17组-不同金属材料的增材制造

不同金属材料的增材制造班级：8012汇报人:王程冬成员：李坚李翔何垚垚张鸿健陈子豪蔡崇文王程冬SLM即激光选区熔化工艺被誉为“王冠上的明珠”，也是被国际制造企业产业化应用最广泛的金属3D打印技术，目前，掌握在国人手中的金属3D打印原创技术太少，金属3D打印的设备和材料几乎全部控制在国外制造商手中，要突破3D打印技术，重点攻克高端打印材料及配套生产设备的研发，解决材料种类少、性能不能满足使用等问题。一方面需要提升现有工艺的效率、稳定性。另一方面需要研发针对特种金属、高分子、陶瓷等材料的新型打印工艺。西安铂力特SLM设备德国的ConceptLaser公司最新研发的Xline2000R设备，全球最大的激光3d打印机英国renishaw公司生产的AM500M设备以500W的光纤激光器作能量源，具有自动化的粉末和废物处理系统汇报人：张鸿健班级：8012材料对于3D打印的重要性适用于工业用3D打印的金属材料种类繁多，只有专用的金属材料才能满足要求，3D打印金属材料的发展方向主要有３个方面：1.如何在现有使用材料的基础上加强材料结构和属性之间的关系研究，2.研发新材料使其适用于３Ｄ打印，如开发耐腐蚀、耐高温和综合力学性能优异的新材料3.修订并完善３Ｄ打印粉体材料技术标准体系，实现金属材料打印技术标准的制度化和常态化汇报人：张鸿健班级：80123D打印所使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低，目前应用于3D打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、高熵合金、不锈钢、铁粉、铝粉和铝合金等少数几种，此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属材料。铝合金高熵合金钛合金不锈钢镍基合金05钴铬合金陶瓷01铝合金材料的SLM成型铝材料的简介铝是自然界中分布最广的金属元素。地壳中铝的含量约为8%(质量)，仅次于氧和硅，是地壳中含量最丰富的自然元素。优势：1.熔点低2.密度小3.可强化4.塑性好。缺陷：1.化学活性高。2.强度低，机械性能不佳。3.铝表面上极易生成致密而牢固的氧化铝薄膜，导致烧结困难。铝合金材料的优势及其应用铝合金材料具有密度轻、弹性好、比刚度和比强度高、耐磨耐腐蚀性好、抗冲击性好、导电导热性好、良好的成型加工性能以及高的回收再生性等一系列优良特性。•具有良好的导电性能——代替铜作为导电材料•具有良好的导热性能——是制造机器活塞、热交换器、饭锅和电熨斗等的理想材料•力学性能——建筑行业，航空航天、造船、石油及国防军工部门更需要高精尖铝合金材料•物理性能——超音速飞机约由70%的铝及其合金构成及船舶制造1.SLM成形铝合金容易氧化，需要严格的保护气环境。2.铝合金对激光有高反射性，通过添加新的物质减少反射率。3.铝合金也有高导热性，采用高功率激光快速扫描可一定程度上缓解这个问题。4.铝合金粉末密度低，自重比小，造成铺粉时的初装密度低。在SLM高能束激光扫描时容易冲击松装粉末，影响成形致密度铝合金SLM打印的现状现阶段SLM成形的铝合金材料主要集中在Al-Si-Mg系合金。AlSi10Mg在sem电镜下的形貌国内外学者对于铝合金的研究1.致密度：影响铝合金致密度的主要因素是气孔缺陷，其对成形结构的宏观性能有严重影响。目前通过优化工艺参数、表面重熔、粉末干燥、掺杂等方法，可在一定程度上抑制气孔的产生，提高铝合金结构致密度2.微观组织：它直接决定了成形结构的质量，主要采用掺杂、工艺优化、热处理等方式改善微观组织的一致性。3.力学性能：力学性能是评价成形质量的基础指标，决定ＳＬＭ工艺的可行性。目前对于铝合金ＳＬＭ成形结构力学性能的研究主要集中在疲劳和拉伸性能两方面。铝合金SLM的应用——汽车领域ConfluxTechnology是一家从事热和流体工程的企业，Conflux正在使用粉末床熔融金属3D打印技术制造创新型汽车热交换器。打印材料为AlSi10Mg。铝合金SLM的应用——航空航天领域空客就用Scalmalloy3D打印了一个机舱结构，成功帮助A320客机实现了瘦身。铝合金在增材制造的应用——生活领域瑞典Lund大学的OlafDiegel教授利用EOS公司的金属3D打印机制成的铝制吉他澳大利亚的3D打印无人机团队FusionImaging开发出铝制无人机，时速达到141公里/小时3D打印的铝制开瓶器02超高温高熵合金汇报人：陈子豪高熵合金定义众所周知，熵（entropy）是热力学上代表混乱度的一个参数，一个系统的混乱度W愈大，熵就愈大。将合金材料分为以下三类：1.以一种或两种元素为主要组成元素的低熵合金，即传统合金（ΔSmix1R）；2.包含两种到四种主要元素的中熵合金(1R≤Smix≤1.5R)；3.包含至少五种主要组成元素的高熵合金(Smix≥1.5R)。高熵合金：一般由五种或者五种以上主元素组成，每种元素按等原子比或者接近等原子比组成，为了拓宽合金设计的范围，高熵合金的每种主元的含量在5-35at.%之间。不同主元数目的合金在等摩尔时的混合熵R为摩尔气体常数：R=8.3144J/(mol.K)高熵合金定义元素数目N12345678910…2500.691.11.391.611.791.952.082.22.3….3.21∆𝑆𝑐𝑜𝑛𝑓=1.5R是高温时抵抗原子间强键合力的必要条件高熵合金特点和优势优势组织结构多元效应高熵合金高熵效应晶格畸变简单固溶体晶格常数变化细晶、非晶迟滞扩散效应高强度耐高温耐腐蚀抗蠕变更高的高温强度高熵合金特点和优势超高的相稳定性更好的性能稳定性高熵合金3D打印优势传统工艺方法缺点真空熔炼法铸态合金易出现内应力大、成分偏析、空隙以及缩孔等缺陷铸态合金的尺寸与形状受到限制难以调控高熵合金的组织和性能粉末冶金法模具设计周期长、成本高、产品尺寸较小、形状不宜复杂机械合金化法需对粉末进行后处理，使其进一步固结为块状，形状不宜复杂电化学沉积法只能获得较薄的涂层，且无法控制基体表面上晶核生长速度传统工艺方法制备高熵合金缺陷：1.缺乏高熔点金属熔炼、铸造所需的耐高温模具材料2.难以制造大尺寸、复杂结构高熔点高熵合金零部件3.难以保证高熔点高熵合金的微观组织和性能高熵合金3D打印优势3D打印高熵合金真空电弧熔炼高熵合金高熵合金满足Hall-Petch效应。即高熵合金晶粒尺寸的细化有助于提高合金的屈服强度，因此通过比较晶粒尺寸，可以判断3D打印的高熵合金在理论上屈服强度与塑性高于通过真空电弧熔炼制造的高熵合金。1.激光能量密度高，可以快速融化钨，铌，钽，铼等难熔金属材料；2.增材制造快速凝固的特性会使组织晶粒细小，成分微观偏析不明显，综合力学性能优异；3.结合五轴增减材复合功能，通过调整工艺参数可实现各类尺寸，不同结构零件的制造。高熵合金3D打印应用航空发动机涡轮叶片，推重比高达15-20，其使用温度逼近1900℃。对高熵合金成形过程的热应力与应变进行模拟，对激光功率、扫描速度等工艺窗口进行调整，在优化后的工艺窗口下进行选区激光熔化验证实验，成功制造了如图所示航空发动机涡轮叶片。SLM制造高熵合金涡轮叶片高熵合金3D打印展望高熔点高熵合金热防护涂层核工程领域核岛压力容器底托板，耐温应大于UO2熔点2800℃，具有耐辐照性，以有效包容融堆产生的放射性物质，同时还应有良好的力学性能和耐腐蚀性能；航天领域高超声速飞行器机体前端和翼面前缘，承受高动压和气动加热效应，温度达到1800℃。03钛合金SLM打印的应用汇报人：李翔主要内容1.钛及钛合金的性质；2.钛合金3D打印技术的应用领域；3.钛合金3D打印的研究现状；钛及钛合金的性质钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，以钛为基础加入其它元素组成钛合金，钛合金具有低密度、高强度、导热系数小、耐腐蚀、耐高温、生物相容性等特点。钛合金粉末球形粉末钛合金的SLM打印因其钛合金具有低密度、高强度、导热系数小、耐腐蚀、耐高温、导热率低、在加热时热量不会发散引起局部变形等优点，非常适合3D打印。3D打印钛合金的优点1.实现异行复杂结构形式，壁厚最薄可达0.3mm-0.4mm2.近净成型，精度可达0.05mm3.降低成本，缩短加工周期4.能够设计更改的成本降到最低钛合金SLM打印技术的应用领域主要是在医疗领域（牙科和骨科领域），航空航天领域，手板和模具领域。医疗叶轮模具牙科和骨科领域最初应用于临床的钛合金主要以纯Ti和Ti6Al4V为代表。但因Al、V等是对人体有害的元素，因而研究方向转至不含Al和V的新型β型钛合金，如TiZrNbSn[15]、Ti24Nb4Zr7.6Sn[16]等。骨科适合3D技术的有骨科手术辅助和骨置换体。牙科和骨科领域2014年4月，第四军医大学西京医院骨科郭征教授带领的团队完成亚洲首例钛合金3D打印骨盆肿瘤假体植入术，患者巨大肿瘤切除后的缺失骨盆得到精细化完美重建，解决了复杂部位骨肿瘤切除后骨缺损个体化重建的临床难题。2015年7月，第四军医大学唐都医院胸腔外科为一名胸骨肿瘤患者成功实施了3D打印钛合金胸骨植入手术，术后患者恢复良好，无任何并发症出现，这也成为世界首例3D打印钛合金胸骨植入术。牙科和骨科领域牙科具有个性化定制快速需求、轻量微型等突出特点，特别适合采用金属粉末(特别是钛合金)的3D打印技术，产品有牙冠、牙桥、舌侧正畸托槽、假牙支架、牙钉等。航空航天领域3D打印还可直接用于零部件的修复和制造。大大节约时间和成本。“轻量化”和“高强度”一直是航空航天设备制造和研发的主要目标，而由3D打印制造的金属零件则完全符合其对设备的要求。航空发动机用钛合金主要包括TC4、TA11、TC18等；在飞机机身的应用中较广泛的钛合金有TB8、TB6、TB9等航空航天领域比利时航空航天公司Sonaca与FMAS公司合作，为航空航天行业制造3D打印的钛合金零件。美国空军和马丁公司与Sciaky公司共同开发和制造3D打印的钛合金零件，该公司生产的襟副翼翼梁装备正在生产的F-35战斗机。我国也在该领域取得了较大成果。西工大用3D打印制造3米长用于国产C919飞机上的钛合金中央翼缘条。国产飞机C919钛合金中央翼缘条飞机翼肋钛合金3D打印的研究现状打印的金属零件内部存在气孔、裂纹、夹杂、未熔合等焊接缺陷，因此缺陷控制技术是金属3D打印技术研究的重要课题之一。以骨植入为例，钛及钛合金的杨氏模量与自然骨不匹配——钛合金杨氏模量要比自然骨大得多。SLM打印零件中的孔洞来源可能有以下几种：1)SLM功率不够或移动速度太快，金属粉末未完全熔敷就凝固；2)熔融金属凝固补缩不及时而形成；3)成型室内氧含量偏高，粉末熔化过程形成氧化物夹杂及气孔。不锈钢材料的SLM成形汇报人：张鸿健04不锈钢材料简介•不锈钢是以铁为主要成分的合金，在我们生活中有广泛应用。不锈钢的不锈性和耐蚀性是由于其表面上的富铬氧化膜，材质坚硬，还有多种颜色可选，常被用于SLM（选择性激光熔化）技术中。•不锈钢的特性：1.耐腐蚀性好2.强度高3.耐高温氧化，抗火灾4.塑性加工性好，焊接性好5.光洁度高，维护简单•不锈钢中的主要合金元素是Cr，只有当Cr含量达到一定值时，钢材有耐蚀性。因此，不锈钢一般Cr含量至少为10.5%。不锈钢中还含有Ni、Ti、Mn、Nb、Mo、Si、Cu等元素。SLM技术加工不锈钢的优势传统制造工艺（切削）加工不锈钢材料的难点•不锈钢材料强度大，加工时切削力大。而且导热性差，切削温度高，刀具容易磨损。•部分合金不锈钢在加工时加工硬化倾向大，刀具在加工硬化区域内切削，刀具寿命会缩短。•不锈钢均存在加工时切削强韧、切削温度很高的特点，当强韧的切削流经前刀面时，会产生黏结、熔焊等黏刀现象，影响加工零件表面的粗糙度。SLM技术加工不锈钢的优势•SLM技术加工不锈钢解决了传统切削方式加工的弊端。3D打印不锈钢材料使用SLM技术可制造不受几何形状限制的零部件，缩短了产品的开发制造周期，可快速高效地进行小批量复杂零部件的制造。•以3D打印不锈钢首饰为例，打印时间缩短40%以上，生产成本降低了20%以上，尤其对于复杂结构、小批量个性化的定制加工更加容易。研究现状•比利时的