2.4.2　3D打印金属典型材料的性能

目前国内外对3D打印钛合金，特别是Ti-6Al-4V的研究最为广泛和深入。研究结果表明，3D打印Ti-6Al-4V合金的室温静载力学性能能够全面达到锻件水平（见表2-6），并且经热等静压处理后其高周疲劳、断裂韧性等动载力学性能也与锻件相当。早在2000年，美国AeroMet公司采用基于同步送粉激光定向沉积技术生产的三个3D打印Ti-6Al-4V零件获准在实际飞机上使用，这三个零件分别是F-22上的一个接头件、F/A18-E/F的机翼翼根吊环以及F/A18-E/F上的一个用于降落的连接杆。此外，在生物医疗领域，3D打印制备的10余种Ti-6Al-4V植入体在2007年以后分别获得CE、FDA、CFDA和JFDA的认证，其中粉末床电子束选区熔化技术制备的Ti-6Al-4V髋臼杯全球临床应用数量已经超过10万例。

表2-6　不同3D打印方法制备Ti-6Al-4V合金室温力学性能

对于3D打印304L和316L奥氏体不锈钢，由于晶粒细化的缘故，虽然其屈服强度和抗拉强度普遍高于传统方法，但延伸率与传统方法还存在一定差距，如图2-21所示。2017年10月，美国劳伦斯国家实验室在Nature Materials报道了3D打印316L不锈钢的革命性突破，制备了微观形貌横跨6个尺度的多级结构316L不锈钢，其强度和塑性均大幅超过传统方法。对于17-4PH和15-5PH等沉淀硬化不锈钢，从已有报道来看，其综合力学性能与传统方法基本相当。

图2-21　直接能量沉积（DED）和粉末床熔融（PBF）304L和316L不锈钢性能与传统方法对比

国外对3D打印镍基高温合金的研究以Inconel 718和Inconel 625合金为主。从已有报道来看，3D打印Inconel 718和Inconel 625合金沉积态条件下室温力学与传统工艺还存在差距，经固溶时效热处理后其力学性能基本能够达到锻件水平，如表2-7所示。此外，对于可焊性较差的镍基高温合金，如CMSX-4、Inconel 738、Inconel 939合金，由于合金化程度较高，3D打印凝固过程中容易在枝晶间产生有害的低熔元素、化合物相或共晶偏析，在3D打印的快速加热和冷却导致的应力作用下，极易产生热裂等冶金缺陷，导致力学性能的降低。美国橡树岭国家实验室和德国Erlangen-Nürnberg大学通过电子束选区熔化成形工艺参数的优化，实现对Inconel 718和CMSX-4镍基高温合金显微组织的控制，德国Erlangen-Nürnberg大学制备了尺寸超过ϕ8mm×100mm的CMSX-4镍基合金单晶试样，如图2-22所示。

表2-7　金属3D打印Inconel 625和Inconel 718镍基高温合金力学性能

图2-22　德国Erlangen-Nürnberg大学采用SEBM技术制备的CMSX-4单晶

目前国内外对3D打印钴基合金的研究主要集中在生物医用CoCr28Mo6方面，3D打印技术以粉末床熔融技术为主。表2-8给出了激光和电子束粉末床熔融技术制备的Co28Cr6Mo和Co28Cr9W1.5Si合金的力学性能，尽管其存在明显的各向异性，但室温强度和塑性均能够达到ASTM F75标准规定的性能水平。

表2-8　粉末床熔融技术制备的Co28Cr6Mo和Co28Cr9W1.5Si合金的力学性能

目前国内外还没有相关3D打印铝合金的标准，研究以传统铸造铝合金如AlSi10Mg、AlSi12为主。从已有报道来看，激光粉末床熔融技术成形AlSi10Mg、AlSi12合金的强度和塑性达到甚至优于传统铸造工艺，但热处理后的力学性能与传统工艺还存在一定差距（见表2-9）。对于变形铝合金，2017年，美国HRL实验室在Nature报道了3D打印7075变形铝合金的革命性突破，通过在粉末原料表面修饰纳米形核剂，不仅有效解决了3D打印变形Al合金开裂的技术难题，而且制备的7075和6061铝合金的强度已接近锻造铝合金的水平。

表2-9　激光选区熔化成形AlSi10Mg合金的力学性能