Металлы и сплавы для АТ

Аддитивные технологии (АТ) используют широкий спектр металлических сплавов, которые подбираются в зависимости от метода печати и требований к изделию. Форма материала — порошок, проволока или лист — определяется спецификой технологии. Рассмотрим основные сплавы и их применение в ключевых процессах АТ.

1. Порошковые сплавы для L / EB - PBF

Laser Powder Bed Fusion (LPBF) и Electron Beam Powder Bed Fusion (EB - PBF) — это технологии плавления порошкового слоя с помощью лазера или электронного луча. Наиболее используемые сплавы:

Титановые сплавы: Ti -6Al -4V (Grade 5) — лидер в аэрокосмической и медицинской отраслях благодаря прочности, лёгкости и биосовместимости.
Нержавеющие стали: 316 L и 17-4 PH — для коррозионно-стойких деталей, например, в химической промышленности.
Алюминиевые сплавы: AlSi10Mg — лёгкий и прочный, популярен в автопроме.
Никелевые сплавы: Inconel 625 и 718 — для высокотемпературных компонентов турбин.
Кобальт-хромовые сплавы: CoCrMo — для медицинских имплантатов и зубных протезов.

Порошки для L / EB - PBF обычно сферические, с размером частиц 15–45 мкм (для LPBF) или 45–100 мкм (для EB - PBF), что обеспечивает равномерное плавление.

2. Порошки для Directed Energy Deposition (DED)

DED использует порошок или проволоку, подаваемые в зону плавления лазером или дугой. Отличия порошков для DED:

Размер частиц: 50–150 мкм, крупнее, чем для PBF , для лучшей подачи через сопло.
Типы: Могут быть сферическими (газовая атомизация) или неправильной формы (водяная атомизация), в зависимости от оборудования.
Сплавы: Те же, что в PBF (Ti -6Al -4V, Inconel 718, 316L), плюс инструментальные стали (H 13) для ремонта деталей.

DED чаще применяют для крупных изделий или восстановления поверхностей, где точность ниже, чем в PBF .

3. Металлы как наполнители в MEX и BJ

Material Extrusion (MEX): Пластиковая нить смешивается с металлическим порошком (до 60% по объёму), затем изделие спекается. Используемые металлы:

Нержавеющая сталь (316L, 17-4 PH).
Титан (Ti-6Al-4V).
Медь — для теплообменников.

Binder Jetting (BJ): Порошок скрепляется связующим, затем спекается. Применяют:

Нержавеющую сталь (316L).
Бронзу и медь — для декоративных изделий.
Вольфрам — для радиационной защиты.

Обе технологии подходят для сложных форм, но требуют постобработки (спекания), что влияет на плотность.

4. Сплавы в виде листов для Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM)

UAM сваривает тонкие листы ультразвуком, добавляя слои. Используемые материалы:

Алюминий: 6061, 7075 — для лёгких конструкций.
Титан: Ti -6 Al -4 V — для прочности.
Медь: Для тепло- и электропроводности.

Толщина листов обычно 0,1–0,5 мм. UAM идеален для гибридных структур, сочетая разные металлы.

5. Сплавы в виде проволоки для Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)

WAAM использует дуговую сварку с проволокой диаметром 0,8–2,4 мм. Популярные марки:

Стали: ER 70 S -6 (углеродистая), 308 L (нержавеющая).
Титан: ERTi-5 (Ti-6Al-4V).
Алюминий: 4043, 5356.
Никелевые сплавы: ERNiCrMo-3 (Inconel 625).

WAAM экономичен для крупных деталей, но уступает в точности PBF .

6. Сравнение материалов (на примере, титана и стали для шайбы или импланта)

Предположим, мы печатаем шайбу (простая деталь) или имплант (биосовместимость важна). Сравним Ti -6Al -4V и нержавеющую сталь 316L в технологиях LPBF , EB - PBF , DED и WAAM :

LPBF (Ti -6Al -4V и 316L ): Высокая точность (±0,1 мм), плотность 99,9%. Ti -6Al -4V : предел прочности ~1100 МПа, 316L: ~600 МПа. Подходит для имплантов (Ti) и шайб (оба).
EB - PBF (Ti -6Al -4V): Только титан, плотность чуть ниже (~99%), но меньше остаточных напряжений. Отлично для имплантов.
DED (Ti -6Al -4V и 316L): Грубая точность (±1 мм), прочность чуть ниже из-за анизотропии. Для шайб — да, для имплантов — редко.
WAAM (Ti -6Al -4V и 316L): Ещё грубее (±2 мм), прочность зависит от сварки (Ti ~900 МПа, 316 L ~500 МПа). Только для шайб.

Таким образом, механические свойства схожи в пределах каждой технологии, но зависят от постобработки (термообработка, шлифовка). Для импланта лучше LPBF с титаном из-за точности и биосовместимости, для шайбы — WAAM со сталью из-за экономии.