行业洞察：高强铝3D打印材料体系、市场化历程及其应用现状

2023年4月10日

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2022年5月，笔者写了一篇关于高强铝的文章：《讲透3D打印高强铝究竟是什么材料？》，发布于3D打印技术参考。在该文章中，笔者指出高强铝面临着四大争论：体系之争、专利之争、价格之争、投入之争。如今时间过去快一年，市场上又发生了哪些深刻的变化呢？

我们先回顾下当前国际国内市场上推出的高强铝合金3D打印材料。本文所述的高强铝指的是用于SLM金属3D打印技术的粉末材料，不涉及丝材3D打印以及电子束3D打印。

高强铝3D打印材料市场化进程

在高强铝还未受到如此大关注的时候，英国Aeromet International Limited公司就推出了AM 205铝合金3D打印粉末。2017年8月，英国Renishaw公司和Aeromet公司宣布针对AM 205进行打印工艺参数开发和性能测试。AM 205是一种TiB2强化的AlCu合金，其成分符合AMS 4471标准，同时非常适合增材制造工艺。如今，时移事异，Aeromet已被Eckart收购，AM 205这一产品则并入Eckart公司AM业务A20X产品线。

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紧接着，引爆高强铝3D打印材料的是美国HRL实验室。2017年9月，HRL在Nature发表了《3D printing of high-strength aluminium alloys》，一时引起轰动。2019年4月，美国铝业协会（Aluminum Association）首次在全球推出铝粉增材制造行业标准“Purple Sheets”，HRL生产的高强度铝合金粉体成为首个通过标准的注册商品。2019年10月，HRL将开发的3D打印用高强7A77.60L铝合金正式投放市场。该材料因使用锆基纳米颗粒作为成核剂，避免了7075和6061铝合金在采用激光打印时出现的易开裂问题，并可实现细晶粒微观结构，强度超过600MPa，成为首个可用于增材制造的锻造等效高强度铝合金。紧接着美国NASA成为HRL的首个用户，并对该材料在航空航天大型部件的生产进行了评估研究。

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早在2013年，APWORKS就一直处于增材制造和先进材料的研发前沿。APWORKS成功开发出了Scalmalloy，这是一种新型高强度的铝-镁-钪合金，并于2016年5月推出了基于Scalmalloy的3D打印摩托车。2018年4月，APWORKS成为空客的全资子公司。进行资源整合后，空客针对在欧洲、美国、中国等地布局了保护性极强的专利。2020年9月，Scalmalloy粉末在中国开卖。

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2019年，倍丰科技创始人、澳大利亚工程院吴鑫华院士在美国里诺举行的国际航空材料大会上宣布，其研究团队成功开发出了牌号为Al250C的高温高强3D打印专用铝合金材料。尤其值得注意的是，采用该材料制备的航空零部件通过了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。

2017年8月，上海交通大学王浩伟教授团队研制出超强纳米陶瓷铝合金。这是一种原位生成的TiB2纳米强化铝合金材料，在实际打印的过程中，由于强化相TiB2是从基体中原位生长的，与基体之间的界面不存在润湿性的问题，能够形成强化学键，因此合金组织能够呈现平均晶粒尺寸＜500nm的超细晶结构，大幅强化了合金的综合力学性能，并使工件的组织表现出一流的各向同性性能。这一成果后续由产业化公司安徽陶铝新材料研究院有限公司承接。2021年4月，江苏威拉里新材料科技有限公司、上海交通大学王浩伟教授团队和安徽相邦复合材料有限公司三方深度合作，在材料体系开发和制粉工艺研究等方面进行了大量研究，成功开发出适用于3D打印的高性能陶铝复合材料粉末。其打印件的最大抗拉强度超过540MPa，最大断裂伸长率超过15%。

与此同时，国内相关团队和公司开始跟进高强铝3D打印材料的研发，大部分是基于Al-Mg-Sc-Zr体系做开发。这些团队和公司有：

2019年2月，长沙新材料产业研究院自主研发的高强铝合金粉末材料，成功通过“高强铝合金增材制造技术在大型客机和民用航天制造中的应用示范项目”参研单位——西北工业大学的性能验证，最终测试结果表明室温拉伸性能达540MPa以上，延伸率超过14%，完全满足项目对基础材料的性能指标要求。2020年9月，中车研究院成功研发出一种超高强3D打印铝合金粉末材料。该粉末材料经批量SLM打印验证，拉伸强度超560MPa，屈服强度超过500MPa，延伸率超10%。215℃高温强度超过260MPa，延伸率超过10%，并具有优良的耐腐蚀性能。目前已稳定生产并应用于轨道交通轻量化设计零部件的试制中，取得了极佳的减重和性能强化效果。江西宝航新材料有限公司、宁波众远新材料科技有限公司也分别推出了基于Al-Mg-Sc-Zr的高强铝粉末产品。

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2021年11月，EOS公司另辟蹊径，推出了2139 AM新品铝合金3D打印材料。EOS指出：该材料专为增材制造 (AM) 而设计，可在将近200ºC的高温下展现出色的性能，是EOS强度最高的 AM铝合金材料，其性能优于目前市场上的许多类似合金。EOS Aluminium Al2139 AM高强度特性为客户提供了一个极好的机会，可以在不影响强度的情况下显著减轻制造零件的重量。

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2022年12月，中航迈特宣布推出Al-Mg-Er-Zr高强铝合金粉末新品。中航迈特指出该成分突破了空客Scalmalloy专利成分封锁，拥有完全自主知识产权。

2023年3月，安徽中体新材料科技有限公司宣称和安徽工程大学联手研发低成本高强铝合金粉，推进金属3D打印领域技术创新。安徽中体指出，其联合安徽工程大学研究开发了Al-Ce铝合金系列材料，旨在提高合金的强度和塑性，进而拓展其在航天领域，汽车等领域应用，为轻量化材料的创新应用提供新的理论基础和实践指导。该系列高强铝合金材料材料易得，成本低，且生产稳定可控。

通过回顾我们能够发现，自2017年开始，高强铝3D打印材料的种类在逐渐增多，也不断有新的高强铝3D打印材料推向市场。下表列示了近年来市场上推出的高强铝3D打印材料及其性能。

表1近年来市场上推出的高强铝3D打印材料及其性能

（参考发布时资料）

序号	材料体系	牌号	推出公司	材料性能
序号	材料体系	牌号	推出公司	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	延伸率/%
1	Al-Cu-TiB2	AM205	Aeromet International	450-511	390-440	10-13
2	Al-Zn-Mg-Cu -Zr	7A77	HRL Additive	520-615	490-585	6-14
3	Al-Mg-Sc-Zr	Scalmalloy	Apworks	520	480	13
4	Al-Mg-Sc-Zr	HAlSc	长沙新材料产业研究院	535	510	12
5	Al-Mg-Sc-Zr	CRRC-HAP-1	中车研究院	560	500	10
6	Al-Mg-Sc-Zr	HS5501	江西宝航新材料有限公司	530	520	10
7	Al-Mn-Sc-Zr	Al250C	苏州倍丰智能科技有限公司	590	580	11
8	AlSi10Mg-TiB2	DF021	安徽陶铝新材料研究院有限公司	490-530	350-370	10-12
9	Al-Cu-Ag	AM 2139	EOS GmbH	520-540	460	4-6
10	Al-Mg-Er-Zr	HSAL-13	中航迈特增材科技（北京）有限公司	520	500	11-13
11	Al-Ce	Unknown	安徽中体新材料科技有限公司	Unknown	Unknown	Unkown

2023年3月31，中国航天增材制造技术高峰论坛在京举办。在论坛上西北工业大学谭华教授作了《高强铝合金激光选区熔化成形及民用航空航天应用》的报告。报告里系统分享了Al-Mg-Sc-Zr和AlSi10Mg-TiB2两种材料体系的力学性能、微观组织、打印工艺、成形零件特性以及相关示范应用，验证了这两种材料体系在民用航空领域的一种可行性。

但与此同时，虽然近两年航空航天市场对高强铝的呼声迫切，但并未看到高强铝的批量化应用，尤其是相较于钛合金、高温合金等材料的应用来看。所以我们不禁要反思：

市场究竟发生了什么？

第一点. 市场对成本的重视程度在加强。如今钛合金粉末的价格已经到600元/kg左右，这使得以Al-Mg-Sc-Zr为代表的1000元高价的高强铝，并不能充分赢得竞争。国内市场似乎在迫使高强铝的价格要降低至钛合金的价格甚至更低。

第二点. 国内企业对专利的重视度在加强。空客专利的严格保护迫使高强铝的研发制造商另辟蹊径。

第三点. 增材制造专用材料的开发似乎在越过瓶颈。首先Scalmalloy开了基于增材制造工艺设计铝合金成分的先河；其次人工智能技术的应用在加速新材料的研发。

第四点. 高强铝只是一个概念，其实质仍要回归到特定行业特定应用中来。很显然的，适合于航天场合使用的高强铝并不一定适用于航空场合，也并不一定适用于消费品场合。寄希望于一种合金能够在所有应用中通杀，这是不现实的。Scalmalloy 本身是Apworks基于航空应用场合而开发的，那么把它用到航天场合或许还行，但是用到其他行业，比如汽车领域就合适吗？而说回航天领域，其对静态载荷强度以及耐温方面有较高的要求，其对疲劳性能的要求则相对降低，因此航天领域是需要特定的高强铝3D打印材料的，而不一定就是Scalmalloy。

结论

在当下，各种材料体系都有机会，尤其是从成熟度、可获得性的角度，Al-Mg-Sc-Zr体系仍然是市场中的主流。但笔者倾向于未来属于那些能够做出真正创新产品的人或公司。尤其对中国市场来讲，新的结合应用的、低成本的、经验证可靠的高强铝3D打印材料仍然值得开发，并有望取得成果。本文作为一家之言，抛砖引玉，希望引起有识之士探讨。

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