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高强度3D打印铝合金的快速上升趋势与发展逻辑

时间:2020-07-08 09:56 来源:中国3D打印网 作者:中国3D打印网 阅读:
     根据SmarTech,3D打印行业目前正在发生着两个显著的发展趋势,第一个是铝合金材料的全球供应链似乎已经“越过门槛”,成为支持增材制造技术的下一代机遇。

铝合金的3D打印正在实现飞跃,追赶镍合金,不锈钢和钛合金。

Material_Al

block 性能更强,材料更轻

l 铝合金的开发逻辑

     当一种材料相对便宜,但又难以通过3D打印加工的时候,市场上开发这种材料以适用于3D打印加工技术的当前动机就变得不足,因为相对于3D打印设备的价格来说,材料的价格对最终产品的价格所起到的作用并不明显。

      不过如果有一种方法,使得这种相对便宜的材料变得容易加工,且所实现的产品性能可以堪比那些昂贵材料呢?譬如说能够替代中温钛合金的应用场景。

这支撑了高强度铝合金的开发逻辑。

l  Amaero HOT Al

       近日澳大利亚的Amaero宣布其高性能3D打印铝合金Amaero HOT Al已进入国际专利批准的国家阶段(第四阶段也是最后阶段)。国际专利意味着超过150个参与国认可一项发明并对其进行保护。这样,发明人无需遍历多个专利申请就可以在全球范围内认可他们的发明创造。

       Amaero来源于莫纳什大学,这所大学在航空航天增材制造领域有着多年的经验积累,曾与法国宇航企业赛峰集团合作,开发了两台3D打印的喷气式发动机,目前该发动机已经进入到商业化阶段。

Video cover_Amaero

        航空航天领域,铝合金的应用一直存在着一些弊端。铝合金虽然很轻,但在暴露于高于160°C的温度的应用中往往表现不佳。它们会随着时间的流逝而软化和老化,因此航空航天领域会选择相对较重的金属,例如钢或钛。如何在提升铝合金的性能,这是一个值得研究和突破的地方。

       半个多世纪以来,科研人员已经完成了大量工作,以改善铝合金的耐热性,使铝合金能够承受更高的工作温度而不会降低机械性能。今天,在世界范围内,通过3D打印技术新型的铝合金材料在呈现出快速上升的开发态势,更高的强度,替代中温钛合金的可能性,Amaero HOT Al开辟了在性能方面一种独特的市场定位。

Chart_Amaero

Amaero HOT AI实现的性能。来源:Amaero

       还拿Amaero HOT Al举例,这种新型铝合金可在3D打印后进行热处理和时效硬化,从而提高了强度和耐用性,使得这种铝合金在260°C左右的温度下长时间稳定。最初是由澳大利亚莫纳什大学的研究人员与Amaero合作开发的,Amaero现在拥有该合金的全球许可权。开发和商业化新型高强度铝合金以及适合各种铝合金3D打印的设备,已经成为一条明显的国际与国内发展趋势。

l 苏州倍丰-Al250C

      根据中国日报,苏州倍丰创始人、澳大利亚工程院吴鑫华院士领导莫纳什大学研究团队成功开发出了牌号为Al250C的高强高韧增材制造专用铝合金材料,该Al250C材料用于3D打印屈服强度可达580MPa,抗拉强度590MPa以上,延伸率可达11%,制备构件通过了250℃高温下持续5000小时的稳定试验, 相当于发动机常规服役25年的要求。

l  Aeromet-A20X

       国际方面,高强度铝合金的3D打印领域涌现出诸多的开发者,总部位于英国的铸造专家Aeromet International其专利的用于增材制造的铝合金粉末A20X所制造的零件已经超过500MPa的极限拉伸强度(UTS)。A20X是一种铝 – 铜合金材料,具有精细的微观结构,与其他合金相比,具有“更高的强度,抗疲劳和优化的热性能。在测试中,3D打印的A20X粉末材料所制造的极限拉伸强度为511MPa

l  HRL-7A77.60L

       美国方面,实现细晶粒微观结构,并与锻造材料具有相当的材料强度,HRL实验室所开发的3D打印用高强度7A77.60L铝粉于2019年10月正式投放市场,用户可以直接向HRL购买这种铝合金材料。当使用铝合金材料Al7075和Al6061的时候,在激光高能环境中进行金属3D打印会导致金属部件遭受严重热裂纹,HRL的研究人员在软件和大数据的帮助下选择了锆基纳米颗粒成核剂,并将它们组合到了7075和6061系列铝合金粉末中。成型后的材料无裂纹、等轴(即晶粒在长度、宽度和高度上大致相等),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,3D打印的铝合金材料平均屈服强度高达580 MPa,极限强度超过600 MPa,平均伸长率超过8%。

       铝合金的3D打印正在获得更广泛的开发,2020年早些时候,DED定向能量沉积3D打印设备制造商Optomec宣布了其LENS 3D打印的适用材料方面的进步。现在可以使用Optomec系统来沉积任何铝合金,包括其最近开发的具有改进增材制造性能的铝合金。

l  QuesTek

     另外一家金属粉末制造商QuesTek Innovations已开始与德国航空航天中心合作开发新型铝合金原料。该合金将在200°C至300°C的高温下表现出高强度,甚至在某些应用中可以替代钛合金。

       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。

         总之,3D打印用高强度铝合金材料的出现为原来必须通过锻造来实现的零件加工打开了一扇崭新的大门,结合3D打印所释放的设计自由度,高强度铝合金将在包括压力容器、液压歧管、托架、高强度结构件领域获得想象力巨大的市场空间。

(责任编辑:中国3D打印网)

weixin
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