3D打印金属材料

装备、材料和工艺是3D打印创新发展的基础和关键。近年来，随着3D打印装备技术的突破和发展，材料和工艺逐步成为3D打印技术创新发展和应用的重点。为此，国内外政府、研究机构和企业在3D打印发展战略中，均将材料和工艺摆在突出的位置。

为确切把握我国3D打印材料的研发生产现状、关键技术以及今后发展方向，同时为政府管理部门提供制定政策和决策的可靠依据，2017年3月，中国工程院启动了“中国3D打印材料及应用发展战略研究”咨询项目。中国工程院化工、冶金与材料工程学部联合机械与运载、医药卫生、环境轻纺等学部的26位院士，组织了全国100余位3D打印领域的专家学者，历时两年的时间完成了该咨询项目，并在咨询报告的基础上，组织出版了“3D打印材料丛书”。

《3D打印金属材料》是“3D打印材料丛书”的分册之一，较为系统地总结了国内外3D打印金属材料技术和产业的发展现状、*研究进展和发展趋势。重点介绍3D打印用球形金属粉末、金属3D打印基础科学问题，并且按照材料体系，对3D打印钛合金、钢铁材料、铝合金、高温合金、金属间化合物、难熔金属、高熵合金的组织、增材再制造材料的性能和应用进行了论述。该书的突出亮点是从材料研究的视角，对3D打印技术涉及的原料、工艺、组织性能进行了有机结合和归纳总结，具有较强的前瞻性和实用性，这对推动我国3D打印技术的发展将起到积极作用。

全书共分为9章，主编为汤慧萍，各章主要编写人员如下：第1章由西北有色金属研究院汤慧萍、王建编写，第2章由南京工业大学常辉、孙中刚编写，第3章由广东材料与加工研究所曾克里、刘辛编写，第4章由西北有色金属研究院汤慧萍、杨坤编写，第5章和第7章由西北工业大学林鑫编写，第6章由南京航空航天大学顾冬冬编写，第8章由西北有色金属研究院汤慧萍、刘楠编写，第9章由装甲兵工程学院董世运、浙江工业大学姚建华编写。

本书是在中国工程院“中国3D打印材料及应用发展战略研究”咨询项目的支持下完成的。本书在编写过程中得到了西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室、西安赛隆金属材料有限公司和西安铂力特激光成形技术有限公司及全国金属3D打印企业大力支持，在此表示衷心的感谢。本书中涉及的较多科研成果取材于我国多个国家及省部级科研项目，在此向所有默默奉献的科技人员致以崇高谢意。

由于本书涉及多学科交叉，同时金属3D打印技术正在以日新月异的速度向前发展并不断涌现新的成果，因此本书对新成果的总结难免会有疏漏；加之编者水平和时间有限，书中一定存在不妥之处，恳请读者批评指正。

编者

2020年2月

《3D打印金属材料》较为系统地总结了国内外3D打印金属材料技术和产业的发展现状、*研究进展和发展趋势，重点介绍了3D打印用球形金属粉末、金属3D打印的基础科学问题，并且按照材料体系，对3D打印钛合金、钢铁材料、铝合金、高温合金、金属间化合物、难熔金属以及高熵合金的组织、增材再制造材料的性能和应用进行了论述。本书可供从事3D打印材料研发、设计、生产、应用的科研、工程技术人员及相关部门管理人员参考阅读，也可作为大专院校相关专业本科生及研究生的辅助教材。

汤慧萍，西北有色金属研究院副总工程师 ，教授级高级工程师，博导，享受国务院政府特殊津贴，新世纪百千万人才国家 级人选，全国有色金属行业劳动模范，陕西省三秦学者特聘专家。主持完成国家 级科研项目20余项，获省部级以上科技奖16项，其中国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步一等奖4项，二等奖4项。获授权发明专利55项，制定国标及行业标准5项，发表SCI论文161篇，合著专著6部。带领团队将科技成果进行转化，成立了2个高技术新材料公司，产品应用于洁净煤、核工业、多晶硅等行业，促进了相关产业的技术进步与转型升级。成功组建2个国家 级平台：金属多孔材料国家重点实验室及粉末冶金研制平台，致力于组建我国金属多孔材料技术与人才基地，提升我国稀有金属粉末冶金的装备水平与服务能力。

第1章金属3D打印概述1

1.1金属3D打印的定义和分类2

1.1.1金属3D打印的定义和特点2

1.1.2金属3D打印工艺分类3

1.2金属3D打印的发展历史和现状8

1.2.1国外金属3D打印技术发展历史8

1.2.2国内金属3D打印技术发展历史9

1.2.3金属3D打印研究和应用现状10

1.3金属3D打印技术的发展趋势13

参考文献14

第2章3D打印用球形金属粉末17

2.1金属3D打印用粉末研究现状18

2.1.1粉末特性对金属3D打印工艺过程的影响19

2.1.2粉末特性对金属3D打印制件性能的影响29

2.2金属3D打印用粉末制备技术及国内外发展现状36

2.2.1金属3D打印用粉末代表性制备技术36

2.2.2金属3D打印用粉末制备技术国内外发展现状48

2.3金属3D打印用粉末发展趋势及建议50

参考文献51

第3章金属3D打印的基础科学问题55

3.1基础科学问题概述56

3.2能量源与原材料多元融合交互作用机制57

3.2.1金属粉末/丝材对能量源的吸收行为58

3.2.2粉末物理特性与3D打印的交互作用机制58

3.3多尺度、多因素热物理耦合作用下非平衡凝固冶金机理61

3.3.1极速熔化及冷却过程的熔池内单晶粒生长行为61

3.3.2循环受热过程沉积层界面重熔及其冶金机理62

3.3.33D打印沉积组织特征63

3.43D打印沉积态组织演化机理及形/性调控工艺与方法65

3.4.13D打印工艺参数的冶金组织调控66

3.4.23D打印构件的微观组织调控66

3.4.3添加增强相或合金化元素实现3D打印组织细化67

3.4.4辅助外场解决和实现铸造组织细晶强化68

3.4.5辅助塑性变形实现3D打印组织细晶强化68

3.5内应力、冶金缺陷的形成机制及构件变形开裂预防控制69

3.5.1内应力演化及其变形69

3.5.2辅助塑性变形细晶组织70

参考文献70

第4章3D打印钛合金77

4.13D打印钛合金概述78

4.23D打印钛合金的组织特点78

4.2.13D打印α型钛合金的微观组织79

4.2.23D打印α β型钛合金的微观组织81

4.2.33D打印β型钛合金的微观组织89

4.2.4热等静压及热处理对3D打印钛合金微观组织的影响93

4.33D打印钛合金的力学性能100

4.3.13D打印零件力学性能测试的相关标准100

4.3.23D打印钛合金的静态拉伸力学性能101

4.3.33D打印钛合金的疲劳性能107

4.43D打印钛合金的应用领域110

4.53D打印钛合金存在的主要问题及建议113

参考文献113

第5章3D打印钢铁材料121

5.13D打印钢铁材料概述122

5.23D打印钢铁材料分类及特征122

5.33D打印钢铁材料组织特征123

5.3.1奥氏体不锈钢123

5.3.2马氏体不锈钢132

5.3.3超高强度钢139

5.43D打印钢铁材料力学性能143

5.4.1奥氏体不锈钢144

5.4.2马氏体不锈钢146

5.4.3超高强度钢148

5.53D打印钢铁材料存在的主要问题及建议150

参考文献150

第6章3D打印铝合金153

6.13D打印铝合金概述154

6.23D打印铝合金的组织特点与性能156

6.2.13D打印铝合金组织特点156

6.2.23D打印铝合金力学性能178

6.2.33D打印铝合金的摩擦磨损性能188

6.2.43D打印铝合金的耐腐蚀性能189

6.33D打印铝合金存在的主要问题及建议192

参考文献194

第7章3D打印高温合金201

7.13D打印高温合金概述202

7.23D打印高温合金的分类203

7.33D打印镍基高温合金的组织特征203

7.3.1沉积态组织204

7.3.2热处理态组织215

7.43D打印镍基高温合金的性能221

7.4.1拉伸性能221

7.4.2疲劳性能226

7.4.3持久及蠕变性能233

7.53D打印高温合金存在的主要问题及建议235

参考文献235

第8章3D打印金属间化合物、难熔金属、高熵合金239

8.13D打印金属间化合物240

8.1.13D打印TiAl金属间化合物240

8.1.23D打印其他金属间化合物253

8.23D打印难熔金属257

8.2.13D打印钨及钨基合金258

8.2.23D打印钽268

8.33D打印高熵合金273

8.43D打印其他金属材料存在的问题277

参考文献278

第9章增材再制造材料283

9.1增材再制造技术概述284

9.1.1再制造的内涵和特点284

9.1.2增材再制造技术方法及其特点285

9.2增材再制造材料及其国内外现状287

9.2.1增材再制造材料分类及质量要求287

9.2.2增材再制造材料体系289

9.2.3增材再制造材料国内外研究现状及存在的主要问题298

9.3增材修复与再制造材料的发展趋势与建议300

参考文献302

 2017年3月，中国工程院启动了“中国3D打印材料及应用发展战略研究”咨询项目。中国工程院化工、冶金与材料工程学部联合机械、卫生等学部26位院士，组织了全国100余位3D打印领域的专家学者、历时两年的时间完成了该咨询项目，并在咨询报告的基础上，组织出版“3D打印材料丛书”。 

 《3D打印金属材料》是“3D打印材料丛书”之一，较为系统地总结了国内外3D打印金属材料技术和产业的发展现状、研究进展和发展趋势。该书的突出亮点是从材料研究的视角，对3D打印技术涉及的原料、工艺、组织性能进行了有机结合和归纳总结，具有较强的前瞻性和实用性，这对推动我国3D打印技术的发展将起到积极作用。