2022年5月，筆者寫了一篇關(guān)于高強(qiáng)鋁的文章：《講透3D打印高強(qiáng)鋁究竟是什么材料？》，發(fā)布于3D打印技術(shù)參考。在該文章中，筆者指出高強(qiáng)鋁面臨著四大爭(zhēng)論：體系之爭(zhēng)、專利之爭(zhēng)、價(jià)格之爭(zhēng)、投入之爭(zhēng)。如今時(shí)間過(guò)去快一年，市場(chǎng)上又發(fā)生了哪些深刻的變化呢？

我們先回顧下當(dāng)前國(guó)際國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上推出的高強(qiáng)鋁合金3D打印材料。本文所述的高強(qiáng)鋁指的是用于SLM金屬3D打印技術(shù)的粉末材料，不涉及絲材3D打印以及電子束3D打印。

高強(qiáng)鋁3D打印材料市場(chǎng)化進(jìn)程

在高強(qiáng)鋁還未受到如此大關(guān)注的時(shí)候，英國(guó)Aeromet International Limited公司就推出了AM 205鋁合金3D打印粉末。2017年8月，英國(guó)Renishaw公司和Aeromet公司宣布針對(duì)AM 205進(jìn)行打印工藝參數(shù)開發(fā)和性能測(cè)試。AM 205是一種TiB2強(qiáng)化的AlCu合金，其成分符合AMS 4471標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)非常適合增材制造工藝。如今，時(shí)移事異，Aeromet已被Eckart收購(gòu)，AM 205這一產(chǎn)品則并入Eckart公司AM業(yè)務(wù)A20X產(chǎn)品線。

緊接著，引爆高強(qiáng)鋁3D打印材料的是美國(guó)HRL實(shí)驗(yàn)室。2017年9月，HRL在Nature發(fā)表了《3D printing of high-strength aluminium alloys》，一時(shí)引起轟動(dòng)。2019年4月，美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)（Aluminum Association）首次在全球推出鋁粉增材制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“Purple Sheets”，HRL生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋁合金粉體成為首個(gè)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的注冊(cè)商品。2019年10月，HRL將開發(fā)的3D打印用高強(qiáng)7A77.60L鋁合金正式投放市場(chǎng)。該材料因使用鋯基納米顆粒作為成核劑，避免了7075和6061鋁合金在采用激光打印時(shí)出現(xiàn)的易開裂問(wèn)題，并可實(shí)現(xiàn)細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)，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。緊接著美國(guó)NASA成為HRL的首個(gè)用戶，并對(duì)該材料在航空航天大型部件的生產(chǎn)進(jìn)行了評(píng)估研究。

早在2013年，APWORKS就一直處于增材制造和先進(jìn)材料的研發(fā)前沿。APWORKS成功開發(fā)出了Scalmalloy，這是一種新型高強(qiáng)度的鋁-鎂-鈧合金，并于2016年5月推出了基于Scalmalloy的3D打印摩托車。2018年4月，APWORKS成為空客的全資子公司。進(jìn)行資源整合后，空客針對(duì)在歐洲、美國(guó)、中國(guó)等地布局了保護(hù)性極強(qiáng)的專利。2020年9月，Scalmalloy粉末在中國(guó)開賣。

2019年，倍豐科技創(chuàng)始人、澳大利亞工程院吳鑫華院士在美國(guó)里諾舉行的國(guó)際航空材料大會(huì)上宣布，其研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出了牌號(hào)為Al250C的高溫高強(qiáng)3D打印專用鋁合金材料。尤其值得注意的是，采用該材料制備的航空零部件通過(guò)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。

2017年8月，上海交通大學(xué)王浩偉教授團(tuán)隊(duì)研制出超強(qiáng)納米陶瓷鋁合金。這是一種原位生成的TiB2納米強(qiáng)化鋁合金材料，在實(shí)際打印的過(guò)程中，由于強(qiáng)化相TiB2是從基體中原位生長(zhǎng)的，與基體之間的界面不存在潤(rùn)濕性的問(wèn)題，能夠形成強(qiáng)化學(xué)鍵，因此合金組織能夠呈現(xiàn)平均晶粒尺寸＜500nm的超細(xì)晶結(jié)構(gòu)，大幅強(qiáng)化了合金的綜合力學(xué)性能，并使工件的組織表現(xiàn)出一流的各向同性性能。這一成果后續(xù)由產(chǎn)業(yè)化公司安徽陶鋁新材料研究院有限公司承接。2021年4月，江蘇威拉里新材料科技有限公司、上海交通大學(xué)王浩偉教授團(tuán)隊(duì)和安徽相邦復(fù)合材料有限公司三方深度合作，在材料體系開發(fā)和制粉工藝研究等方面進(jìn)行了大量研究，成功開發(fā)出適用于3D打印的高性能陶鋁復(fù)合材料粉末。其打印件的最大抗拉強(qiáng)度超過(guò)540MPa，最大斷裂伸長(zhǎng)率超過(guò)15%。

與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)相關(guān)團(tuán)隊(duì)和公司開始跟進(jìn)高強(qiáng)鋁3D打印材料的研發(fā)，大部分是基于Al-Mg-Sc-Zr體系做開發(fā)。這些團(tuán)隊(duì)和公司有：

2019年2月，長(zhǎng)沙新材料產(chǎn)業(yè)研究院自主研發(fā)的高強(qiáng)鋁合金粉末材料，成功通過(guò)“高強(qiáng)鋁合金增材制造技術(shù)在大型客機(jī)和民用航天制造中的應(yīng)用示范項(xiàng)目”參研單位——西北工業(yè)大學(xué)的性能驗(yàn)證，最終測(cè)試結(jié)果表明室溫拉伸性能達(dá)540MPa以上，延伸率超過(guò)14%，完全滿足項(xiàng)目對(duì)基礎(chǔ)材料的性能指標(biāo)要求。2020年9月，中車研究院成功研發(fā)出一種超高強(qiáng)3D打印鋁合金粉末材料。該粉末材料經(jīng)批量SLM打印驗(yàn)證，拉伸強(qiáng)度超560MPa，屈服強(qiáng)度超過(guò)500MPa，延伸率超10%。215℃高溫強(qiáng)度超過(guò)260MPa，延伸率超過(guò)10%，并具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。目前已穩(wěn)定生產(chǎn)并應(yīng)用于軌道交通輕量化設(shè)計(jì)零部件的試制中，取得了極佳的減重和性能強(qiáng)化效果。江西寶航新材料有限公司、寧波眾遠(yuǎn)新材料科技有限公司也分別推出了基于Al-Mg-Sc-Zr的高強(qiáng)鋁粉末產(chǎn)品。

2021年11月，EOS公司另辟蹊徑，推出了2139 AM新品鋁合金3D打印材料。EOS指出：該材料專為增材制造 (AM) 而設(shè)計(jì)，可在將近200oC的高溫下展現(xiàn)出色的性能，是EOS強(qiáng)度最高的 AM鋁合金材料，其性能優(yōu)于目前市場(chǎng)上的許多類似合金。EOS Aluminium Al2139 AM高強(qiáng)度特性為客戶提供了一個(gè)極好的機(jī)會(huì)，可以在不影響強(qiáng)度的情況下顯著減輕制造零件的重量。

2022年12月，中航邁特宣布推出Al-Mg-Er-Zr高強(qiáng)鋁合金粉末新品。中航邁特指出該成分突破了空客Scalmalloy專利成分封鎖，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

2023年3月，安徽中體新材料科技有限公司宣稱和安徽工程大學(xué)聯(lián)手研發(fā)低成本高強(qiáng)鋁合金粉，推進(jìn)金屬3D打印領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新。安徽中體指出，其聯(lián)合安徽工程大學(xué)研究開發(fā)了Al-Ce鋁合金系列材料，旨在提高合金的強(qiáng)度和塑性，進(jìn)而拓展其在航天領(lǐng)域，汽車等領(lǐng)域應(yīng)用，為輕量化材料的創(chuàng)新應(yīng)用提供新的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。該系列高強(qiáng)鋁合金材料材料易得，成本低，且生產(chǎn)穩(wěn)定可控。

通過(guò)回顧我們能夠發(fā)現(xiàn)，自2017年開始，高強(qiáng)鋁3D打印材料的種類在逐漸增多，也不斷有新的高強(qiáng)鋁3D打印材料推向市場(chǎng)。下表列示了近年來(lái)市場(chǎng)上推出的高強(qiáng)鋁3D打印材料及其性能。

2023年3月31，中國(guó)航天增材制造技術(shù)高峰論壇在京舉辦。在論壇上西北工業(yè)大學(xué)譚華教授作了《高強(qiáng)鋁合金激光選區(qū)熔化成形及民用航空航天應(yīng)用》的報(bào)告。報(bào)告里系統(tǒng)分享了Al-Mg-Sc-Zr和AlSi10Mg-TiB2兩種材料體系的力學(xué)性能、微觀組織、打印工藝、成形零件特性以及相關(guān)示范應(yīng)用，驗(yàn)證了這兩種材料體系在民用航空領(lǐng)域的一種可行性。

但與此同時(shí)，雖然近兩年航空航天市場(chǎng)對(duì)高強(qiáng)鋁的呼聲迫切，但并未看到高強(qiáng)鋁的批量化應(yīng)用，尤其是相較于鈦合金、高溫合金等材料的應(yīng)用來(lái)看。所以我們不禁要反思：

市場(chǎng)究竟發(fā)生了什么？

第一點(diǎn). 市場(chǎng)對(duì)成本的重視程度在加強(qiáng)。如今鈦合金粉末的價(jià)格已經(jīng)到600元/kg左右，這使得以Al-Mg-Sc-Zr為代表的1000元高價(jià)的高強(qiáng)鋁，并不能充分贏得競(jìng)爭(zhēng)。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)似乎在迫使高強(qiáng)鋁的價(jià)格要降低至鈦合金的價(jià)格甚至更低。

第二點(diǎn). 國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)專利的重視度在加強(qiáng)。空客專利的嚴(yán)格保護(hù)迫使高強(qiáng)鋁的研發(fā)制造商另辟蹊徑。

第三點(diǎn). 增材制造專用材料的開發(fā)似乎在越過(guò)瓶頸。首先Scalmalloy開了基于增材制造工藝設(shè)計(jì)鋁合金成分的先河；其次人工智能技術(shù)的應(yīng)用在加速新材料的研發(fā)。

第四點(diǎn). 高強(qiáng)鋁只是一個(gè)概念，其實(shí)質(zhì)仍要回歸到特定行業(yè)特定應(yīng)用中來(lái)。很顯然的，適合于航天場(chǎng)合使用的高強(qiáng)鋁并不一定適用于航空?qǐng)龊?，也并不一定適用于消費(fèi)品場(chǎng)合。寄希望于一種合金能夠在所有應(yīng)用中通殺，這是不現(xiàn)實(shí)的。Scalmalloy 本身是Apworks基于航空應(yīng)用場(chǎng)合而開發(fā)的，那么把它用到航天場(chǎng)合或許還行，但是用到其他行業(yè)，比如汽車領(lǐng)域就合適嗎？而說(shuō)回航天領(lǐng)域，其對(duì)靜態(tài)載荷強(qiáng)度以及耐溫方面有較高的要求，其對(duì)疲勞性能的要求則相對(duì)降低，因此航天領(lǐng)域是需要特定的高強(qiáng)鋁3D打印材料的，而不一定就是Scalmalloy。

結(jié)論

在當(dāng)下，各種材料體系都有機(jī)會(huì)，尤其是從成熟度、可獲得性的角度，Al-Mg-Sc-Zr體系仍然是市場(chǎng)中的主流。但筆者傾向于未來(lái)屬于那些能夠做出真正創(chuàng)新產(chǎn)品的人或公司。尤其對(duì)中國(guó)市場(chǎng)來(lái)講，新的結(jié)合應(yīng)用的、低成本的、經(jīng)驗(yàn)證可靠的高強(qiáng)鋁3D打印材料仍然值得開發(fā)，并有望取得成果。本文作為一家之言，拋磚引玉，希望引起有識(shí)之士探討。

注：本文內(nèi)容由3D打印技術(shù)參考整理編輯，轉(zhuǎn)載請(qǐng)點(diǎn)擊轉(zhuǎn)載須知。