冶金學(xué)突破：鍛造性能，HRL3D打印用高強(qiáng)度7A77.60L鋁粉投放市場(chǎng)
發(fā)布時(shí)間：
2023-01-11 12:45
鍛造的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)內(nèi)部致密且組織比較均勻的冶金結(jié)果，性能高于壓鑄件、切削及焊接件。鋁合金鍛造的目的主要是提高金屬塑性，降低變形抗力。對(duì)于可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，如硬鋁、鍛鋁(6061、7075等)和超硬鋁，淬火時(shí)效為最終的熱處理形式。
實(shí)現(xiàn)細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)，并與鍛造材料具有相當(dāng)?shù)牟牧蠌?qiáng)度，HRL實(shí)驗(yàn)室所開發(fā)的3D打印用高強(qiáng)度7A77.60L鋁粉正式投放市場(chǎng)，用戶可以直接向HRL購買這種鋁合金材料。
3D打印高強(qiáng)度鋁合金。來源：HRL
避免裂紋且實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度
當(dāng)使用鋁合金材料Al7075和Al6061的時(shí)候，在激光高能環(huán)境中進(jìn)行金屬3D打印會(huì)導(dǎo)致金屬部件遭受嚴(yán)重?zé)崃鸭y，HRL的研究人員在軟件和大數(shù)據(jù)的幫助下選擇了鋯基納米顆粒成核劑，并將它們組合到了7075和6061系列鋁合金粉末中。
3D打印高強(qiáng)度鋁合金用粉末材料。來源：HRL
成型后的材料無裂紋、等軸(即晶粒在長(zhǎng)度、寬度和高度上大致相等)，實(shí)現(xiàn)了細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)，并與鍛造材料具有相當(dāng)?shù)牟牧蠌?qiáng)度，3D打印的鋁合金材料平均屈服強(qiáng)度高達(dá)580 MPa，極限強(qiáng)度超過600 MPa，平均伸長(zhǎng)率超過8%。
在2017年成功開發(fā)出納米顆粒成核劑之后，HRL就面臨著如何在商業(yè)化這項(xiàng)技術(shù)的同時(shí)獲得技術(shù)保護(hù)的問題。2019年，HRL在美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)注冊(cè)了用于增材制造合金的鋁粉，HRL的注冊(cè)號(hào)為7A77.50，合金的注冊(cè)號(hào)為7A77.60L。
通過將材料商業(yè)化，HRL將3D打印鋁合金材料所獲得的高強(qiáng)度與設(shè)計(jì)的自由度實(shí)現(xiàn)了完美的結(jié)合。這種鋁合金材料適合高附加價(jià)產(chǎn)品加工領(lǐng)域，包括航空航天、汽車、石油與天然氣。
英國(guó)3D打印機(jī)供應(yīng)商雷尼紹(Renishaw)的選區(qū)激光熔化3D打印設(shè)備是首批證明能夠處理7A77的機(jī)器。基于雷尼紹的設(shè)備，用戶就可以專注于針對(duì)其獨(dú)特生產(chǎn)組件進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)。
隨著7075鋁合金在飛機(jī)制造中的普及，航空航天自然成為第一個(gè)開始利用HRL的7A77金屬粉末的行業(yè)。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，迄今HRL增材制造用鋁合金粉末在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用包括壓力容器，歧管，托架和其他機(jī)身零件的生產(chǎn)。飛機(jī)的按需維護(hù)也是一個(gè)特別有潛力的領(lǐng)域。當(dāng)然，這種材料在石油和天然氣、汽車和體育用品領(lǐng)域亦具有尚未開發(fā)的潛力。
由于強(qiáng)度不是工程應(yīng)用的唯一標(biāo)準(zhǔn)，因此HRL實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在正在提高7A77的耐腐蝕性，斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度。用于開發(fā)7A77的技術(shù)還被用于2000和6000系列鋁合金，實(shí)驗(yàn)室預(yù)計(jì)將在不久的將來投放市場(chǎng)。
3D科學(xué)谷Review
根據(jù)中國(guó)日?qǐng)?bào)，蘇州倍豐創(chuàng)始人、澳大利亞工程院吳鑫華院士領(lǐng)導(dǎo)莫納什大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出了牌號(hào)為Al250C的高強(qiáng)高韌增材制造專用鋁合金材料，為3D打印鋁合金材料再添一名明星成員。Al250C是研究團(tuán)隊(duì)專門為3D 打印設(shè)計(jì)的材料，已經(jīng)達(dá)到了批產(chǎn)和商業(yè)化使用階段。Al250C材料強(qiáng)度達(dá)到目前可用于3D打印的鋁合金材料中最高水平，屈服強(qiáng)度可達(dá)580MPa，抗拉強(qiáng)度590MPa以上，延伸率可達(dá)11%，制備構(gòu)件通過了250℃高溫下持續(xù)5000小時(shí)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。
而根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，總部位于英國(guó)的鑄造專家Aeromet International專利的用于增材制造的鋁合金粉末A20X所制造的零件已經(jīng)超過500MPa的極限拉伸強(qiáng)度(UTS)。Aeromet 稱，這一成就使的該鋁合金材料成為“市售的用于增材制造的最強(qiáng)鋁合金粉末之一”。A20X是一種鋁 – 銅合金材料，具有精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，與其他合金相比，具有“高的強(qiáng)度，抗疲勞和優(yōu)化的熱性能。”目前已獲得金屬材料特性開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化(MMPDS)和航空航天材料標(biāo)準(zhǔn)(AMS)的批準(zhǔn)，該材料已被全球領(lǐng)先的航空鑄造供應(yīng)商采用。
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，南京航空航天大學(xué)幾年前開發(fā)出基于SLM成形的鋁基納米復(fù)合材料，用于激光增材技術(shù)領(lǐng)域，有效的解決鋁基納米復(fù)合材料在激光增材過程中工藝性能與力學(xué)性能不匹配、增強(qiáng)顆粒分布不均勻以及陶瓷相與基材相之間潤(rùn)濕性較差的問題，使得所獲得的產(chǎn)品具備良好的界面結(jié)合以及優(yōu)異的力學(xué)性能。
總之，在3D科學(xué)谷看來，3D打印用高強(qiáng)度鋁合金材料的出現(xiàn)為原來必須通過鍛造來實(shí)現(xiàn)的零件加工打開了一扇嶄新的大門，結(jié)合3D打印所釋放的設(shè)計(jì)自由度，高強(qiáng)度鋁合金將在包括壓力容器、液壓歧管、托架、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域獲得想象力巨大的市場(chǎng)空間。關(guān)于3D打印在液壓領(lǐng)域的應(yīng)用前景與市場(chǎng)分析，延伸閱讀：《3D打印與液壓行業(yè)白皮書》（來源：3D科學(xué)谷）
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