目前在鋁合金3D打印領(lǐng)域，可用的材料非常有限，主流的材料可能就是AlSi10Mg、AlSi7Mg一些鋁硅系的合金材料。但是高強(qiáng)度的合金材料基本上很少得到應(yīng)用。這幾年，高強(qiáng)鋁的呼聲一直很高，不管是航空航天，還是其它一些高附加值的領(lǐng)域。
鋁合金3D打印粉末已經(jīng)成為金屬3D打印的一種主流材料，但可用的材料體系或種類非常有限，主要集中在AlSi10Mg材質(zhì)，AlSi7Mg少量有一些。傳統(tǒng)變形系牌號(hào)（如2024、6061、7075等）的鋁合金材料并不能直接用于3D打印領(lǐng)域，造成了鋁合金材料的種類非常有限。航空航天等一些對(duì)高強(qiáng)度有要求的應(yīng)用場(chǎng)合，非常期待能夠有一種高強(qiáng)度的材料。
鋁，特殊的優(yōu)勢(shì)是比較輕質(zhì)，耐腐蝕性能好，不需要去做一些表面的涂層等等。在3D打印領(lǐng)域可用的主要是AlSi10Mg，強(qiáng)度非常有限。EOS-AlSi10Mg技術(shù)指標(biāo)書 T6處理態(tài)，屈服強(qiáng)度才250 MPa。
航空航天領(lǐng)域常用的像7075牌號(hào)的鋁合金，它的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)都是在480 Mpa以上，延伸率也有7%。所以，傳統(tǒng)的AlSi10Mg材質(zhì)并不能夠滿足高強(qiáng)度的應(yīng)用場(chǎng)合，在這種背景下，我們需要去開發(fā)高強(qiáng)度的鋁合金。

經(jīng)過(guò)3D打印工藝，材料的屈服≥450 MPa，延伸率≥6%，我們稱為高強(qiáng)鋁。高強(qiáng)鋁對(duì)標(biāo)傳統(tǒng)的一些硬鋁牌號(hào)，比如7075，7075的材料性能屈服是在480 MPa以上。3D打印工藝，也需要類似于7075材質(zhì)的材料。大部分高強(qiáng)鋁打印出來(lái)的屈服強(qiáng)度基本上在480MPa以上，但是AlSi10Mg、AlSi7Mg材質(zhì)做退火處理強(qiáng)度才200Mpa多，高強(qiáng)鋁打印出來(lái)的強(qiáng)度是AlSi10Mg的兩倍多。

鈦合金的強(qiáng)度很高，標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度是945MPa，跟鈦合金相比，高強(qiáng)鋁的強(qiáng)度只有接近鈦合金的二分之一。我們都知道鈦合金的密度大概在4.5左右，而鋁合金的密度大概在2.7，它的密度只有鈦合金的60%，在強(qiáng)度能夠滿足的情況下，鈦合金采用高強(qiáng)鋁替代能夠帶來(lái)40%的減重。
當(dāng)然還要考慮價(jià)格的因素，當(dāng)前高強(qiáng)鋁的價(jià)格可能比鈦合金（TC4材質(zhì)）相當(dāng)或者略高，如果考慮它的減重帶來(lái)的巨大收益，采用高強(qiáng)鋁還是很有優(yōu)勢(shì)的。跟常規(guī)AlSi10Mg比優(yōu)勢(shì)也非常明顯，它的強(qiáng)度是后者的近兩倍，能夠滿足更高強(qiáng)度的應(yīng)用場(chǎng)合。如果來(lái)替代AlSi10Mg，它能夠去發(fā)揮強(qiáng)度上的結(jié)構(gòu)潛力。目前高強(qiáng)鋁的挑戰(zhàn)在于價(jià)格，大概是AlSi10Mg的4~5倍。當(dāng)前的高強(qiáng)鋁著重用在一些需要減重且高附加值的場(chǎng)合，也有一些案例在逐步替代鈦合金。
按鋁合金的牌號(hào)來(lái)講，傳統(tǒng)鋁合金的牌號(hào)是從1~7系鋁合金，也有一些其他體系的牌號(hào)。1系鋁是純鋁，2系鋁是鋁銅合金，3系鋁是鋁錳合金，4系鋁是鋁硅合金， 5系鋁是鋁鎂合金，6系鋁是鋁硅鎂，7系是鋁鋅鎂銅。針對(duì)這幾個(gè)不同的材料體系，市面上也有不同的單位去開發(fā)了一些相應(yīng)的成分。
鋁銅系的主要有兩家公司，一家是英國(guó)的Aeromet International，早在2016-2017期間開發(fā)了鋁銅的牌號(hào)，最早是A20X系列用在鑄造的牌號(hào)。由于金屬3D打印技術(shù)的興起，這家公司針對(duì)金屬3D打印的用粉專門推出了AM205，它的強(qiáng)度屈服能夠穩(wěn)定在440，延伸13%，市場(chǎng)拓展比較好，主要跟一些原始設(shè)備制造商合作，此牌號(hào)也進(jìn)入到了F1賽車可選用的材料體系當(dāng)中。

另一家EOS公司去年推出了AM2139，主要成分體系含了鋁銅還含了一部分的銀。它的性能屈服也是能夠達(dá)到460 ，抗拉520，延伸4%，官方網(wǎng)站上能看到AM2139具體的性能。EOS既然能把AM2139放入產(chǎn)品系列，說(shuō)明這個(gè)材料體系已經(jīng)是經(jīng)過(guò)了充分的認(rèn)證。

鋁錳合金目前主要是由蘇州倍豐吳院士團(tuán)隊(duì)推出的Al250C，基于鋁錳的合金體系，也加入了鈧和鋯的一些成分。他們?nèi)y(cè)試了鋁錳體系在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域上一些高溫的場(chǎng)合，經(jīng)過(guò)高溫測(cè)試，發(fā)現(xiàn)它的高溫性能很好。
鋁硅體系是在AlSi10Mg的基礎(chǔ)上做一些改進(jìn)或改善，由上海交通大學(xué)王教授推出的二硼化鈦納米增強(qiáng)AlSi10Mg體系，核心技術(shù)是采用原位自身的方式來(lái)制備二硼化鈦增強(qiáng)AlSi10M錠，再把錠制成粉末。推廣做得很好，包括跟商飛在做一些應(yīng)用的推廣，打印出來(lái)的大件性能也能達(dá)到抗拉530，有的情況下它的強(qiáng)度更高，取決于不同材料的成分和工藝。
鋁鎂合金實(shí)際上是通過(guò)加入鈧和鋯的強(qiáng)化來(lái)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)，有很多公司也是基于鋁鎂鈧鋯體系來(lái)開發(fā)相應(yīng)的產(chǎn)品，比如空客推出的Scalmalloy。鋁鎂鈧鋯體系最早也是航空的一種材料，早期的牌號(hào)也是基于鋁鎂鈧鋯體系用于航空的板材，俄羅斯方面做了很多這方面的開發(fā)工作。空客大概在2010年左右開始做鋁鎂鈧鋯體系用于增材領(lǐng)域，大概在2014-2016年期間成功開發(fā)了Scalmalloy，他們做了很多的測(cè)試工作，包括Scalmalloy的力學(xué)性能，物理性能以及化學(xué)性能等，性能能夠穩(wěn)定在屈服強(qiáng)度480 MPa。

國(guó)內(nèi)針對(duì)這個(gè)體系也做了很多的開發(fā)工作，像長(zhǎng)沙院推出的HAlSc，屈服強(qiáng)度也是能夠穩(wěn)定在510以上，延伸率在12%以上。繼長(zhǎng)沙院之后，中車研究院也推出了CRRC-HAP-1，它的性能能夠穩(wěn)定達(dá)到屈服500，抗拉560，延伸10%。這些數(shù)據(jù)均來(lái)自于相關(guān)的報(bào)告，結(jié)果可能會(huì)有一些出入，因各家公司也在不斷地更新和完善自己的產(chǎn)品。寶航新材料也推出了HS5501高強(qiáng)鋁，測(cè)試的屈服強(qiáng)度穩(wěn)定在520，抗拉540，延伸12%以上。此外，鋁鎂合金的開發(fā)，像西工大、中南大學(xué)也做了很多鋁鎂鈧鋯體系的一些研究。

鋁鋅合金在高強(qiáng)鋁最早有迫切需求的時(shí)候，HRL實(shí)驗(yàn)室推出了7A77.60L，它大概的原理就是在其傳統(tǒng)的7系合金基礎(chǔ)上，對(duì)它的粉末進(jìn)行一個(gè)納米的修飾，能夠改善它的打印性能。有報(bào)道說(shuō)他們的強(qiáng)度能夠超過(guò)600 Mpa。他們突出的工作就是把這種材料命名了一個(gè)新的牌號(hào)，而且這個(gè)牌號(hào)已經(jīng)通過(guò)了美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)的認(rèn)定，HRL實(shí)驗(yàn)室也在推廣新牌號(hào)在一些領(lǐng)域的應(yīng)用。鋁鋅合金國(guó)內(nèi)也有一些公司在做開發(fā)，主要也是基于納米來(lái)修飾能夠改善它的打印性。
從可購(gòu)買性來(lái)看這幾種材料， 2系的鋁銅，英國(guó)公司的AM205，在國(guó)內(nèi)推廣比較少見，不確定有一些國(guó)外的進(jìn)口代理商能不能拿到他們的產(chǎn)品，能拿到產(chǎn)品的可能性較低。EOS公司的AM2139 ，應(yīng)該能夠拿到粉末產(chǎn)品，因推出時(shí)間不長(zhǎng)，不確定在中國(guó)有沒有這種粉末在銷售。鋁錳體系的通過(guò)倍豐公司應(yīng)該可以拿到粉末，但不確定他們是單獨(dú)來(lái)出售，還是要來(lái)打印這種零件，這個(gè)需要確定。鋁鎂鈧鋯體系可獲得性非常方便，空客的Scalmalloy國(guó)內(nèi)有代理商在賣。像長(zhǎng)沙院的HAlSc，中車研究院的CRRC-HAP-1以及寶航的HS5501合金粉末都是可以獲得的。HRL實(shí)驗(yàn)室的7A77.60L國(guó)內(nèi)好像沒有成熟的渠道能夠拿到。
2017年Smar Tech Publishing 報(bào)告顯示，新一代的 AM 專用合金（如 Scalmalloy ）將成為 AM 中需求量最大的鋁合金類型，引領(lǐng)生產(chǎn)應(yīng)用。高強(qiáng)鋁以輕質(zhì)高強(qiáng)的性能優(yōu)勢(shì)在航空、航天、汽車、散熱器等領(lǐng)域不斷擴(kuò)展應(yīng)用。
在航空?qǐng)龊希湛驮?015年率先推出利用Scalmalloy去打印機(jī)艙的座椅結(jié)構(gòu)，它突出的優(yōu)勢(shì)就是強(qiáng)度能夠滿足要求，同時(shí)也很輕質(zhì)，能夠幫助飛機(jī)實(shí)現(xiàn)瘦身。這個(gè)材質(zhì)的應(yīng)用或者案例有沒有在A30客機(jī)上實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)還有待確定。

國(guó)內(nèi)在航天領(lǐng)域也有一些案例，據(jù)航天增材云網(wǎng)報(bào)道，貴州天馬公司做了一個(gè)機(jī)器人手臂的零件，采用高強(qiáng)鋁突破了高強(qiáng)鋁合金打印成形困難，工藝窗口窄易出現(xiàn)氣孔和組織缺陷的問題，它的性能通過(guò)熱處理后屈服能夠達(dá)到≥500。

APWORKS是空客專門做增材領(lǐng)域的子公司，自從推出了Scalmalloy牌號(hào)就不斷在拓展材料在一些領(lǐng)域的應(yīng)用。在汽車這一塊，APWORKS與布加迪合作做出了汽車排氣尾管，也是利用這種高強(qiáng)度，一定的耐熱性能來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車部件的減重。利用空氣動(dòng)力學(xué)配置，產(chǎn)生更大的壓力，能夠增加車輛的敏捷性和動(dòng)態(tài)性能。

此外，空客還推出了新概念，輕量化電動(dòng)摩托車”輕騎手“。它是基于增材制造技術(shù)，加上Scalmalloy高強(qiáng)度的鋁合金試圖進(jìn)入電動(dòng)摩托車領(lǐng)域。當(dāng)時(shí)限量發(fā)售是50臺(tái)，單臺(tái)車價(jià)格是37萬(wàn)。我們可以看到，高強(qiáng)鋁在高附加值的一些應(yīng)用場(chǎng)合，它的輕便和特性是一種創(chuàng)新的業(yè)態(tài)模式。
賽車是一個(gè)追求高性能、高表現(xiàn)的領(lǐng)域，他們也會(huì)非常熱衷去應(yīng)用一些新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更高的性能。像Scalmalloy通過(guò)了F1賽車的認(rèn)證，他們團(tuán)隊(duì)去打印了賽車的翼子板。除了 Scalmalloy，AM205也通過(guò)了F1的認(rèn)證，能夠去打印一些賽車定制化的零件。還有散熱器，也是結(jié)合高強(qiáng)鋁的高強(qiáng)度和輕質(zhì)的特性。

由nTopology設(shè)計(jì)、Morf3D打印的7A77鋁合金回旋結(jié)構(gòu)熱交換器，利用7A77鋁合金的固有熱導(dǎo)率，HRL及其合作伙伴為航空航天用戶開發(fā)了一項(xiàng)經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)的機(jī)油冷卻器。在這種設(shè)計(jì)中，合金的高強(qiáng)度滿足了關(guān)鍵的爆破壓力要求，同時(shí)能以與常規(guī)AlSiMg合金相比更薄的壁厚實(shí)現(xiàn)更好的換熱效果。7A77鋁合金的高屈服強(qiáng)度使熱交換器設(shè)計(jì)人員將交換器的壁厚減少了50％，有效地提高了傳熱性能，這是在航天航空散熱器上的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)在軌交領(lǐng)域也做了一些案例，像減震器、散熱板，包括一些拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)，但目前的應(yīng)用主要是在一些試驗(yàn)件上，還沒有進(jìn)行到真正的量產(chǎn)或應(yīng)用的階段。

主流的高強(qiáng)鋁材料技術(shù)程度，國(guó)外設(shè)置了9級(jí)，從TRL1-TRL9級(jí)，國(guó)內(nèi)也做了新材料技術(shù)程度的等級(jí)，從1級(jí)到9級(jí)。其中1~3級(jí)是實(shí)驗(yàn)室階段，4~6級(jí)是工程化階段， 7~9級(jí)是產(chǎn)業(yè)化階段。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)從2系到7系的高強(qiáng)鋁，各家在推出材料產(chǎn)品的時(shí)候，作為用戶可以去了解一下他們材料的成熟度等級(jí)，如果材料成熟度等級(jí)相對(duì)夠高，實(shí)際上是更值得去用，由于材料體系的缺乏沒有標(biāo)準(zhǔn)去評(píng)判它，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。
5系的鋁鎂鈧鋯合金成熟度要靠前一點(diǎn)，得益于空客的創(chuàng)新。5系鋁鎂合金加入了大量的Sc元素，Sc是一種稀土元素，價(jià)格非常高。地球上的Sc含量并沒有那么稀少，但是Sc的材質(zhì)從稀土鈧 提取需要很大的努力。高強(qiáng)鋁的價(jià)格，由于Sc原材料價(jià)格高，導(dǎo)致粉末價(jià)格也很高，阻礙了30打印的規(guī)模應(yīng)用。
打印工藝和性能需要更多摸索，高鎂含量的高強(qiáng)鋁打印過(guò)程中會(huì)存在黑煙，黑煙對(duì)于打印材料或零件，尤其在風(fēng)場(chǎng)控制不好的情況下，它就會(huì)存留在材料內(nèi)部產(chǎn)生影響，包括打印孔洞的一些缺陷。參數(shù)設(shè)置不合理，孔洞的缺陷會(huì)比較大。通過(guò)參數(shù)的一些優(yōu)化能夠改善這一情況，想完全消除孔洞可能不太現(xiàn)實(shí)。在工藝參數(shù)設(shè)置不合理的情況下還會(huì)發(fā)生很大的翹曲，包括打印表面球化現(xiàn)象，在材料的測(cè)試和工藝上需要做很多的工作。
相比前幾年，高強(qiáng)鋁的市場(chǎng)機(jī)會(huì)還是很大的。如果你看好這個(gè)機(jī)會(huì)，前期必須做一些相關(guān)的投資和布局，需要多嘗試以這樣的心態(tài)去面對(duì)它，一旦市場(chǎng)上真正有批量需求的時(shí)候，前期做好了準(zhǔn)備才能夠很好地應(yīng)對(duì)。