2.4.1　3D打印金属材料国内外发展概况

2.4.1.1　国外发展概况

目前，国外3D打印金属材料的研究主要是针对航空航天材料，如高性能钛合金、高温合金、超高强度钢以及铝合金。随着3D打印技术向生物医疗、动力、能源等领域的推广，钴合金、铜合金、难熔合金、金属间化合物、复合材料、梯度材料、高熵合金、非晶合金的3D打印也逐渐受到了重视。总体来说，目前研究最为成熟的主要是Ti-6Al-4V合金、Inconel 718合金、Inconel 625合金、316L不锈钢和Co-28Cr-6Mo合金，并已制定了相关标准，如表2-4所示。

表2-4　国外已颁布实施的金属3D打印相关标准

一些设备制造产商，如Optomec公司、Sciaky公司、EOS公司、SLM Solution公司、Concept Laser公司、Renishaw公司、Realize公司、Arcam公司等也发布了一些3D打印典型金属材料的数据库（见表2-5）。主要涉及304L、316L、17-4PH、15-5PH、H13、M300等结构钢和工具钢，AlSi7Mg、AlSi10Mg、AlSi12等铝合金，纯Ti、Ti-6Al-4V、Ti6242等钛合金，Hastelloy X、Inconel939、Inconel625、Inconel718等镍基高温合金，CoCrMo、CoCrW等钴基医用合金，以及Cu、W、Mo、Zr等纯金属材料。尽管这些标准还非常粗糙，如材料相关性能的系统性、完整性还不够完善，典型材料的力学性能与传统制造技术还存在差距，标准中的很多指标要求都是由供货商和采购商（Supplier and Purchaser）协商，但是，这对于金属材料3D打印技术的发展和应用来说迈出了突破性的一步。

表2-5　国外主要金属3D打印设备厂商公布的金属材料类型

整体来看，欧洲特别是德国在激光选取熔化3D打印材料技术方面处于世界领先地位，瑞典在电子束选取熔化3D打印材料技术方面开展了持续的研究工作。2012年以前，美国重点发展了定向能量沉积3D打印材料技术。2012年，美国成立增材制造国家创新中心，粉末床熔融3D打印技术取得飞速发展，并且将增材制造基因组列为未来发展的重点方向之一，重点用于3D打印材料技术的研发。美国GE公司通过收购粉末床熔融3D打印相关企业，已经成为全球最大的3D打印研发中心，在3D打印材料技术方面开展了大量卓有成效的工作，例如其3D打印的TiAl金属间化合物的综合性能已经全面达到精密铸造水平，目前已经进入装机考核阶段。

2.4.1.2　国内发展概况

我国自20世纪90年代中期开展金属3D打印技术研究，研究的重点以定向能量沉积和粉末床熔融3D打印技术为主。经过二十余年的发展，我国自主研发的定向能量沉积和粉末床熔融3D打印装备已基本实现商业化，并且定向能量沉积3D打印材料技术处于世界领先水平。粉末床熔融3D打印材料技术虽然开展了大量的研究，但在系统性、完整性等方面与国外还存在一定差距。

西北工业大学和北京航空航天大学率先在我国开展了基于同步送粉的激光定向能量沉积技术的研究，不仅成功研制了工业级的打印设备，而且金属材料体系研究范围最广，具体涉及钛合金、镍基高温合金、不锈钢、超高强度钢、难熔合金、耐热钢、钛基复合材料、梯度复合材料等，整体处于世界领先水平。1997年，西北工业大学“金属粉材激光立体成形的熔凝组织与性能研究”获得航空科学基金重点项目资助，是中国金属增材制造第一个正式立项的科研项目。2001年，“多材料任意复合梯度结构材料及其近终成形”项目获得国家“863”计划资助，其成果于2005年应用于我国研制的首台推重比10航空发动机轴承后机匣制造，为该发动机按时装机试车做出了关键贡献。该零件下部为In961合金铸件，上部为GH4169镍基高温合金激光立体成形件，是以铸件为基材，异种材质增材制造的首个应用案例。此外，北京航空航天大学与沈阳飞机设计研究所、第一飞机设计研究院、沈阳飞机工业集团公司、西安飞机工业集团公司等单位合作，于2005年突破了飞机钛合金小型、次承力结构件激光增材制造关键技术并成功实现在型号飞机上的装机工程应用，使我国成为当时继美国（2002年）之后国际上第2个实现激光增材制造钛合金小型、次承力构件实际装机工程应用的国家。在此基础上，2007年突破了飞机钛合金大型、主承力构件激光增材制造工艺，工程成套装备，构件内部质量及力学性能控制关键技术并初步建立了整套技术标准体系，制造出了TA15、TC18、TC4、TC21、TC11等钛合金的大型、整体、复杂、主承力飞机加强框等关键构件以及A100等超高强度钢飞机起落架关键构件。2008年以来先后在包括C919大型客机和多种型号飞机的研制和生产中工程应用，使我国成为目前世界上唯一突破飞机钛合金大型整体主承力构件激光增材制造技术并装机工程应用的国家。2012年，该研究成果获国家技术发明一等奖。

在基于同步送丝的电子束定向能量沉积技术方面，北京航空制造工程研究所针对钛合金、超高强度钢开展了研究。其中TC4合金的研究较为成熟，目前已开发出900MPa级、930MPa级TC4合金材料，以及TA15、TC11、TC17、TC18、TC21、A100钢等专用合金材料。大量测试表明，电子束熔丝沉积成形的TC4合金综合性能能够达到TC4自由锻及模锻件水平，目前，采用TC4合金研制的部分零件已经装机使用。

我国粉末床熔融3D打印技术的研究始于21世纪初。2004年，华中科技大学和华南理工大学几乎同时开始激光选区熔化成形技术与装备的研发工作。同年，清华大学申请了我国电子束选区熔化成形技术的第一个专利。经过十余年的发展，我国在粉末床熔融3D打印装备技术方面已经取得显著进步，相关装备已经实现商业化，并且某些材料技术与国外水平相当，但整体还存在明显差距。

在激光选区熔化成形技术方面，我国采用国外进口设备和自制设备开展了多种金属材料的研究工作。2015年，无锡飞尔康采用进口激光选区熔化成形装备和技术制备的28个TC4飞机舱门零件通过适航认证，并在C919大飞机上获得应用。华中科技大学、南京航空航天大学、华南理工大学、湖南华曙高科和西安铂力特公司采用自制装备，围绕钛合金、铝合金、镍基高温合金、不锈钢、铝基复合材料等开展了大量的研究工作。从已有报道来看，湖南华曙高科和西安铂力特公司在激光选区熔化3D打印材料技术方面与国外水平相当。

我国在电子束选区熔化成形3D打印材料技术方面同样与国外差距不大。西北有色金属研究院采用自制装备和原料粉末，在电子束选区熔化成形钛合金方面开展了大量的研究工作，先后开展了TC4、TA7、Ti600、TiTaNbZr、TiAl金属间化合物等钛合金方面的研究，制定了我国金属3D打印领域的第一个材料标准（GB/T 34508—2017，粉末床电子束增材制造TC4合金材料），研制的多个TC4复杂构件已在航空航天型号装备上得到应用，开发的TC4植入体已经临床应用300余例。此外，西北有色金属研究院在国内率先实现了脆性TiAl金属间化合物的成形，并在国际上首次实现了难熔Ta金属的电子束选区熔化成形。