3D打印(3D printing)又稱增材制造(Adding Manufacture或Additive Manufacturing，AM)，是一種前沿新興的快速成型制造技術(shù)，受到社會(huì)各界和國(guó)內(nèi)外媒體的廣泛關(guān)注，是一種以數(shù)字模型文字為基礎(chǔ)，采用金屬粉末或塑料等粘合材料，通過一層一層打印方式建造種種物體的技術(shù)。3D打印機(jī)于上世紀(jì)90年代中期面世，是一種用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置，與常規(guī)打印機(jī)工作原理大體相同，機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與計(jì)算機(jī)連接后，通過其控制把“打印材料”一層又一層疊加起來，把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)實(shí)在在的物體和機(jī)器。
3D打印過程可分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑特殊的“膠水”，然后均勻噴灑粉末，粉末遇到膠水會(huì)迅速固化，沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)，重復(fù)這一過程就會(huì)按藍(lán)圖打出實(shí)物。由于其分層加工過程三維與噴墨打印十分相似，所以被稱為3D打印，相應(yīng)的機(jī)器被稱為3D打印機(jī)。
3D打印材料除了塑料與陶瓷粒子外，金屬材料粉末如鋁、鈦、不銹鋼和高溫合金粉也是常用的。在3D打印工藝中，制造幾何形狀與結(jié)構(gòu)復(fù)雜的3D打印的粉末是常規(guī)的氣體霧化法制取的，小液滴在霧化過程受到急冷，形成細(xì)小晶粒，粉末的晶粒一般為20μm～30μm。目前，適合選擇激光熔化打印(SLM，selective laser melting)的鋁合金并不多，只有少數(shù)合金霧化粉未適于這種打印，才可以SLM法打印出沒有小孔和熱裂紋的產(chǎn)品，用的最多的是AISi10Mg合金，但它并不是為3D打印研發(fā)的鋁合金，是一種近共晶型的常規(guī)合金，由于含有不少的共晶，所以打印的產(chǎn)品中無細(xì)小的孔洞與熱裂紋，可見，發(fā)展適合SLM工藝3D打印的鋁合金是當(dāng)務(wù)之急。
近年來，研發(fā)成功一批適合3D打印的新型鋁合金，它們不會(huì)在產(chǎn)品中形成疏松(porosity)，也不會(huì)形成熱裂紋。發(fā)展3D打印用鋁合金的兩條戰(zhàn)略舉措：一是保證液滴高速凝固時(shí)能有足夠的熔體流入晶粒間縫隙內(nèi);二是形成的晶粒應(yīng)細(xì)小，為了達(dá)到第一個(gè)目的，應(yīng)確保合金有足夠的共晶。細(xì)晶粒產(chǎn)品既有高的強(qiáng)度，又有良好的塑性，同時(shí)還能改善熔體的流動(dòng)性，不會(huì)形成疏松和熱裂紋。在W.佛雷格納(Fragner)等制備的3D打印的含F(xiàn)e的合金晶粒圖中顯示，在含1.2%Fe的AlSi9Cu3MgFeZn合金(A380、A226)壓鑄件的顯微組織中，富Fe中間金屬相β-AlFeSi的尺寸達(dá)幾百μm;SLM工藝3D打印件的顯微組織，β-AIFeSi相的尺寸小于1μm。
在設(shè)計(jì)合金和生產(chǎn)工藝時(shí)最重要的是要保證熔體有高的冷卻速度，最好能達(dá)到104K/s～106K/s，即約為常規(guī)壓鑄冷卻速度的1000倍，在這種冷卻速度下，中間金屬相(IMPs，intermetalic phases)就會(huì)成為異質(zhì)晶核和阻礙晶粒長(zhǎng)大，可形成這種中間相的元素為Zr、Sc、Ti、SiC，它們形成的中間金屬相為：
Al+Zr→Al3Zr、Al+Sc→Al3Sc、Al+Sc+Zr→Al3(Sc，Zr)、7075合金中的Si→Mg2Si、5XXX合金中的Si→Mg2Si。
富鐵相是有害的，因?yàn)樗鼈兪购辖鸬乃苄韵陆担瑧?yīng)嚴(yán)格控制其量和尺寸。含1.2%Fe的AISi9Cu3MgFeZn(A380、A226)合金在較慢冷卻時(shí)(1K/s～10K/s)，相當(dāng)于壓鑄冷卻速度，組織中的β-AIFeSi相呈片狀或針狀，它的抗拉強(qiáng)度160MPa，伸長(zhǎng)率很低，只有0.7%，因?yàn)槠涓籉e中間相大到好幾百 μm，造成應(yīng)力集中。選擇性激光熔煉(SLM)合金的顯微組織，非常細(xì)密，富Fe中間相(IMP)尺寸小于1μm，力學(xué)性能大大改善，屈服強(qiáng)度220 MPa，伸長(zhǎng)率1.9%，甚至可達(dá)5.3%〔2〕。
由此可見，對(duì)選擇激光3D打印用鋁合金粉末來說，F(xiàn)e是一種有益的合金化元素，由于此工藝的冷卻速度很快，可形成細(xì)密的顯微組織。奧地利有色金屬公司(Amag)和其合作公司設(shè)計(jì)和制備了含F(xiàn)e量高的3D打印用的鑄造鋁合金和變形鋁合金，合金中的Fe、Mn含量大到使合金在選擇激光3D打印時(shí)的固相線溫度TsTMP比合金的液相線TL溫度還高一些或與其相近。這樣就能確保IMPS 3D打印零件具有細(xì)小的顯微組織與更好的力學(xué)性能。
根據(jù)Fe、Mn元素在鋁合金中的作用，奧地利有色金屬公司在制備一些性能憂良的選擇激光打印用的鋁合金時(shí)，不但應(yīng)精準(zhǔn)調(diào)控Fe、Mn的含量，而且還要很好地調(diào)制Si、Cu、Mg、Mn、Zn的含量。Amag公司推出的新型先進(jìn)高鐵3D打印鋁合金是以AA5083(AIMg4.5Mn0.55)合金為基準(zhǔn)的發(fā)展，并參考了AM合金Scalmalloy的成分，它是一種含有Sc+Zr的AA5083型合金，雖然有好的綜合性能，但價(jià)格高。5083合金是一種于上世紀(jì)30年代成型的合金，獲得了廣泛的應(yīng)用，至今仍是一種常用合金，其成分(質(zhì)量%)：Si0.40，F(xiàn)e0.40，Cu0.10，Mn0.40～1.0，Mg4.0～4.9，Cr0.05～0.25，Zn0.25，Ti0.15，其它雜質(zhì)單個(gè)0.05、合計(jì)0.15，其余Al，現(xiàn)在已形成有8個(gè)成員的大家族：5083、5183、5183A、5283、5283A、5283B、5383、5483。
新合金及比較的標(biāo)桿合金——Scalmalloy、低Fe(0.1%)的合金，以及含0.45%Zr的合金的化學(xué)成分見下表。合金A3的成分與Al合金的成分相似，但Fe含量很高，同時(shí)還調(diào)整了Mn含量。A2合金的成分與Scalmalloy合金的相似，但Fe含量卻高達(dá)0.7%。
在A1及A3合金的光學(xué)及電鏡顯微組織圖像實(shí)驗(yàn)中也可以清晰地顯示出：含1.3%Fe合金晶粒細(xì)小，A3合金也沒有可見的熱裂紋，說明Fe有很好的作用。A1合金的Fe含量很低，只有0.1%，晶粒粗大，且有熱裂紋。
在A3合金(1.3%Fe)的光學(xué)及電鏡顯微組織圖像中顯示，晶粒細(xì)小，F(xiàn)e(+Mn)相呈亞顯微結(jié)構(gòu)(submicroscoptically fine)，很細(xì)小，同時(shí)主要位于晶界，阻礙晶粒長(zhǎng)大，因而合金的晶粒細(xì)小，又沒有裂紋，力學(xué)性能好，各項(xiàng)指標(biāo)均居高位。A3合金晶粒細(xì)密，有很高的抗拉強(qiáng)度，A1合金的塑性低，伸長(zhǎng)率小，因?yàn)橛袩崃鸭y。
細(xì)晶粒的形成是Sc及Sc+Fe的功勞，A2合金的力學(xué)性能之所以比Scalmalloy合金的高是因?yàn)楹?.4% Fe。而Scalmalloy合金的Fe含量低，A3合金與Scamalloy合金有大體相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能，不過后一合金有昂貴的Sc，宜少用。而A3合金中的Fe是一種常用合金化元素，同時(shí)可由用的廢料中帶來。Scalmalloy在325℃/4h熱處理人工時(shí)效后具有很高的強(qiáng)度性能，屈服強(qiáng)度475MPa，抗拉強(qiáng)度520 MPa，而A3合金毫無時(shí)效反應(yīng)。
3D打印技術(shù)是一種萬(wàn)能的高精尖新興快速成形技術(shù)，受到各國(guó)和地區(qū)社會(huì)各界的熱切關(guān)注，中國(guó)在3D打印技術(shù)應(yīng)用、研發(fā)和推廣方面做了許多工作，在世界上率先打印出10m級(jí)2219鋁合金火箭發(fā)射燃料貯箱連接環(huán)。早在2015年8月，李克強(qiáng)總理就主持國(guó)務(wù)院專題講座討論加快發(fā)展先進(jìn)制造與3D打印等問題，近些年來，成就巨大，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有一些差距。本文所介紹的高鐵含量3D打印用的5XXX系鋁合金可能對(duì)感興趣的讀者有所幫助，尚未見我國(guó)在這方面研究成果的報(bào)道。
