在当前金属增材制造产业链中，材料端正在受到越来越高的关注，一方面是由于金属增材制造逐渐铺开带来了量的明显增长，更重要的是应用端正在牵引材料端进行更新换代，其中既包括粉体特性改进，也包括新成分的设计与应用。对于未来增材制造粉末产品开发而言，粉体制备技术与材料研究缺一不可。
作为我国有色金属行业综合实力雄厚的研究开发和高新技术产业培育机构，国资委直管中央企业，有研科技集团于2021年底整合旗下增材制造及特种粉体材料业务板块新设立有研增材技术有限公司并实现独立运营，其中有研粉材和康普锡威分别占股60%和20%，钢研投资占股20%。新公司以有研集团球形粉体制备技术、装备、人员为基础，将重点开发和生产增材制造金属粉体材料。有研集团在有色金属材料研究和球形粉体制备领域同时具备研发优势，本期3D打印技术参考将就有研增材部分重点产品进行介绍，突出粉体制备技术与材料研究在增材制造材料开发中的作用。
1.高流动性铝合金粉末
自铝合金应用于增材制造技术以来，其流动性问题一直受到关注，主要是由于铝合金密度轻，本身不易获得好的流动性，同时铝合金粉末形貌控制较其他合金难度要大。虽然当前主流粉末床工艺并非要求原料粉末必须具备霍尔流动性才能使用，但应用和制粉厂家都希望就铝合金粉末的流动性状态加以改善，以便获得更好的粉末均一性和工艺适应性。有研增材团队自2016年开始生产增材制造铝合金粉末，就相关制备技术开展了专项研究工作。2021年有研增材推出稳定工艺的高流动性铝合金粉末产品，粉末球形度高（＞95%）、流动性好（15-53μm霍尔流速约70s），松装密度高（≥1.45g/cm³），同时空心粉率控制在3‰以内，在航空航天、汽车等领域获得了批量应用。未来增材制造铝合金粉末制备技术研究仍将具有重要意义，一方面是金属增材制造转向流水线后将对粉末流动性等特性提出新的要求以适应流程自动化，另一方面是新的铝合金增材制造工艺对粉末特性还有不同要求，例如有望在汽车领域实现铝合金规模应用的粘结剂喷射工艺等。总体而言，未来高流动性铝合金粉末将在增材制造中有重要用途。
高流动性铝合金粉（来源：有研增材）
2. 高导电率纯铜粉末
相对于铜合金，纯Cu的优势是其导电和导热性，但由于纯Cu对常规1064nm波长激光吸收率较低，不易实现致密，因此其打印一直是一个难题。目前解决方法一是利用短波长激光，如TRUMPF的515nm绿色激光设备，另一个是提高激光器功率，但无论是哪种类型的设备和工艺，想要获得高致密度或者说高导电导热纯铜制件都需要原料粉末保持高纯净度，同时还具有更易实现致密化的粉末特性，如粒径分布合理、流动性好、松装密度高等特点。对于纯铜粉末制备而言，保持材料高纯度同时具备高球形度是追求目标。有研增材团队2021年针对纯Cu粉末制备开展了攻关工作，解决了纯Cu粉末高纯度与球形度的兼顾问题，推出了适用于选区激光熔化的高导电率纯Cu粉，粉末松装密度高于4.8g/cm³，流动性在15s/50g以内，制件导电率高于95%IACS。相关产品已在散热、导电件打印中取得重要应用。纯铜或高铜含量铜合金不易实现高球形度粉末制备，有研增材相关技术将在此类材料制备中体现优势。
3. AlCu系高强耐热铝合金粉末
高强铝合金是目前增材制造铝合金材料的迫切需求。随着增材制造转向实际产品，AlSi系合金性能已不能满足要求，但由于传统高强度铝合金牌号不完全适用于激光成型，由此才有了增材制造高强铝合金的成分设计与改进问题。目前增材制造高强铝已有几类改进成分，如空客专利产品Scalmalloy，澳大利亚莫纳什大学的AlMnScZr，美国HRL的7A77.60L等，但相对于广泛的铝合金产品需求来讲，现有增材制造高强铝材料仍显单一。在传统工业制造中，铝合金是应用最广的有色金属材料，各类不同强度、刚度、硬度、耐热、耐腐蚀性能的铝合金牌号众多。未来，增材制造铝合金材料也将依据综合性能要求形成不同体系，而不仅限于强度一个维度。有研增材团队在高强铝方面持续关注高强、耐热、耐腐蚀材料开发，2021年与集团内部单位有色金属材料制备加工国家重点实验室合作开发了适用于增材制造的AlCu系高强耐热铝合金产品，200℃条件下抗拉强度大于400MPa，有望成为增材制造高强铝合金中一类重要新产品。有研集团有色金属材料制备加工国家重点实验室是国内铝合金材料的重点研究单位，在有色金属结构材料强韧化理论，航空航天飞行器制造用高强高韧铝合金，汽车轻量化制造用新型铝合金材料开发方面具有雄厚实力。
增材制造高强铝材料相关研究（来源：相关文献）
4. 适用于模具行业的高强高导铜合金粉末
在模具行业，铜合金也是一类广泛应用的材料。当前模具钢材料的随形水路打印已经取得广泛应用，未来更高导热属性的铜合金随形水路模具同样具备应用潜力。SLM Solutions公司于2019年推出适用于模具制造的CuNi2SiCr产品，该材料是一种可热处理的硬化合金，具备高强度以及导热导电性能的平衡组合，同时合金中包括镍和硅，具有很高的耐腐蚀和耐磨性。CuNi2SiCr本身不是一个新成分，该材料对应美标C18000合金。有研增材团队在2020年开展了CuNi2SiCr产品的开发工作，对于粉体特性和热处理工艺对该材料强度、硬度、热导率的影响规律做了细致研究，形成了该材料的制备工艺标准、打印参数包和热处理工艺制度。值得一提的是，相比于其他材料，成分和热处理工艺对打印性能产生的影响属铜合金波动最大。有研集团在上世纪90年代初就对CuNiSiCr系合金开展了研究开发工作，对此类材料的成分设计与应用有深入研究。有研增材以此为基础对CuNi2SiCr产品做了成分改进并开发了相应热处理制度才将屈服强度稳定在550Mpa以上同时保持相应硬度和热导率指标以满足模具制造要求。
END
目前金属增材制造材料正处于更新迭代之中，未来将会有更广泛的新材料乃至增材制造专用材料投入使用。在推进材料更新换代的过程中，材料研究与粉体制备技术缺一不可，尤其是材料研究在增材制造产品开发中所起的作用愈发明显，这一点国外厂家优势明显。近年来，国产材料厂家已经注意到这一转变并开展了相关工作，相信在国产厂家不断发展以及行业内单位共同合作的趋势下，未来国产材料能够在高性能增材制造材料领域实现反超并建立领先地位。
