(chǎn)品需要后處理工序，例如熱等靜壓、熱處理、表面光整等，這將引起新的工藝變量，因此需增強(qiáng)增材制造技術(shù)后處理工藝的精確控制。

2) 增材制造的實(shí)時(shí)過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制難度大，技術(shù)成熟度很低，無(wú)法滿足成形需求，急需開展實(shí)時(shí)過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)研究，從而提升增材制造構(gòu)件質(zhì)量和可靠性。對(duì)于3D打印成形難熔金屬、極活潑金屬以及硬脆的金屬間化合物而言，其設(shè)備需設(shè)計(jì)防裂預(yù)熱保溫裝置、配備更高功率熱源，組裝高抽真空裝置。

3) 增材制造的計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)仍處于基礎(chǔ)研究階段，由于熔區(qū)尺寸微小，逐層成形過(guò)程中，其溫度場(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)受周邊環(huán)境影響大，各類熱物性參數(shù)和邊界參數(shù)獲取困難，數(shù)值模型建立難度大，繼續(xù)開展增材制造的計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，揭示一些機(jī)理，從而提高工藝優(yōu)化水平。

4) 增材制造技術(shù)因組織細(xì)化、性能好，修復(fù)復(fù)雜形狀，缺陷少，性能接近鍛件等一些優(yōu)點(diǎn)，使其將在構(gòu)件修復(fù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周加永, 紀(jì)平鑫, 莫新民, 等. 3D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化,2015(6): 217—219.ZHOU Jia-yong, JI Ping-xin, MO Xin-min, et al. The Application and Development Trend of 3D Printing Technology in military Field[J]. Mechanical Engineering and Automation, 2015(6): 217—219.

[2] 曾光, 韓志宇, 梁書錦, 等. 金屬零件 3D 打印技術(shù)的應(yīng)用研究[J]. 中國(guó)材料進(jìn)展, 2014, 33(6): 376—382.ZENG Guang, HAN Zhi-yu, LIANG Shu-jin, et al.Application Study of 3D Printing Technology for Metal Parts[J]. Journal of Materials Development, 2014,33(6): 376—382.

[3] 楊恩泉. 3D打印技術(shù)對(duì)航空制造業(yè)發(fā)展的影響[J].航空科學(xué)技術(shù), 2013(1): 13—17.YANG En-quan. Effects of 3D Printing Technology on the Development of Aeronautical Manufacturing Industry[J]. Aviation Science and Technology, 2013(1):13—17.

[4] 譚麗斌, 余心宏. 3D打印技術(shù)在金屬成形領(lǐng)域的應(yīng)用和展望[J]. 精密成形工程, 2015, 7(6): 58—64.TAN Li-bin, YU Xin-hong. 3D Printing Technology and Its Application in Metal Forming[J]. Precision Prototyping Engineering, 2015, 7(6): 58—64.

[5] 章敏. 送粉式和送絲式的鈦合金激光增材制造特性研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013.ZHANG Min. Study on the Manufacturing Properties of Laser Material for Powder and Wire Feeding Titanium Alloy[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology,2013.

[6] 文藝, 姜濤, 鄔冠華, 等. 3D打印兩相鈦合金組織性能研究現(xiàn)狀[J]. 失效分析與防護(hù), 2016, 11(1): 42—46.WEN Yi, JIANG Tao, WU Guan-hua, et al. Research Status on Microstructures and Properties of Two-phase Titanium Alloys by 3 D Printing[J]. Failure Analysis and Protective Measures 2016, 11(1): 42—46.

[7] 趙劍鋒, 馬智勇, 謝德巧, 等. 金屬增材制造技術(shù)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 46(5): 675—683.ZHAO Jian-feng, MA Zhi-yong, XIE De-qiao, et al.Manufacturing Technology of Metal Enhancement[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2014, 46(5): 675—683.

[8] 孫勇. 一種新的陶瓷部件快速成形技術(shù)及材料性能研究[D]. 西安: 陜西科技大學(xué), 2005.SUN Yong. A New Ceramic Component Rapid Prototyping Technology and Material Performance Research[D]. Xi'an: Shaanxi University of Science and Technology, 2005.

[9] LIU Zhi, SONG Kan, GAO Bo. Microstructure and Mechanical Properties of A12O3/ZrO2Directionally Solidified Eutectic Ceramic Prepared by Laser 3D Printing[J]. Journal of Materials Science & Technology,2016, 30: 320—325.

[10] 樂(lè)觀. 陶瓷復(fù)合材料的激光燒結(jié)成形實(shí)驗(yàn)研究[D].南京: 南京航空航天大學(xué), 2007.LE Guan. Experimental Study on Laser Sintering of Ceramic Composites[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2007.

[11] 李伶, 高勇, 王重海. 陶瓷部件 3D打印技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 硅酸鹽通報(bào), 2016, 35(9): 2892—2897.LI Ling, GAO Yong, WANG Chong-hai. Development of 3D Printing Technology for Ceramic Parts[J]. Silicate Bulletin, 2016, 35(9): 2892—2897.