在鋁合金3D打印材料領(lǐng)域,高強(qiáng)鋁熱度頗高,不少行業(yè)從業(yè)者對(duì)這款材料翹首以盼。但就筆者所了解的情況來(lái)看,高強(qiáng)鋁的實(shí)際應(yīng)用可謂寥寥。造成這種現(xiàn)象一定是發(fā)生了什么問(wèn)題,那究竟是哪里出了問(wèn)題呢?本文試圖揭示這一狀況。
圖片(AlSi10Mg打印機(jī),壁厚0.8mm)
什么是3D打印高強(qiáng)鋁
高強(qiáng)鋁是相對(duì)于普通鋁合金而言的。如今,3D打印常用鋁合金AlSi10Mg的成熟度已經(jīng)非常高,對(duì)于一般的應(yīng)用場(chǎng)合能使用,但該材料的抗拉強(qiáng)度僅300MPa,屈服強(qiáng)度僅260MPa,強(qiáng)度較低,打印后的延伸率為4-6%,高使用溫度小于100℃,無(wú)論從性能上還是使用溫度上,都無(wú)法滿足航空航天鋁合金結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品高承載應(yīng)力的苛刻要求。因此,市場(chǎng)上迫切需要高強(qiáng)鋁的3D打印材料解決方案。
一個(gè)自然的想法是把傳統(tǒng)高強(qiáng)度的變形鋁合金(如2024、7075等)制成粉末,然后驗(yàn)證看能不能打印。但是很可惜,經(jīng)過(guò)驗(yàn)證,這條路是走不通的。因?yàn)橛蹭X的成分是基于傳統(tǒng)制造工藝來(lái)設(shè)計(jì)的,對(duì)于新興的這種增材制造的工藝并不適合。一個(gè)重要的原因是,增材制造的熔池在凝固時(shí)的冷卻速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)制造工藝(如鑄造),這就會(huì)帶來(lái)傳統(tǒng)的材料成分設(shè)計(jì)不能適合這種快速冷卻的環(huán)境而產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象。因此,必須為增材制造開(kāi)發(fā)專(zhuān)用材料。
江蘇永年激光正在測(cè)試國(guó)內(nèi)鋁業(yè)龍頭制備的7系航空高強(qiáng)鋁合金的3D打印性能,在探索通過(guò)對(duì)打印件進(jìn)行后處理的方式來(lái)改善打印的性能,并已取得了一定的進(jìn)展。
在這種背景下,空客的Scalmalloy應(yīng)運(yùn)而生了。這應(yīng)該是首個(gè)專(zhuān)為增材制造工藝開(kāi)發(fā)的且商業(yè)化運(yùn)用較為成功的一款材料,而Scalmalloy正是基于Al-Mg-Sc-Zr體系。應(yīng)該說(shuō)Al-Mg-Sc-Zr體系并不是空客率先開(kāi)發(fā)的,因?yàn)?/span>Al-Mg-Sc-Zr很早就在航空鋁材中得到應(yīng)用,但空客是個(gè)將這種材料體系應(yīng)用于增材制造且大獲成功的,并將這種粉末命名為Scalmalloy。據(jù)稱(chēng),空客為開(kāi)發(fā)這款材料歷時(shí)十年。
當(dāng)然,空客為了能獲得商業(yè)上的利益申請(qǐng)了多個(gè)國(guó)家的專(zhuān)利。在某種程度上,這個(gè)專(zhuān)利具有太大的寬泛性而讓后來(lái)者無(wú)法規(guī)避,這也是當(dāng)前高強(qiáng)鋁3D打印材料面臨的困境之一。
話說(shuō)回來(lái),因?yàn)?/span>AlSi10Mg的性能不夠,所以需要高強(qiáng)鋁,因?yàn)閭鹘y(tǒng)硬鋁的成分不能夠3D打印,所以必須為3D打印專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)高強(qiáng)鋁的成分。又因?yàn)榭湛吐氏瘸晒?shí)現(xiàn)了Al-Mg-Sc-Zr體系高強(qiáng)鋁的成功開(kāi)發(fā)并采取了專(zhuān)利制約的手段,所以后來(lái)者不得不另辟蹊徑,開(kāi)發(fā)新的高強(qiáng)鋁成分。所以什么是高強(qiáng)鋁?從廣義上講,3D打印高強(qiáng)鋁是指專(zhuān)為金屬增材制造工藝開(kāi)發(fā)的能實(shí)現(xiàn)室溫下抗拉強(qiáng)度不低于450MPa的一種高強(qiáng)度鋁合金3D打印材料,當(dāng)然延伸率也不能太低(應(yīng)不低于8%)。至于屈服強(qiáng)度的下限應(yīng)該設(shè)在哪,也是一個(gè)仁者見(jiàn)仁智者見(jiàn)智的問(wèn)題。比如,Scalmalloy將其下限定在470MPa,而寶航新材料的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)則將其定在520MPa。
因此,高強(qiáng)鋁的屈服強(qiáng)度至少2.25倍于AlSi10Mg,這就會(huì)帶來(lái)應(yīng)用范圍的急劇擴(kuò)大。甚至在某些場(chǎng)合可以替代鈦合金,因?yàn)殇X的密度僅為鈦的約60%。因此,Scamalloy在剛推出時(shí)就強(qiáng)調(diào)了其比強(qiáng)度與鈦相當(dāng),而質(zhì)量更輕的優(yōu)勢(shì)。
無(wú)論如何,空客走在了前面,后來(lái)者想要加入,無(wú)非是兩條路:一是在Al-Mg-Sc-Zr的體系上繼續(xù)優(yōu)化;一是開(kāi)辟新的成分。
走優(yōu)化路線的后來(lái)者,其實(shí)相當(dāng)于是在前人走過(guò)的路上繼續(xù)走下去。這樣成本相對(duì)低,風(fēng)險(xiǎn)也小,因?yàn)檫@被證明了是條正確的路,所需考慮的是成分如何優(yōu)化以及是否事實(shí)上造成了侵權(quán)。因?yàn)榭湛妥C明的是一種Al-Mg-Sc-Zr的成分體系,但是在具體元素的含量控制方面并不是沒(méi)有可做的空間和優(yōu)化的空間,比如Mg、Sc、Zr具體的成分范圍多少合適?要不要加入微量元素?如何保證材料成分的均勻性?做這樣優(yōu)化的工作并不能說(shuō)后來(lái)者沒(méi)有貢獻(xiàn),空客也不可能一個(gè)公司把這個(gè)成分體系里的所有成分都研究透。所以后來(lái)者沿這條路走是否造成侵權(quán),也是個(gè)值得討論的問(wèn)題,目前國(guó)內(nèi)多家單位和制造商均采用這個(gè)體系。
走辟新成分者,也取得了一些成果,大體有四個(gè)細(xì)分派別:
一是納米強(qiáng)化7075體系,這個(gè)早在2019年就被報(bào)導(dǎo)。由美國(guó)休斯研究實(shí)驗(yàn)室(HRL)開(kāi)發(fā)的鋯基納米顆粒形核的7075材料,被證明能夠避免易開(kāi)裂問(wèn)題,且強(qiáng)度超過(guò)600MPa,成為首個(gè)可用于增材制造的鍛造等效高強(qiáng)度鋁合金。但據(jù)筆者了解,雖然該材料體系已經(jīng)被作為一個(gè)新牌號(hào)列入鋁的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),但在商業(yè)化的應(yīng)用進(jìn)展上則較為有限。
二是Al-Mn-Sc體系,這個(gè)體系由莫納什大學(xué)吳鑫華院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)。這個(gè)材料被命名為Al250C,據(jù)稱(chēng)其抗拉強(qiáng)度超過(guò)600MPa,屈服強(qiáng)度可達(dá)580MPa,延伸率11%,且制備的構(gòu)件在250℃高溫下通過(guò)了持續(xù)5000小的穩(wěn)定試驗(yàn),相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)服役25年的要求。這個(gè)體系在國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了一些開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。
Al250C熱處理前后樣棒室溫力學(xué)性能
Al250C力學(xué)性能與其它鋁合金的對(duì)比
三是TiB2增強(qiáng)AlSi10Mg體系,這個(gè)體系由上海交通大學(xué)王浩偉教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)成功,可實(shí)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度530MPa,延伸率達(dá)到13.5%,已經(jīng)在民機(jī)項(xiàng)目上得到了應(yīng)用。該材料體系在商業(yè)化的運(yùn)作上投入較大,成立了專(zhuān)門(mén)的公司,建立了生產(chǎn)制造基地。
四是納米陶瓷增強(qiáng)AlCu體系,這個(gè)體系由英國(guó)鑄造公司Aeromet International推出,被命名為A20X,該材料經(jīng)熱處理后拉伸強(qiáng)度為511MPa,屈服強(qiáng)度為440MPa,延伸率為13%。該材料體系在商業(yè)上也獲得了較大推廣,國(guó)外不少設(shè)備商將其列為可用材料之一。
總結(jié)來(lái)看,國(guó)外市場(chǎng)高強(qiáng)鋁得到應(yīng)用推廣的主要是兩種材料,一個(gè)是Scalmalloy,一個(gè)是A20X。當(dāng)然也還有一些其他的材料體系(比如俄鋁推出來(lái)的不含Sc的高強(qiáng)鋁),可能也開(kāi)發(fā)出來(lái)了,但沒(méi)被報(bào)道或者影響力有限。就國(guó)內(nèi)高強(qiáng)鋁的市場(chǎng)而言,主要有Al-Mg-Sc-Zr、Al-Mn-Sc-Zr(Al250C)、AlSi10Mg/TiB2三個(gè)體系在形成銷(xiāo)售。此外,國(guó)內(nèi)某公司還提出了一種基于Al-Mg-Er-Zr的體系,未知效果究竟如何。
以上就是高強(qiáng)鋁3D打印材料的大概情況。
阻礙高強(qiáng)鋁應(yīng)用的是哪些因素
阻礙高強(qiáng)鋁應(yīng)用的原因主要有如下幾點(diǎn):
1)認(rèn)知問(wèn)題
阻礙新材料得到應(yīng)用的一個(gè)大問(wèn)題就是認(rèn)知問(wèn)題。因?yàn)橛脩?hù)并不知道有這樣高性能的材料出現(xiàn),或者不知道這樣高性能的材料具體表現(xiàn)如何(因?yàn)槭袌?chǎng)上總會(huì)存在著大量的夸大宣傳和奪人眼球的華而不實(shí)的東西),或者不知道怎么來(lái)用,或者又不知道從哪里購(gòu)買(mǎi)到。這當(dāng)然需要行業(yè)內(nèi)真正的從業(yè)者來(lái)宣傳、來(lái)推廣,來(lái)做些切實(shí)的工作,也有賴(lài)于用戶(hù)對(duì)新材料抱有好奇心,愿意去嘗試,去學(xué)習(xí)新知。
2)專(zhuān)利問(wèn)題
主要的是針對(duì)Al-Mg-Sc-Zr體系高強(qiáng)鋁的專(zhuān)利問(wèn)題,當(dāng)然Al-Mn-Sc體系或者其他體系,估計(jì)也會(huì)存在類(lèi)似問(wèn)題。但空客的這份專(zhuān)利問(wèn)題尤為突出??湛驮谥袊?guó)以空中客車(chē)防衛(wèi)和太空有限責(zé)任公司為申請(qǐng)人,申請(qǐng)了一份名為:用于粉末冶金技術(shù)的含鈧的鋁合金的專(zhuān)利(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮椋?/span>201611272966.6)。其專(zhuān)利對(duì)該含鈧鋁合金成分做了如下規(guī)定:
Mg: 0.5 -10 %;Sc: 0.1 - 30%;Zr: 0.05 - 1.5%;Mn: 0.01 - 1.5%
當(dāng)然還有一些其他微量元素。但是這樣的一份如此寬泛的范圍,可以說(shuō)違反了材料學(xué)的常識(shí)。因?yàn)槿绻麑?zhuān)利保護(hù)的是如此寬廣的范圍,那材料學(xué)所要進(jìn)行的成分研究可以說(shuō)毫無(wú)意義。實(shí)際上材料對(duì)成分是極為敏感的,一些元素的極小含量的改變都會(huì)造成材料性能的極大變化,這才使得進(jìn)行材料優(yōu)化這樣的工作具有實(shí)際意義。
但是空客的專(zhuān)利無(wú)疑是懸在頭頂?shù)囊话堰_(dá)摩克利斯之劍。你要使用這個(gè)材料體系,就繞不過(guò)它這個(gè)專(zhuān)利。這在某種程度上,是國(guó)外先進(jìn)的公司采取的一種限制競(jìng)爭(zhēng)者的手段。但我們已經(jīng)面臨太多類(lèi)似狀況了,所以用戶(hù)不敢輕易使用是可以理解的。但是這里仍需指出這樣的專(zhuān)利保護(hù)是有問(wèn)題的,或者至少是不妥的。
3)成本問(wèn)題
以Al-Mg-Sc-Zr高強(qiáng)鋁粉末材料為例,市場(chǎng)上其售價(jià)高達(dá)1500-2000元/kg,相比而言AlSi10Mg價(jià)格則不到400元/kg,而同期TC4的價(jià)格已經(jīng)低至1200元/kg。用戶(hù)會(huì)認(rèn)為,這個(gè)比鈦合金價(jià)格還高的高強(qiáng)鋁真的有應(yīng)用的必要嗎?這里需要解釋下Al-Mg-Sc-Zr高強(qiáng)鋁粉末成本高昂的原因。
主要的還是當(dāng)前需求量少,當(dāng)期攤銷(xiāo)成本就高昂下不來(lái)。其次是原材料價(jià)格貴,尤其是AlSc原材料,高達(dá)幾百元/kg,是常規(guī)鋁材料的幾十倍,而且受到國(guó)際形勢(shì)影響,現(xiàn)在鋁價(jià)也在持續(xù)上漲。再次是工藝成本,由于加入了高比例的合金元素,因此會(huì)造成成分的偏析和霧化的不順暢,這就造成產(chǎn)量的低下,單位成本自然過(guò)高。與此同時(shí),我們應(yīng)該客觀地看到,鈦合金在其應(yīng)用之初也高達(dá)2000-3000元/kg,甚至AlSi10Mg也高達(dá)1000元/kg。尤其是在進(jìn)口商一家獨(dú)大的情況下,材料價(jià)格更是居高不下。反之,正是由于國(guó)產(chǎn)材料商的加入和努力,3D打印材料的價(jià)格才越來(lái)越親民,與此同時(shí),應(yīng)用范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大。如果基于這一點(diǎn),行業(yè)也應(yīng)該團(tuán)結(jié)起來(lái),商量針對(duì)Al-Mg-Sc-Zr體系高強(qiáng)鋁專(zhuān)利的對(duì)策。
如果未來(lái)其市場(chǎng)需求量能達(dá)到上百?lài)嵓?jí),則筆者大膽預(yù)測(cè)Al-Mg-Sc-Zr體系高強(qiáng)鋁的價(jià)格可降至與鈦合金持平甚至更低。
4)打印工藝問(wèn)題
這個(gè)問(wèn)題涉及到實(shí)際的使用層面。當(dāng)然會(huì)有一部分先驅(qū)愿意去嘗試新的材料,但是這種Al-Mg-Sc-Zr材料的打印并不如AlSi10Mg那樣簡(jiǎn)單。雖然其工藝窗口較其他體系的高強(qiáng)鋁更為寬泛,但由于其含有較大含量的Mg(Mg是一種極易揮發(fā)的元素),因此在打印過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量黑煙。在工藝控制不好的時(shí)候,還會(huì)產(chǎn)生孔洞。關(guān)鍵的,這種材料在打印過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生大量細(xì)小的黑渣,而這就會(huì)在風(fēng)場(chǎng)控制不好的時(shí)候,沉積在打印層的粉末上,從而給后來(lái)的成形帶來(lái)性能隱患。此外,高強(qiáng)鋁顧名思義,其強(qiáng)度是很高的,但應(yīng)力也很大,要如何規(guī)避高應(yīng)力帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)?這就涉及零件在打印的時(shí)候需要考慮對(duì)模型做合適的擺放、需要加入合理的支撐,以及設(shè)定合適的熱處理制度和步驟。Al-Mg-Sc-Zr體系材料之所以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度,是因?yàn)樵摬牧显跓崽幚頃r(shí)生成了大量細(xì)小彌散的Al3Sc(Zr)相,其尺寸可達(dá)到納米級(jí)。因此該材料又不同于普通的AlSi10Mg。以上這些都是專(zhuān)業(yè)的知識(shí),非經(jīng)大量實(shí)際的摸索不足以理解這一材料體系。
從這里還可以看出,材料又和設(shè)備是相關(guān)的,因?yàn)椴煌脑O(shè)備會(huì)在激光、風(fēng)場(chǎng)、軟件、硬件等配置上存在或多或少的差別,這就造成雖然是同一種粉末,可能打印參數(shù)就不一樣。這就需要投入時(shí)間來(lái)根據(jù)特定設(shè)備做材料參數(shù)開(kāi)發(fā)的工作,這需要設(shè)備商的參與。
5)前期投入問(wèn)題
從以上的論述可以看出,高強(qiáng)鋁不只粉末材料價(jià)格高昂,且在打印開(kāi)發(fā)時(shí)還會(huì)面臨一系列的問(wèn)題,這都需要不低的前期投入。那對(duì)于一般的工業(yè)制造企業(yè)而言,在未來(lái)市場(chǎng)不明確的情況下,貿(mào)然投入一筆經(jīng)費(fèi)來(lái)做新材料的開(kāi)發(fā)確實(shí)會(huì)很有風(fēng)險(xiǎn)性。尤其是對(duì)于一些“老板式”的企業(yè)來(lái)說(shuō),更是如此,必須把每一筆錢(qián)用在刀刃上。因此,投入的動(dòng)力不足也是高強(qiáng)鋁遇冷的原因之一。
6)應(yīng)用范例問(wèn)題
應(yīng)用范例是高強(qiáng)鋁真正核心的問(wèn)題。就是作為一款高強(qiáng)度性能的材料,究竟在哪些地方能夠發(fā)揮它的作用?前面已經(jīng)談及這種材料價(jià)格偏高,因此必然把它的早期應(yīng)用,限制在一些對(duì)成本不敏感、但對(duì)性能有超高追求的領(lǐng)域,如航空航天。目前鋁在航空航天的應(yīng)用僅僅是一些非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件,或者散熱件,那高強(qiáng)鋁的問(wèn)世實(shí)際使得高強(qiáng)鋁具備了承擔(dān)結(jié)構(gòu)件的可能性。這樣的好處是顯而易見(jiàn)的,因?yàn)槭紫葞?lái)了減重,其次是3D打印工藝能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和一體化制造,帶來(lái)多方面的效益。但是這都需要我國(guó)的航空航天部門(mén)或單位多做一些探索性的工作,多給高強(qiáng)鋁一些應(yīng)用的機(jī)會(huì)。
有何破解之法
筆者認(rèn)為對(duì)于高強(qiáng)鋁,當(dāng)前面臨著四大爭(zhēng)論:
? 體系之爭(zhēng),這么多體系的高強(qiáng)鋁,到底哪一個(gè)是能夠走通的?
? 專(zhuān)利之爭(zhēng),選用Al-Mg-Sc-Zr或Al-Mn-Sc-Zr,會(huì)不會(huì)造成侵權(quán)?
? 價(jià)格之爭(zhēng),比鈦還高的價(jià)格,有誰(shuí)或者什么地方能用得起?真的有必要嗎?
? 投入之爭(zhēng),前期的投入不低,為什么要自己來(lái)投?何不等成熟的時(shí)候直接來(lái)用?
這些爭(zhēng)論看起來(lái)都是難以解決的,但是筆者認(rèn)為企業(yè)向來(lái)追求實(shí)用主義,這個(gè)東西到底有沒(méi)有用?能不能用?哪個(gè)好?拿來(lái)實(shí)際測(cè)試,實(shí)際做一做就可知真假了。真的假不了,假的也真不了,關(guān)鍵是能不能解決實(shí)際問(wèn)題?能不能帶來(lái)實(shí)際效果?
而對(duì)于投入問(wèn)題,筆者看法是這樣:對(duì)于一個(gè)新材料而言,始終存在著前期的投入成本。你敢先前一步去測(cè)試、去使用,就快人一步,也許就意味著建立了競(jìng)爭(zhēng)力。
作為行業(yè)內(nèi)專(zhuān)注于鋁合金3D打印材料的專(zhuān)業(yè)制造商,寶航新材料一直致力于為用戶(hù)提供多種鋁合金3D打印材料解決方案。高強(qiáng)鋁是公司的核心產(chǎn)品線之一。
寶航新材料主要基于Al-Mg-Sc-Zr體系生產(chǎn)制造高強(qiáng)鋁3D打印粉末,這是因?yàn)楣菊J(rèn)為這個(gè)材料體系成熟度高,具有市場(chǎng)前景性。公司已經(jīng)能夠批量生產(chǎn)制造屈服強(qiáng)度500MPa級(jí)、600MPa級(jí)的高強(qiáng)鋁粉末。
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此外,寶航新材料基于Al-Mg-Sc-Zr體系的高強(qiáng)鋁已有近三年的材料研發(fā)和打印工藝經(jīng)驗(yàn)。在新用戶(hù)使用高強(qiáng)鋁的時(shí)候,公司能夠提供打印和工藝參數(shù)方面的指導(dǎo),幫助用戶(hù)縮短高強(qiáng)鋁打印開(kāi)發(fā)的周期,并能盡快實(shí)現(xiàn)零件的打印。
公司開(kāi)發(fā)的高強(qiáng)鋁在多種金屬3D打印設(shè)備上均進(jìn)行了打印測(cè)試驗(yàn)證,包括:E-plus M260,E-plus M450,Farsoon M271,BLT S310,LiM M260, EOS M400等,公司正不斷的積累高強(qiáng)鋁在不同設(shè)備上的打印性能數(shù)據(jù),以期進(jìn)一步提升材料的穩(wěn)定性。
在高強(qiáng)鋁的應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面,公司也在積極的同國(guó)內(nèi)的一些設(shè)備商、打印服務(wù)商和應(yīng)用單位合作,與某單位合作成功開(kāi)發(fā)了某型號(hào)無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)高強(qiáng)鋁液壓缸缸體零件,實(shí)現(xiàn)了零件內(nèi)部復(fù)雜管道的設(shè)計(jì)和制造,達(dá)到設(shè)計(jì)性能要求,進(jìn)入服役階段。公司近日成功實(shí)現(xiàn)了某高強(qiáng)鋁零件的打印,成形外輪廓尺寸約為250mm,該零件順利通過(guò)了X射線檢測(cè)的無(wú)損探傷。下一步,寶航新材料也計(jì)劃與航空航天等應(yīng)用部門(mén)加強(qiáng)交流合作,推動(dòng)高強(qiáng)鋁的更多應(yīng)用。
一款新材料要真正得到應(yīng)用,需要更多的人關(guān)注、感興趣和實(shí)際應(yīng)用,在此筆者也希望國(guó)內(nèi)3D打印的專(zhuān)家、學(xué)者、工程師和使用單位能夠?qū)@款材料感興趣,多用它,用好它。
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