替代中温钛合金,苏州倍丰与英美企业抢滩高强度铝合金3D打印

目前在航空航天领域,3D打印技术可以解决极端复杂的精密构件加工制造难题,在随形内流道、复杂薄壁、点阵镂空、复杂内腔、多部件集成等复杂结构问题上有先天优势,是3D打印技术快速发展的重要领域。

但在3D打印铝合金的应用中,由于传统铝合金的成形特点,大部分牌号不适用于3D打印。仅有适用于3D打印的几种铸铝牌号合金,由于其自身材料性能限制,无法适用于航空航天高端领域的大规模应用,难以满足高强、高温使用要求,因此大大限制了3D打印在航空航天减重上的应用需求。

 A20X_AerometAeromet用于增材制造的A20X粉末。来源:Aeromet

block 正在跨越门槛的铝合金3D打印

block 中国-苏州倍丰

根据中国日报,苏州倍丰创始人、澳大利亚工程院吴鑫华院士近日宣布,经过近两年的研究,吴院士领导莫纳什大学研究团队成功开发出了牌号为Al250C的高强高韧增材制造专用铝合金材料,为3D打印铝合金材料再添一名明星成员。Al250C是研究团队专门为3D 打印设计的材料,目前已经达到了批产和商业化使用阶段。

本次Al250C粉末产品的推出,立刻受到了包括美国通用,波音, 雷神, 赛峰等多家航空巨头的高度赞赏和重视。用该材料制作航空铝合金3D打印结构件,更有希望替代目前航空航天上的部分钛合金构件,达到航天航空领域降低重量与节约成本的目的。

该Al250C材料强度达到目前可用于3D打印的铝合金材料中最高水平,屈服强度可达580MPa,抗拉强度590MPa以上,延伸率可达11%,制备构件通过了250℃高温下持续5000小时的稳定试验, 相当于发动机常规服役25年的要求。之前市场上常用的铝合金AlSi10Mg和AlSi7Mg的屈服强度为260 MPa, 打印后的延伸率为4-6%,最高使用温度小于100℃,无论从性能上还是使用温度上,都无法满足航空航天铝合金产品的苛刻要求,

alAl250C材料与其他材料比较。来源:中国日报

而吴院士开发的Al250C的强度接近常用AlSi10Mg系铝合金材料强度的2倍。特别指出的是,该材料表现出了十分优异的高温使用寿命,对比目前适用于金属3D打印的Scalmalloy铝合金,其在250℃时的使用寿命仅为100小时,而Al250C在同样温度下的使用寿命超过5000小时,极大提高了使用寿命。

据悉,目前采用该高强铝合金材料所开发的航空散热结构件成功替代了传统采用钛合金制作的中温构件,大幅度减轻了该结构件的设计重量,成功帮助法国某型号发动机实现瘦身。

而在不久之前,苏州倍丰还刚刚利用该材料打印出了致密度、强韧性等性能指标良好的Al250C航空铝合金产品。同时,他们还会进一步研究Al250C生产工艺的优化及其极具潜力的规模化工业应用。

Part_Al250C3D打印Al250C材料所制造的零件。来源:中国日报

据介绍,研发团队通过了化学成分调整、后处理工艺优化等手段,采用自主拥有高强铝合金雾化凝固过程的控制技术和高纯气体雾化技术,生产出批次性稳定、性能优异的高强耐热该新型铝合金Al250C粉体材料,已经达到了商业化应用的标准

block 英国-Aeromet International

总部位于英国的铸造专家Aeromet International近日宣布,其专利的用于增材制造的铝合金粉末A20X所制造的零件已经超过500MPa的极限拉伸强度(UTS)。Aeromet 称,这一成就使的该铝合金材料成为“市售的用于增材制造的最强铝合金粉末之一”。

Part_A20X_Aeromet3D打印A20X铝合金材料所制造的零件。来源:Aeromet

该里程碑是进一步开发和优化A20X铝粉研究项目HighSAP的一部分。致力于优化增材制造的高强度铝合金粉末(HighSAP)项目涉及到航空发动机巨头Rolls-Royce-罗罗,英国金属3D打印机制造商Renishaw-雷尼绍和英国雾化专家Phoenix Scientific Industries(PSI)。HighSAP还得到了英国国家航空航天技术开发计划(NATEP)的支持。

A20X是一种铝 – 铜合金材料,具有精细的微观结构,与其他合金相比,具有“更高的强度,抗疲劳和优化的热性能。”目前已获得金属材料特性开发和标准化(MMPDS)和航空航天材料标准(AMS)的批准,该材料已被全球领先的航空铸造供应商采用。

Aeromet用于增材制造的A20X粉末源于其铝合金铸造合金,目前在测试中,3D打印的A20X粉末材料所制造的极限拉伸强度为511MPa,还超过了之前3D打印的A20X零部件所达到的477MPa极限拉伸强度的记录。

block 3D科学谷Review

3D科学谷在《一文看懂铝合金制造在3D打印领域的现状与发展态势》中谈到铝合金与3D打印技术存在多种结合方式,当然不同的金属3D打印技术存在着一定层面的竞争或互补关系。竞争的主旋律围绕着在提供高度的精度以及零件复杂性的同时,满足更高的效率和更低的成本。

铝合金的3D打印正在更多的“绑定”金属3D打印工艺,从而形成多样化的发展,并且带来了持续发展的机遇。由于粘结剂喷射金属3D打印工艺* (*参考资料: 一文看懂面向规模制造的粘结剂喷射高速金属3D打印技术态势与挑战)的后处理热加工过程容易导致铝合金燃烧,使得粘结剂喷射金属3D打印工艺在铝合金的加工方面目前不具备优势。而PBF(包括SLM/DMLS,EBM工艺)粉末床熔化金属3D打印成为铝合金更为理想的加工工艺 。

根据SmarTech,3D打印行业目前正在发生着两个显著的发展趋势,第一个是铝合金材料的全球供应链似乎已经“越过门槛”,成为支持增材制造技术的下一代机遇。铝合金的3D打印现在开始赶上镍,钢和钛。

在超过5,500种合金材料中,绝大多数材料仍无法通过金属3D打印技术制造。美国HRL 实验室发现影响合金材料在增材制造工艺中使用的原因是,打印过程中材料的熔融和凝固产生了具有大柱晶粒和周期性裂纹的微观结构。HRL 实验室的解决方案是通过在增材制造材料中引入纳米颗粒成核剂的方式来解决这一问题。

在用成核剂进行功能化之后,先前与增材制造制造不相容的高强度铝合金可以使用粉末床选择性激光熔化设备进行成功的加工。成型后的材料无裂纹,等轴(即,其长度,宽度和高度上的晶粒大致相等),美国HRL 实验室于2017年实现了细晶粒微观结构,并与锻造材料具有相当的材料强度。

替代中温钛合金的赛道上,3D科学谷看到中国,英国,美国纷纷不约而同的从开发材料以及与3D打印工艺结合的角度发力,根据SmarTech,铝合金产品的开发和商业化都在显着增加,为稳定及经济性的加工所打包的“流行锻造合金配方”(“popular wrought alloy formulations” )将继续发展,这是含有稀土元素的专用增材制造用特定合金,未来五年应该会看到这种材料更加多样化的3D打印市场机会。

部分内容来源:中国日报

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