铝合⾦，由于其天然的轻量化特点，在⼯业制造领域占有重要的⼀席之地。不过随着3D打印在钛⾦属领域的崛起以及低成本钛⾦属的发展趋势，铝合⾦似乎遇到了钛合⾦和复合轻量化塑料材料的双重夹击。甚⾄包括传统加⼯⾏业的铝合⾦轮毂，也⾯临着⽆充⽓整体轮胎发展趋势的威胁，那么铝合⾦是否可以借助3D打印技术获得⼀定程度突围，在⾦属3D打印领域的发展现状如何呢？ 本期，3D科学⾕从市场发展态势，粉末材料当前的技术突破，以及铝合⾦与3D打印技术的多种结合⽅式，铝合⾦的应⽤优势领域，为⾕友深⼊分析铝合⾦制造在3D打印领域的现状与发展态势。
点阵结构的铝合⾦3D打印
借⼒3D打印更加轻量化
市场发展态势：
铝合⾦的市场发展态势⽅⾯，根据SmarTech的预测，铝合⾦占⾦属3D打印中所有⾦属粉末的消耗量（按体积计算）从2014年的5.1%逐渐提⾼到2026年的11.7%左右，铝合⾦在汽车⾏业的10年复合增长率在51.2%。
铝硅AlSi12-铝硅12是⼀种具有良好的热性能的轻质增材制造⾦属粉末。AlSi10Mg-硅/镁组合带来显著的强度和硬度的增加。这种铝合⾦适⽤于薄壁，复杂的⼏何形状的零件，是需要良好的热性能和低重量场合中理想的应⽤材料。零件组织致密，有铸造或锻造零件的相似性。典型的应⽤包括汽车，航空航天和航空⼯业级的原型及⽣产零部件，例如换热器这样的薄壁零件。 当然不同的⾦属3D打印技术存在着⼀定层⾯的竞争或互补关系。竞争的主旋律围绕着在提供⾼度的精度以及零件复杂性的同时，满⾜更⾼的效率和更低的成本。
粉末材料：
压铸合⾦AlSi10Mg类似美国合⾦360，虽然这并不是⼀个被⼴泛认可的⾼强度铸造合⾦，但它已被证明通过适当的热处理能够产⽣相当⾼的强度，3D科学⾕了解到虽然这⼀事实也还备受争议。但从⼴义上讲，这种合⾦可以通过标准的热处理⼯艺，固溶处理后⼈⼯时效，称为T6周期。溶液处理500°C以上， 4-12h，温度不应超过550°C，其次是⽔或聚合物熔体淬⽕。⼈⼯⽼化温度在155°C-165°C之间，时间6-24h，通过精确的时间和温度控制最终性能。抗拉强度可以从220MPa到340MPa之间，抗拉屈服强度在180MPa和280MPa之间。其他合⾦包括169（A357）和AlSi7Mg。
此外，根据3D科学⾕的市场研究另外专有的合⾦如Scalmalloy已经被⽤于空客的增材制造应⽤中，这是⼀些令⼈兴奋的进展。
在超过5,500种合⾦材料中，绝⼤多数材料仍⽆法通过⾦属3D打印技术制造。根据3D科学⾕的市场观察，美国HRL 实验室发现，影响合⾦材料在增材制造⼯艺中使⽤的原因是，打印过程中材料的熔融和凝固产⽣了具有⼤柱晶粒和周期性裂纹的微观结构。HRL 实验室表⽰，可以通过在增材制造材料中引⼊纳⽶颗粒成核剂的⽅式来解决这⼀问题。
HRL实验室的研究⼈员根据晶体学信息选择了锆基纳⽶颗粒成核剂，并将它们组装到了7075和6061系列铝合⾦粉末中。在⽤成核剂进⾏功能化之后，这些先前与增材制造制造不相容的⾼强度铝合⾦可以使⽤粉末床选择性激光熔化设备进⾏成功的加⼯。成型后的材料⽆裂纹，等轴（即，其长度，宽度和⾼度上的晶粒⼤致相等），实现了细晶粒微观结构，并与锻造材料具有相当的材料强度。
如今，为了进⼊商业化过程，HRL实验室成功将这种合⾦注册下来，美国铝业协会负责监督整个⾏业使⽤的合⾦注册和产品标准。该协会的新增材制造合⾦注册系统于2019年2⽉推出，以响应越来越多的增材制造合⾦，第⼀个注册的正是HRL实验室的⾼强度铝。这将永远将HRL与这种特殊的合⾦成分联系在⼀起。这⼀点，值得国内企业借鉴。
⽽国内，中航迈特与GE增材在2019年7⽉宣布联合共建北京亦庄增材制造创新中⼼，推动增材制造⾼性能钛铝合⾦、⾼温合⾦等材料及其零部件产品在民⽤航空发动机上的应⽤。
铝合⾦与3D打印技术的结合
SLM选区激光熔化⾦属3D打印
除了空客的Scalmalloy已经被⽤于空客的增材制造应⽤中，根据3D科学⾕的市场观察，SLM选区激光熔化⾦属3D打印铝合⾦的⼀个经典应⽤是Betatype公司3D打印铝合⾦热交换器，通过粉末床激光熔化⼯艺创造出所需的超⾼密度点阵结构。在3D科学⾕看来，铝合⾦材质⽅⾯的轻量化优势与点阵结构的结构⽅⾯的轻量化双重加强，成为⼀种颇具前景的轻量化实现⽅式。
不过铝合⾦的加⼯领域国际上的⼀家公司⾛出了更系统化的路线，针对于铝合⾦的加⼯，Sintavia开发出了完整的端到端的参数体系，Sintavia通过专有⼯艺来打印F357铝粉末，从⽽满⾜航空航天和汽
车⾏业对低密度、良好的加⼯性和热传导元件的需求。航空航天和汽车⾏业对于铝硅合⾦的需求正在上升，Sintavia的综合制造能⼒使得F357铝合⾦的制造更加快速，并且达到或超过⾏业的严格验证参数要求。
Sintavia独家的铝合⾦加⼯⼯艺是⼀整套的体系，不仅包括预构建材料分析，还包括后期热处理和压⼒消除，从⽽能够⽣产出⾼达125%的设计强度，精密度达100%。通过常温、⾼温强度验证，以及零度以下的温度验证，Sintavia能够快速⽣产出满⾜要求的铝件。
砂模3D打印+铝合⾦铸造
此前，根据3D科学⾕的市场观察，国内⽅⾯，2018年东风汽车公司通⽤铸锻⼚联合其他三家单位建⽴战略合作。四⽅利⽤各⾃优势，建⽴产学研全⾯合作关系，共建汽车轻量化铝合⾦低压铸造研究中⼼，共同在汽车⽤铸造铝合⾦材料、铝合⾦铸件轻量化设计、铝合⾦铸造技术的开发与应⽤等⽅⾯开展全⽅位合作。
根据3D科学⾕的市场观察，国际上，关于铸造在交通⼯具领域的轻量化应⽤，⼀个现实的例⼦是欧特克尝试通过3D打印熔模来铸造镁铝合⾦，从⽽实现飞机座椅的轻量化。这种座椅结构件适合任何标准的商⽤喷⽓式飞机，预计可以通过减重为航空公司节约数百万美元的成本。
虽然，⾦属3D打印在推动制造业跨越式发展，并能够⽣产⾮常复杂的产品，但⽬前材料选项仍然有限。⽬前增材制造⽀持的材料只有⼏⼗种，但铸造可以在成千上万种的⾦属和复合材料中进⾏选择。因此，该项⽬利⽤了3D打印的技术优势，⽽不完全依赖于3D打印技术。
利⽤3D打印和铸造，来⽣产铝合⾦产品可以将3D打印制造复杂产品的优势以及铸造领域多年来成熟的产业化⼯艺做到优势结合。
颗粒增强
借助颗粒增强获得的铝硅基复合材料可显著提⾼传统的铝硅合⾦的⼒学性能，已经被⼴泛的研究并在实际⼯程中获得应⽤。
⽬前对于激光增材制造的颗粒增强铝基复合材料，在成形加⼯过程中主要⾯临这样⼀些问题：
- 由于铝对激光具有很⾼的激光反射率，通常低功率激光器难以使得铝合⾦发⽣完全熔化，增强颗粒的加⼊能够在程度上提⾼粉体对激光的吸收率，但增强颗粒加⼊过多则会导致材料延伸性能下降；
- 研究表明，降低增强体的颗粒尺⼨达到纳⽶级可以有效提⾼⾦属基复合材料的机械性能，如提⾼强度和减少裂纹，但是当增强颗粒的尺⼨减⼩⾄纳⽶尺度时，颗粒之间会因强烈的范德⽡尔⼒以及极⼤的表⾯张⼒⽽紧密地团聚在⼀起，从⽽很不利于增强颗粒在基体中的均匀分散，在激光增材制造过程
中，所形成熔池中特有的Marongoni流可以起到均匀分散第⼆相的作⽤，但该Marangoni流⼜与熔池的温度场紧密相连；
- 由于通常加⼊的增强颗粒为陶瓷相，⽽陶瓷相与基体相之间的润湿性很差，同时它们之间的热膨胀系数差异也往往较⼤，这就导致在成形过程中形成的液相不能均匀铺展，同时在随后的凝固过程中产⽣较⼤的收缩应⼒⽽出现裂纹。
为解决上述存在的技术问题，根据3D科学⾕的市场观察，南京航空航天⼤学⼏年前开发出基于SLM成形的铝基纳⽶复合材料，⽤于激光增材技术领域，有效的解决铝基纳⽶复合材料在激光增材过程中⼯艺性能与⼒学性能不匹配、增强颗粒分布不均匀以及陶瓷相与基材相之间润湿性较差的问题，使得所获得的产品具备良好的界⾯结合以及优异的⼒学性能。
展望下⼀步，从发展趋势来看，⼈⼯智能将在材料开发领域扮演越来越重要的⾓⾊。根据3D科学⾕的市场观察，由英国剑桥的⼀家⼈⼯智能公司Intellegens开发的⼀种新的机器学习算法已被⽤于设计⼀种新的⽤于⾦属增材制造的镍基合⾦。未来，是否铝合⾦材料开发领域出现越来越多的⼈⼯智能的⾝影，3D科学⾕认为这是⼀种必然。
关于3D打印在发动机领域价值创造的详细剖析，敬请查阅已经发布的《3D打印与航空发动机⽩⽪书》，并关注后期将要发布的《3D打印与航空发动机⽩⽪书V2》
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