360度解析高强铝3D打印粉末材料

目前在铝合金3D打印领域，可用的材料非常有限，主流的材料可能就是AlSi10Mg、AlSi7Mg一些铝硅系的合金材料。但是高强度的合金材料基本上很少得到应用。这几年，高强铝的呼声一直很高，不管是航空航天，还是其它一些高附加值的领域。2022年7月12日，霍尔榜制造探囊第11期主题分享“360度解析高强铝3D打印粉末材料”,由江西新材料公司提供。

铝合金3D打印粉末已经成为金属3D打印的一种主流材料，但可用的材料体系或种类非常有限，主要集中在AlSi10Mg材质，AlSi7Mg少量有一些。传统变形系牌号（如2024、6061、7075等）的铝合金材料并不能直接用于3D打印领域，造成了铝合金材料的种类非常有限。航空航天等一些对高强度有要求的应用场合，非常期待能够有一种高强度的材料。

铝，特殊的优势是比较轻质，耐腐蚀性能好，不需要去做一些表面的涂层等等。在3D打印领域可用的主要是AlSi10Mg，强度非常有限。EOS-AlSi10Mg技术指标书 T6处理态，屈服强度才250 MPa。

航空航天领域常用的像7075牌号的铝合金，它的屈服强度标准都是在480 Mpa以上，延伸率也有7%。所以，传统的AlSi10Mg材质并不能够满足高强度的应用场合，在这种背景下，我们需要去开发高强度的铝合金。

经过3D打印工艺，材料的屈服≥450 MPa，延伸率≥6%，我们称为高强铝。高强铝对标传统的一些硬铝牌号，比如7075，7075的材料性能屈服是在480MPa以上。3D打印工艺，也需要类似于7075材质的材料。大部分高强铝打印出来的屈服强度基本上在480MPa以上，但是AlSi10Mg、AlSi7Mg材质做退火处理强度才200Mpa多，高强铝打印出来的强度是AlSi10Mg的两倍多。

钛合金的强度很高，标准屈服强度是945MPa，跟钛合金相比，高强铝的强度只有接近钛合金的二分之一。我们都知道钛合金的密度大概在4.5左右，而铝合金的密度大概在2.7，它的密度只有钛合金的60%，在强度能够满足的情况下，钛合金采用高强铝替代能够带来40%的减重。

当然还要考虑价格的因素，当前高强铝的价格可能比钛合金（TC4材质）相当或者略高，如果考虑它的减重带来的巨大收益，采用高强铝还是很有优势的。跟常规AlSi10Mg比优势也非常明显，它的强度是后者的近两倍，能够满足更高强度的应用场合。如果来替代AlSi10Mg，它能够去发挥强度上的结构潜力。目前高强铝的挑战在于价格，大概是AlSi10Mg的4~5倍。当前的高强铝着重用在一些需要减重且高附加值的场合，也有一些案例在逐步替代钛合金。

按铝合金的牌号来讲，传统铝合金的牌号是从1~7系铝合金，也有一些其他体系的牌号。1系铝是纯铝，2系铝是铝铜合金，3系铝是铝锰合金，4系铝是铝硅合金， 5系铝是铝镁合金，6系铝是铝硅镁，7系是铝锌镁铜。针对这几个不同的材料体系，市面上也有不同的单位去开发了一些相应的成分。

铝铜系的主要有两家公司，一家是英国的AerometInternational，早在2016-2017期间开发了铝铜的牌号，最早是A20X系列用在铸造的牌号。由于金属3D打印技术的兴起，这家公司针对金属3D打印的用粉专门推出了AM205，它的强度屈服能够稳定在440，延伸13%，市场拓展比较好，主要跟一些原始设备制造商合作，此牌号也进入到了F1赛车可选用的材料体系当中。

另一家EOS公司去年推出了AM2139，主要成分体系含了铝铜还含了一部分的银。它的性能屈服也是能够达到460 ，抗拉520，延伸4%，官方网站上能看到AM2139具体的性能。EOS既然能把AM2139放入产品系列，说明这个材料体系已经是经过了充分的认证。

铝锰合金目前主要是由苏州倍丰吴院士团队推出的Al250C，基于铝锰的合金体系，也加入了钪和锆的一些成分。他们去测试了铝锰体系在航空发动机领域上一些高温的场合，经过高温测试，发现它的高温性能很好。

铝硅体系是在AlSi10Mg的基础上做一些改进或改善，由上海交通大学王教授推出的二硼化钛纳米增强AlSi10Mg体系，核心技术是采用原位自身的方式来制备二硼化钛增强AlSi10M锭，再把锭制成粉末。推广做得很好，包括跟商飞在做一些应用的推广，打印出来的大件性能也能达到抗拉530，有的情况下它的强度更高，取决于不同材料的成分和工艺。

铝镁合金实际上是通过加入钪和锆的强化来实现高强，有很多公司也是基于铝镁钪锆体系来开发相应的产品，比如空客推出的Scalmalloy。铝镁钪锆体系最早也是航空的一种材料，早期的牌号也是基于铝镁钪锆体系用于航空的板材，俄罗斯方面做了很多这方面的开发工作。空客大概在2010年左右开始做铝镁钪锆体系用于增材领域，大概在2014-2016年期间成功开发了Scalmalloy，他们做了很多的测试工作，包括Scalmalloy的力学性能，物理性能以及化学性能等，性能能够稳定在屈服强度480 MPa。

国内针对这个体系也做了很多的开发工作，像长沙院推出的HAlSc，屈服强度也是能够稳定在510以上，延伸率在12%以上。继长沙院之后，中车研究院也推出了CRRC-HAP-1，它的性能能够稳定达到屈服500，抗拉560，延伸10%。这些数据均来自于相关的报告，结果可能会有一些出入，因各家公司也在不断地更新和完善自己的产品。宝航新材料也推出了HS5501高强铝，测试的屈服强度稳定在520，抗拉540，延伸12%以上。此外，铝镁合金的开发，像西工大、中南大学也做了很多铝镁钪锆体系的一些研究。

铝锌合金在高强铝最早有迫切需求的时候，HRL实验室推出了7A77.60L，它大概的原理就是在其传统的7系合金基础上，对它的粉末进行一个纳米的修饰，能够改善它的打印性能。有报道说他们的强度能够超过600 Mpa。他们突出的工作就是把这种材料命名了一个新的牌号，而且这个牌号已经通过了美国铝业协会的认定，HRL实验室也在推广新牌号在一些领域的应用。铝锌合金国内也有一些公司在做开发，主要也是基于纳米来修饰能够改善它的打印性。

从可购买性来看这几种材料， 2系的铝铜，英国公司的AM205，在国内推广比较少见，不确定有一些国外的进口代理商能不能拿到他们的产品，能拿到产品的可能性较低。EOS公司的AM2139 ，应该能够拿到粉末产品，因推出时间不长，不确定在中国有没有这种粉末在销售。铝锰体系的通过倍丰公司应该可以拿到粉末，但不确定他们是单独来出售，还是要来打印这种零件，这个需要确定。铝镁钪锆体系可获得性非常方便，空客的Scalmalloy国内有代理商在卖。像长沙院的HAlSc，中车研究院的CRRC-HAP-1以及宝航的HS5501合金粉末都是可以获得的。HRL实验室的7A77.60L国内好像没有成熟的渠道能够拿到。

2017年Smar Tech Publishing 报告显示，新一代的 AM 专用合金（如 Scalmalloy ）将成为 AM 中需求量最大的铝合金类型，引领生产应用。高强铝以轻质高强的性能优势在航空、航天、汽车、散热器等领域不断扩展应用。

在航空场合，空客在2015年率先推出利用Scalmalloy去打印机舱的座椅结构，它突出的优势就是强度能够满足要求，同时也很轻质，能够帮助飞机实现瘦身。这个材质的应用或者案例有没有在A30客机上实现批产还有待确定。

国内在航天领域也有一些案例，据航天增材云网报道，贵州天马公司做了一个机器人手臂的零件，采用高强铝突破了高强铝合金打印成形困难，工艺窗口窄易出现气孔和组织缺陷的问题，它的性能通过热处理后屈服能够达到≥500。

APWORKS是空客专门做增材领域的子公司，自从推出了Scalmalloy牌号就不断在拓展材料在一些领域的应用。在汽车这一块，APWORKS与布加迪合作做出了汽车排气尾管，也是利用这种高强度，一定的耐热性能来实现汽车部件的减重。利用空气动力学配置，产生更大的压力，能够增加车辆的敏捷性和动态性能。

此外，空客还推出了新概念，轻量化电动摩托车”轻骑手“。它是基于增材制造技术，加上Scalmalloy高强度的铝合金试图进入电动摩托车领域。当时限量发售是50台，单台车价格是37万。我们可以看到，高强铝在高附加值的一些应用场合，它的轻便和特性是一种创新的业态模式。

赛车是一个追求高性能、高表现的领域，他们也会非常热衷去应用一些新技术，实现更高的性能。像Scalmalloy通过了F1赛车的认证，他们团队去打印了赛车的翼子板。除了 Scalmalloy，AM205也通过了F1的认证，能够去打印一些赛车定制化的零件。还有散热器，也是结合高强铝的高强度和轻质的特性。

由nTopology设计、Morf3D打印的7A77铝合金回旋结构热交换器，利用7A77铝合金的固有热导率，HRL及其合作伙伴为航空航天用户开发了一项经过专门设计的机油冷却器。在这种设计中，合金的高强度满足了关键的爆破压力要求，同时能以与常规AlSiMg合金相比更薄的壁厚实现更好的换热效果。7A77铝合金的高屈服强度使热交换器设计人员将交换器的壁厚减少了50％，有效地提高了传热性能，这是在航天航空散热器上的应用。国内在轨交领域也做了一些案例，像减震器、散热板，包括一些拓扑优化的结构，但目前的应用主要是在一些试验件上，还没有进行到真正的量产或应用的阶段。

主流的高强铝材料技术程度，国外设置了9级，从TRL1-TRL9级，国内也做了新材料技术程度的等级，从1级到9级。其中1~3级是实验室阶段，4~6级是工程化阶段， 7~9级是产业化阶段。目前市场上出现从2系到7系的高强铝，各家在推出材料产品的时候，作为用户可以去了解一下他们材料的成熟度等级，如果材料成熟度等级相对够高，实际上是更值得去用，由于材料体系的缺乏没有标准去评判它，这是一个挑战。

5系的铝镁钪锆合金成熟度要靠前一点，得益于空客的创新。5系铝镁合金加入了大量的Sc元素，Sc是一种稀土元素，价格非常高。地球上的Sc含量并没有那么稀少，但是Sc的材质从稀土钪 提取需要很大的努力。高强铝的价格，由于Sc原材料价格高，导致粉末价格也很高，阻碍了30打印的规模应用。

打印工艺和性能需要更多摸索，高镁含量的高强铝打印过程中会存在黑烟，黑烟对于打印材料或零件，尤其在风场控制不好的情况下，它就会存留在材料内部产生影响，包括打印孔洞的一些缺陷。参数设置不合理，孔洞的缺陷会比较大。通过参数的一些优化能够改善这一情况，想完全消除孔洞可能不太现实。在工艺参数设置不合理的情况下还会发生很大的翘曲，包括打印表面球化现象，在材料的测试和工艺上需要做很多的工作。

相比前几年，高强铝的市场机会还是很大的。如果你看好这个机会，前期必须做一些相关的投资和布局，需要多尝试以这样的心态去面对它，一旦市场上真正有批量需求的时候，前期做好了准备才能够很好地应对。

来源：霍尔榜公益直播