铝是增材制造的常用金属材料，具有高强度重量比、优异的耐腐蚀性、热性能和机械性能。由于 铝材增材制造 随着质量和打印机能力的提高，航空航天、汽车、消费品和建筑等领域的新的高价值应用将受益于复杂铝制零件的生产。
本概述介绍了激光粉末床熔融 (PBF-LB) 和直接能量沉积 (DED) 等 AM 工艺中使用的常见铝合金的优点，以及它们的相应特性、后处理程序、应用和主要供应商。对比表突出显示了不同铝材料和 AM 方法之间的权衡。
铝材快速成型制造概述
铝在 AM 应用中的主要优势
- 重量轻 - 密度低，有助于减轻印刷部件的重量
- 高强度 - 许多铝合金的屈服强度超过 500 兆帕
- 卓越的耐腐蚀性 - 保护性氧化物外层
- 高导热性--散热潜力
- 良好的高温性能 - 高达 300-400°C
- 导电性--适用于电子产品应用
- 成本低 - 比钛合金或镍合金便宜
- 可回收性--粉末可重复使用，降低材料成本
铝与 AM 的设计自由度相结合，使各行各业都能制造出重量更轻、性能更好的部件。铝粉生产工艺的改进扩大了制造致密部件的能力，可与铸造和锻造冶金相媲美。
用于 AM 的铝合金粉末材料
针对增材制造进行优化的铝合金利用受控粉末颗粒生产和智能合金添加来提高性能。
常见的铝 AM 合金成分
| 合金 | Si% | Fe% | Cu% | Mn% | Mg% | 其他 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | 9-11 | <1 | <0.5 | <0.45 | 0.2-0.45 | – |
| AlSi7Mg0.6 | 6-8 | <1 | <0.5 | <0.45 | 0.55-0.6 | – |
| 斯卡莫洛伊 | 4-6 | 0.1-0.3 | <0.1 | <0.1 | 0.4-0.7 | Zr Sc |
| C35A | 3-5 | 0.6 | 3.0-4.0 | 0.2-0.7 | 0.25-0.8 | – |
| A20X | 3-5 | 0.6 | 3.5-4.5 | 0.2-0.8 | 0.05-0.5 | – |
硅是一种常见的强化剂。铁、铜、镁等微量元素可优化性能。Scalmalloy® 等独特合金使用钪锆沉淀纳米粒子，可获得超过锻造合金的超高强度。
铝 AM 合金的主要特点
| 合金 | 拉伸强度 | 密度 | 层渗透深度 |
|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | 400-440 兆帕 | 2.67 克/立方厘米 | 70-100 μm |
| AlSi7Mg0.6 | 420-500 兆帕 | 2.66 克/立方厘米 | 60-80 μm |
| 斯卡莫洛伊 | 超过 550 兆帕 | 2.68 克/立方厘米 | 50-70 μm |
较高的强度限制了在需要重熔循环之前可达到的单层深度。
规格 铝材增材制造
流动性、颗粒形状和化学纯度等关键粉末特性决定了铝 AM 加工的质量。
铝粉粒度分布标准
| 测量 | 典型规格 |
|---|---|
| 尺寸范围 | 15 - 45 μm |
| 粒子形状 | 大部分为球形 |
| 尺寸中值（D50） | 25-35 μm |
对粒度分布、形态和污染程度的严格控制确保了印刷部件的致密无缺陷。
铝印刷粉化学标准
| 要素 | 成分限制 |
|---|---|
| 氧气 (O2) | 0.15% 最大值 |
| 氮（N2） | 0.25% 最大值 |
| 氢气 (H2) | 0.05% 最大值 |
对气体杂质的限制可防止印刷铝制部件出现大量气孔或内部空隙。
缆线的后期处理程序 铝材增材制造
常见的铝合金快速成型零件后处理方法包括
铝 AM 后处理技术
热处理
T6 热处理 - 固溶加热和时效循环，以提高强度、硬度和延展性。对许多铝合金来说，这是获得最高机械性能的必要条件。
表面处理
加工、喷砂或抛光外表面可确保尺寸精度和表面光滑度。阳极氧化可为铝表面着色并提供保护。
HIP（热等静压工艺）
高温高压可最大限度地减少内部空隙和气孔。适用于对泄漏有严格要求的应用，但需要增加一个工艺步骤。
加工
将精密轴承表面或螺纹等特征数控加工到净形 AM 零件中。与传统制造相比，加工成本最多可降低 60%。
铝的快速成型技术
现代金属三维打印机利用选择性激光熔化、电子束或粘合剂喷射，制造出传统方法无法实现的复杂铝制部件。
铝 AM 工艺比较
| 方法 | 说明 | 益处 | 局限性 |
|---|---|---|---|
| 粉末床融合 - 激光 | 激光选择性熔化金属粉末床区域 | 良好的精度、材料性能和表面光洁度 | 构建速度相对较慢 |
| 粉末床聚变 - 电子束 | 高真空中的电子束熔化 | 极佳的一致性、高密度 | 材料选择有限，设备成本高 |
| 直接能量沉积 | 聚焦热源熔化金属粉末喷雾 | 大型部件、维修 | 较差的表面光洁度、几何形状限制 |
| 粘结剂喷射 | 喷射粘结剂以连接粉末颗粒 | 建造速度极快，设备成本更低 | 机械性能较弱，需要二次烧结 |
基于激光的粉末床方法为当今大多数功能性铝制部件提供了最佳的全面能力。
铝质 AM 零件应用
铝 AM 具有轻质、高强度和耐热等特点，可满足各种需求：
使用添加剂制造的铝制部件的行业
航空航天 - 支架、加强筋、热交换器、无人机组件
汽车 - 定制支架、动力总成、底盘和传动系统
工业 - 轻型机器人和工具、原型制造
建筑学 - 装饰、定制金属艺术
消费者 - 电子产品、定制产品
铝合金 AM 技术为复杂的关键任务应用提供了全新的设计可能性。
铝印刷粉供应商
主要金属材料供应商提供专门针对快速成型制造工艺进行优化的高纯度铝合金粉末：
领先的铝粉公司
| 公司名称 | 常见合金牌号 | 典型价格/公斤 |
|---|---|---|
| AP&C | A20X、A205、定制合金 | $55 – $155 |
| 山特维克鹗 | AlSi10Mg, AlSi7Mg0.6, Scalmalloy® (硅铝合金) | $45 – $220 |
| LPW 技术 | AlSi10Mg, Scalmalloy® (斯卡玛洛伊®) | $85 – $250 |
| 普莱克斯 | AlSi10Mg, AlSi7Mg0.6 | $50 – $120 |
价格因合金选择、粉末尺寸规格、批量和所需认证而异。
常见问题
哪种铝合金最适合激光粉末床熔融 AM？
AlSi10Mg 具有最佳的全面打印性、机械性能和耐腐蚀性，适用于铝合金激光粉末床三维打印的大多数应用。
建议使用哪种粒度分布的铝 AM 粉？
平均尺寸在 25-35 μm 之间的高斯曲线可提供最佳的粉末床密度和均匀的熔化性能，适用于大多数常见的激光粉末床熔化设备。
为什么说斯卡莫洛合金是一种先进的铝合金？
Scalmalloy 利用均匀沉淀强化结构获得了无与伦比的强度，同时通过传统铝冶金无法实现的新型含钪成分，保持了良好的伸长率和断裂韧性。
铝是否应在快速成型后进行热处理？
是的，热处理可以改善许多铝 AM 合金的微观结构并提高其机械性能。典型的 T6 处理包括溶液加热，然后进行人工老化，从而通过沉淀强化现象显著改善性能。
AM 铝制零件可以进行哪些表面处理？
根据所使用的 AM 工艺，经过一些机加工、研磨、打磨和/或抛光操作后，添加剂制造的铝制部件的表面粗糙度 (Ra) 值可低于 10 μm。更精细的表面处理可提供光学级镜面。常见的表面处理还包括阳极氧化处理，以增强腐蚀或磨损性能，并提供着色选项。