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近日,相關報導顯示,鋁合金材料成為支持增材製造技術的下一代機遇,它正在飛速發展,追趕鎳合金,不鏽鋼和鈦合金。
根據SmarTech的數據顯示,鋁合金佔金屬3D列印中所有金屬粉末的消耗量(按體積計算)從2014年的5.1%逐漸提高到2026年的11.7%左右,鋁合金在汽車行業的10年複合增長率在51.2%。
鋁合金價格相比其他合金來說更便宜,但在3D列印加工過程中存在困難。就拿航空航天領域來說,鋁合金的應用一直存在著一些弊端。鋁合金雖然很輕,但在暴露於高於160°C的溫度的應用中往往表現不佳。它們會隨著時間的流逝而軟化和老化,因此航空航天領域會選擇相對較重的金屬,例如鋼或鈦。如何在提升鋁合金的性能,這是一個值得研究和突破的地方。
半個多世紀以來,科研人員已經完成了大量工作,以改善鋁合金的耐熱性,使鋁合金能夠承受更高的工作溫度而不會降低機械性能。今天,在世界範圍內,通過3D列印技術,新型的鋁合金材料在呈現出快速上升的開發態勢,更高的強度,替代中溫鈦合金的可能性。
在我國,已經有團隊成功開發出了牌號為Al250C的高強高韌增材製造專用鋁合金材料,該Al250C材料用於3D列印屈服強度可達580MPa,抗拉強度590MPa以上,延伸率可達11%,製備構件通過了250℃高溫下持續5000小時的穩定試驗, 相當於發動機常規服役25年的要求。
國際方面,高強度鋁合金的3D列印領域湧現出諸多的開發者,總部位於英國的鑄造專家Aeromet International其專利的用於增材製造的鋁合金粉末A20X所製造的零件已經超過500MPa的極限拉伸強度(UTS)。A20X是一種鋁 – 銅合金材料,具有精細的微觀結構,與其他合金相比,具有「更高的強度,抗疲勞和優化的熱性能。在測試中,3D列印的A20X粉末材料所製造的極限拉伸強度為511MPa
某交通行業企業嘗試通過3D列印熔模來鑄造鎂鋁合金,目的是實現飛機座椅的輕量化。這種座椅結構件適合任何標準的商用噴氣式飛機,預計可以通過減重為航空公司節約數百萬美元的成本。
美國方面,實現細晶粒微觀結構,並與鍛造材料具有相當的材料強度,HRL實驗室所開發的3D列印用高強度7A77.60L鋁粉於2019年10月正式投放市場,用戶可以直接向HRL購買這種鋁合金材料。當使用鋁合金材料Al7075和Al6061的時候,在雷射高能環境中進行金屬3D列印會導致金屬部件遭受嚴重熱裂紋,HRL的研究人員在軟體和大數據的幫助下選擇了鋯基納米顆粒成核劑,並將它們組合到了7075和6061系列鋁合金粉末中。成型後的材料無裂紋、等軸(即晶粒在長度、寬度和高度上大致相等),實現了細晶粒微觀結構,並與鍛造材料具有相當的材料強度,3D列印的鋁合金材料平均屈服強度高達580 MPa,極限強度超過600 MPa,平均伸長率超過8%。
3D列印用高強度鋁合金材料的出現徹底顛覆了傳統製作方式,它結合3D列印技術設計自由度,高強度鋁合金將在包括壓力容器、液壓歧管、託架、高強度結構件領域越走越遠。