一文看懂铝合金制造在3D打印领域的现状与发展态势

一文看懂铝合金制造在3D打印领域的现状与发展态势
    铝合金，由于其天然的轻量化特点，在工业制造领域占有重要的一席之地。不过随着3D打印在钛金属领域的崛起以及低成本钛金属的发展趋势，铝合金似乎遇到了钛合金和复合轻量化塑料材料的双重夹击。甚至包括传统加工行业的铝合金轮毂，也面临着无充气整体轮胎发展趋势的威胁，那么铝合金是否可以借助3D打印技术获得一定程度突围，在金属3D打印领域的发展现状如何呢？
本期，3D科学谷从市场发展态势，粉末材料当前的技术突破，以及铝合金与3D打印技术的多种结合方式，铝合金的应用优势领域，为谷友深入分析铝合金制造在3D打印领域的现状与发展态势。

▲点阵结构的铝合金3D打印
 市场发展态势：
   铝合金的市场发展态势方面，根据SmarTech的预测，铝合金占金属3D打印中所有金属粉末的消耗量（按体积计算）从2014年的5.1%逐渐提高到2026年的11.7%左右，铝合金在汽车行业的10年复合增长率在51.2%。
铝硅AlSi12-铝硅12是一种具有良好的热性能的轻质增材制造金属粉末。AlSi10Mg-硅/镁组合带来显著的强度和硬度的增加。这种铝合金适用于薄壁，复杂的几何形状的零件，是需要良好的热性能和低重量场合中理想的应用材料。零件组织致密，有铸造或锻造零件的相似性。典型的应用包括汽车，航空航天和航空工业级的原型及生产零部件，例如换热器这样的薄壁零件。
    当然不同的金属3D打印技术存在着一定层面的竞争或互补关系。竞争的主旋律围绕着在提供高度的精度以及零件复杂性的同时，满足更高的效率和更低的成本。
    压铸合金AlSi10Mg类似美国合金360,虽然这并不是一个被广泛认可的高强度铸造合金，但它已被证明通过适当的热处理能够产生相当高的强度，3D科学谷了解到虽然这一事实也还备受争议。但从广义上讲，这种合金可以通过标准的热处理工艺，固溶处理后人工时效，称为T6周期。溶液处理500°C以上， 4-12h，温度不应超过550°C，其次是水或聚合物熔体淬火。人工老化温度在155°C-165°C之间，时间6-24h，通过精确的时间和温度控制最终性能。抗拉强度可以从220MPa到340MPa之间，抗拉屈服强度在180MPa和280MPa之间。其他合金包括169（A357）和AlSi7Mg。
    此外，根据3D科学谷的市场研究另外专有的合金如Scalmalloy已经被用于空客的增材制造应用中，这是一些令人兴奋的进展。
在超过5,500种合金材料中，绝大多数材料仍无法通过金属3D打印技术制造。根据3D科学谷的市场观察，美国HRL 实验室发现，影响合金材料在增材制造工艺中使用的原因是，打印过程中材料的熔融和凝固产生了具有大柱晶粒和周期性裂纹的微观结构。HRL 实验室表示，可以通过在增材制造材料中引入纳米颗粒成核剂的方式来解决这一问题。
    HRL实验室的研究人员根据晶体学信息选择了锆基纳米颗粒成核剂，并将它们组装到了7075和6061系列铝合金粉末中。在用成核剂进行功能化之后，这些先前与增材制造制造不相容的高强度铝合金可以使用粉末床选择性激光熔化设备进行成功的加工。成型后的材料无裂纹，等轴（即，其长度，宽度和高度上的晶粒大致相等），实现了细晶粒微观结构，并与锻造材料具有相当的材料强度。
   如今，为了进入商业化过程，HRL实验室成功将这种合金注册下来，美国铝业协会负责监督整个行业使用的合金注册和产品标准。该协会的新增材制造合金注册系统于2019年2月推出，以响应越来越多的增材制造合金，第一个注册的正是HRL实验室的高强度铝。这将永远将HRL与这种特殊的合金成分联系在一起。这一点，值得国内企业借鉴。
    而国内，中航迈特与GE增材在2019年7月宣布联合共建北京亦庄增材制造创新中心，推动增材制造高性能钛铝合金、高温合金等材料及其零部件产品在民用航空发动机上的应用。
  除了空客的Scalmalloy已经被用于空客的增材制造应用中，根据3D科学谷的市场观察，SLM选区激光熔化金属3D打印铝合金的一个经典应用是Betatype公司3D打印铝合金热交换器，通过粉末床激光熔化工艺创造出所需的超高密度点阵结构。在3D科学谷看来，铝合金材质方面的轻量化优势与点阵结构的结构方面的轻量化双重加强，成为一种颇具前景的轻量化实现方式。
   不过铝合金的加工领域国际上的一家公司走出了更系统化的路线，针对于铝合金的加工，Sintavia开发出了完整的端到端的参数体系，Sintavia通过专有工艺来打印F357铝粉末，从而满足航空航天和汽车行业对低密度、良好的加工性和热传导元件的需求。航空航天和汽车行业对于铝硅合金的需求正在上升，Sintavia的综合制造能力使得F357铝合金的制造更加快速，并且达到或超过行业的严格验证参数要求。
   Sintavia独家的铝合金加工工艺是一整套的体系，不仅包括预构建材料分析，还包括后期热处理和压力消除，从而能够生产出高达125%的设计强度，精密度达100%。通过常温、高温强度验证，以及零度以下的温度验证，Sintavia能够快速生产出满足要求的铝件。
    此前，根据3D科学谷的市场观察，国内方面，2018年东风汽车公司通用铸锻厂联合其他三家单位建立战略合作。四方利用各自优势，建立产学研全面合作关系，共建汽车轻量化铝合金低压铸造研究中心，共同在汽车用铸造铝合金材料、铝合金铸件轻量化设计、铝合金铸造技术的开发与应用等方面开展全方位合作。
根据3D科学谷的市场观察，国际上，关于铸造在交通工具领域的轻量化应用，一个现实的例子是欧特克尝试通过3D打印熔模来铸造镁铝合金，从而实现飞机座椅的轻量化。这种座椅结构件适合任何标准的商用喷气式飞机，预计可以通过减重为航空公司节约数百万美元的成本。
    虽然，金属3D打印在推动制造业跨越式发展，并能够生产非常复杂的产品，但目前材料选项仍然有限。目前增材制造支持的材料只有几十种，但铸造可以在成千上万种的金属和复合材料中进行选择。因此，该项目利用了3D打印的技术优势，而不完全依赖于3D打印技术。
   利用3D打印和铸造，来生产铝合金产品可以将3D打印制造复杂产品的优势以及铸造领域多年来成熟的产业化工艺做到优势结合。
   借助颗粒增强获得的铝硅基复合材料可显著提高传统的铝硅合金的力学性能，已经被广泛的研究并在实际工程中获得应用。
   目前对于激光增材制造的颗粒增强铝基复合材料，在成形加工过程中主要面临这样一些问题：
- 由于铝对激光具有很高的激光反射率，通常低功率激光器难以使得铝合金发生完全熔化，增强颗粒的加入能够在程度上提高粉体对激光的吸收率，但增强颗粒加入过多则会导致材料延伸性能下降；
- 研究表明，降低增强体的颗粒尺寸达到纳米级可以有效提高金属基复合材料的机械性能，如提高强度和减少裂纹，但是当增强颗粒的尺寸减小至纳米尺度时，颗粒之间会因强烈的范德瓦尔力以及极大的表面张力而紧密地团聚在一起，从而很不利于增强颗粒在基体中的均匀分散，在激光增材制造过程中，所形成熔池中特有的Marongoni流可以起到均匀分散第二相的作用，但该Marangoni流又与熔池的温度场紧密相连；
- 由于通常加入的增强颗粒为陶瓷相，而陶瓷相与基体相之间的润湿性很差，同时它们之间的热膨胀系数差异也往往较大，这就导致在成形过程中形成的液相不能均匀铺展，同时在随后的凝固过程中产生较大的收缩应力而出现裂纹。

为解决上述存在的技术问题，根据3D科学谷的市场观察，南京航空航天大学几年前开发出基于SLM成形的铝基纳米复合材料，用于激光增材技术领域，有效的解决铝基纳米复合材料在激光增材过程中工艺性能与力学性能不匹配、增强颗粒分布不均匀以及陶瓷相与基材相之间润湿性较差的问题，使得所获得的产品具备良好的界面结合以及优异的力学性能。
   展望下一步，从发展趋势来看，人工智能将在材料开发领域扮演越来越重要的角色。根据3D科学谷的市场观察，由英国剑桥的一家人工智能公司Intellegens开发的一种新的机器学习算法已被用于设计一种新的用于金属增材制造的镍基合金。未来，是否铝合金材料开发领域出现越来越多的人工智能的身影，3D科学谷认为这是一种必然。
关于3D打印在发动机领域价值创造的详细剖析，敬请查阅已经发布的《3D打印与航空发动机白皮书》，并关注后期将要发布的《3D打印与航空发动机白皮书V2》