在傳統(tǒng)制造中，有數(shù)千種合金可供選擇。相比之下AM-增材制造目前可選擇的合金范圍則十分有限舰打，此外，航空航天零部件需要滿足關(guān)鍵功能蒋巡，其設(shè)計(jì)在惡劣環(huán)境（高壓凫荡、腐蝕性流體，或低溫（-?252°C）再到通常超過 1000°C 的高溫）肚苇，并且必須經(jīng)常運(yùn)行在高負(fù)載環(huán)境下功抠，這對(duì)最終用途的合金選擇提出了苛刻的要求。

3D科學(xué)谷曾通過專欄文章《航空部件的穩(wěn)健金屬增材制造工藝選擇和開發(fā)》分析了工藝選擇的考慮蚣锌。本期谷.專欄耘昙，將結(jié)合《Robust metal Additive Manuacfacuring Process Selection and Development for Aerospace Components》這篇研究論文沈路，與谷友深度了解航空航天制造業(yè)常見的3D打印合金特性、增材制造加工特點(diǎn)及加工挑戰(zhàn)谓墨。

(暫不可見)/content/pdf/10.1007/s11665-022-06850-0.pdf

AM-增材制造為高復(fù)雜性組件提供了大批量航空航天生產(chǎn)加六，否則傳統(tǒng)制造技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)。雖然在主要的航空航天公司和許多初創(chuàng)企業(yè)中存在許多示例怒见，但 L-PBF 選區(qū)激光金屬熔融3D打印是目前中最主要的工藝戒祠，其次是 DED（包括丁 LW-DED 和 LP-DED）。

NASA液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的 AM增材制造組件示例 (a) L-PBF 激光選區(qū)金屬熔融金屬3D打印工藝制造的帶有內(nèi)部通道的 GRCop-42 銅合金燃燒室速种，(b) EBW-DED 3D打印工藝沉積燃燒室外壁（燃燒室為 GRCop-84 銅合金材料）的護(hù)套姜盈，(c) Inconel 625 L-PBF 噴射器，(d) 冷噴涂 NASA HR-1 護(hù)套到帶有內(nèi)部通道的 GRCop-42 L-PBF 腔室配阵，(e) L-PBF選區(qū)激光熔融金屬3D打印制造的燃油泵的旋轉(zhuǎn)組件馏颂，(f) 使用 LP-DED激光定向能量沉積金屬粉末3D打印加工 JBK-75材料的全尺寸 RS-25 噴嘴襯里

航空航天應(yīng)用的常見 AM 合金

航空增材制造需求的金屬選擇已擴(kuò)大到包括鋁合金、不銹鋼棋傍、鈦合金救拉、鎳基和鐵基高溫合金、銅合金和耐火合金瘫拣。

航空航天領(lǐng)域的3D打印金屬材料

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其中一些合金的根源可以追溯到傳統(tǒng)的加工方法亿絮，并繼續(xù)用于航空航天部件。新的和現(xiàn)有的合金都在不斷地開發(fā)中麸拄，所以目前列舉的合金并非包羅萬象派昧。

此外，目前的許多合金僅達(dá)到了開發(fā)階段颤皆，可能不完全符合使用特定增材制造工藝的航空航天應(yīng)用的要求酬苇，在制造工藝中，L-PBF给番、LP-DED 和 AW-DED 是研究最多的領(lǐng)域蚤件。

航空航天領(lǐng)域的金屬3D打印技術(shù)分類
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根據(jù)所使用的增材制造工藝，原料從預(yù)合金粉末（通常通過氣體霧化生產(chǎn)）狞绰、線材完株、片材或?qū)嵭陌舨牟坏取ｋm然與鍛造合金相比峦夺，可用合金的數(shù)量有限颁殃，但仍有許多常用和知名的高溫和流行的航空航天合金可供使用，不過需要注意的是成熟度各不相同恋赎。

用不同金屬和合金制造的復(fù)雜航空部件的例子 (a) 使用 L-PBF選區(qū)激光金屬熔融3D打印技術(shù)加工的 C-103 的主動(dòng)冷卻推進(jìn)器倘回，(b) 使用 L-PBF選區(qū)激光金屬熔融3D打印技術(shù)加工的鎢主動(dòng)冷卻控制面了酌，(c) 使用L-PBF選區(qū)激光金屬熔融3D打印技術(shù)加工的 GRCop-84 銅合金燃燒室疾浓，(d) 使用L-PBF選區(qū)激光金屬熔融3D打印技術(shù)優(yōu)化的 AlSi10Mg 低溫推進(jìn)劑噴射器以及展示內(nèi)部特征的部分音瓷，(e) 使用L-PBF選區(qū)激光金屬熔融3D打印技術(shù)加工的600 mm 直徑的Inconel 718 集成熱交換器，(f) LP-DED 激光定向能量沉積金屬粉末金屬3D打印工藝制造的NASA HR-1 的推進(jìn)室
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l 鎳基高溫合金

鎳基高溫合金在AM-增材制造平臺(tái)上廣泛流行夹抗，Inconel 625 和 Inconel 718 用于許多應(yīng)用绳慎。選擇鎳和鐵基高溫合金是因?yàn)樗鼈冊(cè)诟邷睾透邏合戮哂谐錾?a target="_blank" class="mmstipa1" >機(jī)械性能，并且經(jīng)常用于惡劣的環(huán)境（耐腐蝕和抗氧化）漠烧。

A-286杏愤、JBK-75 和 NASA HR-1 等鐵基高溫合金通常用于高壓氫應(yīng)用（例如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)），以降低與氫環(huán)境脆化 (HEE) 相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)已脓。此外珊楼，這些超合金具有高抗蠕變性。這些特性的結(jié)合有助于顯著提高現(xiàn)代飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率度液。

高溫合金是制造高壓燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒室厕宗、渦輪機(jī)、外殼堕担、圓盤和葉片等許多部件的關(guān)鍵金屬已慢。

其他高溫和低溫應(yīng)用包括用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的閥門、渦輪機(jī)械霹购、噴射器佑惠、點(diǎn)火器和歧管。目前贾瞪，從重量來看凯践，超過50%的先進(jìn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)由鎳基高溫合金組成。

l 鈦合金

強(qiáng)度重量比是另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)习怒，這也是鈦合金大派用場(chǎng)的原因湘秀。鈦合金被高度集成在航空航天應(yīng)用中——提供出色的耐腐蝕性和中溫用途——并且一直是增材制造中備受關(guān)注的主題。

具體來說编毒，Ti-6Al-4V 是起落架军含、軸承架、旋轉(zhuǎn)機(jī)械歹簸、壓縮機(jī)盤和葉片孩砸、低溫推進(jìn)劑罐和許多其他航空航天部件的常用合金。Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti6242) 用于壓縮機(jī)葉片和旋轉(zhuǎn)機(jī)械搬洪，而鋁化鈦 (γ-TiAl) 被積極用于渦輪葉片贸掰。

l 鋁合金

雖然比鈦合金更弱，但鋁合金具有良好的強(qiáng)度重量比燃拥，是一種常見的（和成熟的）航空航天材料選擇审胚。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，增材制造零件生產(chǎn)中使用的鋁合金包括基于合金元素的 1xxx礼旅、2xxx膳叨、4xxx洽洁、6xxx、7xxx 系列菲嘴，其中許多是使用固態(tài)增材制造工藝制造的饿自，可用于 AFS-D 和 UAM 工藝來加工。

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鋁合金已經(jīng)發(fā)展到通過粉末床熔融金屬3D打印工藝-PBF 和定向能量沉積金屬3D打印-DED 熔化工藝減少工藝開裂龄坪，包括 AlSi10Mg昭雌、F357、A205健田、7A77烛卧、6061-RAM2、Scalmalloy 等妓局，然而唱星，鋁合金也存在許多缺點(diǎn)，因?yàn)槠涓邷匦阅茌^差跟磨，存在焊接修復(fù)問題局硝，并且普遍存在較差的抗應(yīng)力，腐蝕開裂性等挑戰(zhàn)潭灯。

l 不銹鋼

與鈦或超合金相比焙逝，不銹鋼具有良好的強(qiáng)度重量比、耐高溫能力以及較低的成本话弹，因此廣泛用于飛機(jī)和航天器部件年笋。不銹鋼在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下表現(xiàn)出高耐腐蝕性、抗氧化性和耐磨性味专。

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不銹鋼用于發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣系統(tǒng)雌她、液壓部件、熱交換器数荤、起落架系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)接頭政用。鋼也被用于航空部件，例如鉸鏈阴戚、緊固件倘灸、起落架和飛機(jī)上的其他部件。各種不銹鋼和特種鋼通常與 AM 一起使用笋熬，包括奧氏體（即 316L）和沉淀硬化 (PH)热某。然而，盡管有這些優(yōu)點(diǎn)胳螟，但鋼的密度相對(duì)較高昔馋，因此其用途僅限于減少系統(tǒng)質(zhì)量。由于某些合金容易開裂糖耸，鋼在增材制造中并不受歡迎秘遏，而且它可以通過傳統(tǒng)技術(shù)輕松成型丘薛，并且通常用于復(fù)雜性較低的組件中。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察垄提，值得一提的是NASA格倫研究中心的創(chuàng)新者為增材制造 (AM) 技術(shù)量身定制開發(fā)了一種新的氧化物彌散強(qiáng)化中熵合金 (ODS-MEA)榔袋。這種ODS 合金的納米級(jí)陶瓷顆粒分布在金屬中周拐。

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根據(jù)3D科學(xué)谷的了解铡俐，最初這種合金是為了提高極端溫度下的機(jī)械性能（例如，抗蠕變性妥粟、拉伸強(qiáng)度审丘、微觀結(jié)構(gòu)完整性）而開發(fā)的。這種合金在燃?xì)廨啓C(jī)犀进、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)嵌鳖、核反應(yīng)堆和其他高溫應(yīng)用的金屬部件中顯示出應(yīng)用前景。然而膊节，生產(chǎn)此類合金的傳統(tǒng)機(jī)械合金化工藝效率極低及裂、耗時(shí)且成本高，而3D打印開辟了一條成就這種合金的捷徑原拉。

NASA 的 ODS-MEA 材料通過選區(qū)激光熔化L-PBF金屬3D打印技術(shù)進(jìn)行加工嘀矢。該合金可以制造成復(fù)雜的幾何形狀，并且可以抵抗應(yīng)力開裂和樹枝狀偏析堵套。

NASA 的工藝已被證明可以制造在 1100°C 時(shí)蠕變斷裂壽命提高 10 倍的組件昵例，并且比目前使用 3D 打印部件的強(qiáng)度提高了 30%。新的 ODS-MEA 合金可以在目前使用 ODS 合金的地方找到應(yīng)用（例如端皮，那些涉及極端熱環(huán)境的應(yīng)用）锣裆，包括用于發(fā)電、推進(jìn)（火箭腰凫、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等）泞驴、核能應(yīng)用以及采礦和水泥生產(chǎn)行業(yè)的制備設(shè)備，燃?xì)廨啓C(jī)部件（提高進(jìn)氣溫度可提高效率）等等逢防。

l  鈷基高溫合金康聂、銅合金

對(duì)于不需要高導(dǎo)熱性的高溫應(yīng)用，可以使用鈷基合金（包括 CoCr 和 Stellite）胞四。然而恬汁，當(dāng)導(dǎo)熱性成為優(yōu)先事項(xiàng)時(shí)，銅合金會(huì)脫穎而出辜伟。它們的高導(dǎo)熱性自然適用于熱交換器氓侧。對(duì)于火箭應(yīng)用，最高熱通量出現(xiàn)在推力室組件內(nèi)导狡，因此該區(qū)域是承受高壓的區(qū)域约巷。反過來偎痛，在這些環(huán)境中使用的銅合金需要高強(qiáng)度和高導(dǎo)熱性（同時(shí)滿足與所選推進(jìn)劑的材料兼容性需求）。

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成熟的常見 AM-增材制造銅合金包括 GRCop-42独郎、GRCop-84踩麦、C18150 (Cu-Cr-Zr)、C18200 (Cu-Cr) 和 GlidCop氓癌。

l 其他

增材制造可以創(chuàng)建定制的雙金屬和多金屬金屬谓谦。可以在設(shè)計(jì)中離散地添加材料以優(yōu)化熱或結(jié)構(gòu)特性她蛉『匕樱可以制造結(jié)構(gòu)護(hù)套、法蘭赚兰、凸臺(tái)或其他特征的產(chǎn)品俘噩，以優(yōu)化整個(gè)子系統(tǒng)的重量。這些可以包括離散金屬過渡或功能梯度材料 (FGM)郎石。

可用于航空航天應(yīng)用的其他金屬合金包括難熔金屬逾辕，例如鈮、鉭认吕、鉬煮沸、錸和鎢及其合金。鈮基 C-103 在輻射冷卻噴嘴绍挤、空間反應(yīng)控制系統(tǒng)和高超音速機(jī)翼前緣等應(yīng)用中很常見章神。

其他鈮基合金（WC3009、C129Y籽榕、Cb752爷耀、FS-85）用于飛行器熱保護(hù)系統(tǒng)以及空間反應(yīng)堆堆芯結(jié)構(gòu)。

鉭基合金（Ta10W拍皮、Ta111歹叮、Ta122）通常用于具有腐蝕性的高壓和超高溫環(huán)境。

鉬基耐火材料用于超高溫應(yīng)用铆帽，例如堿金屬熱管和核熱推進(jìn)燃料元件咆耿。重基合金在增材制造方面的開發(fā)要少得多，但在自燃燃燒室和單晶渦輪葉片中具有潛在用途爹橱。

詳情

（3D科學(xué)谷）

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