在傳統制造中，有數千種合金可供選擇。相比之下AM-增材制造目前可選擇的合金范圍則十分有限，此外，航空航天零部件需要滿(mǎn)足關(guān)鍵功能，其設計在惡劣環(huán)境（高壓、腐蝕性流體，或低溫（-?252°C）再到通常超過(guò) 1000°C 的高溫），并且必須經(jīng)常運行在高負載環(huán)境下，這對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(guò)專(zhuān)欄文章《航空部件的穩健金屬增材制造工藝選擇和開(kāi)發(fā)》分析了工藝選擇的考慮。本期谷.專(zhuān)欄，將結合《Robust metal Additive Manuacfacuring Process Selection and Development for Aerospace Components》這篇研究論文，與谷友深度了解航空航天制造業(yè)常見(jiàn)的3D打印合金特性、增材制造加工特點(diǎn)及加工挑戰。

AM-增材制造為高復雜性組件提供了大批量航空航天生產(chǎn)，否則傳統制造技術(shù)無(wú)法實(shí)現。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，但 L-PBF 選區激光金屬熔融3D打印是目前中最主要的工藝，其次是 DED（包括丁 LW-DED 和 LP-DED）。

航空增材制造需求的金屬選擇已擴大到包括鋁合金、不銹鋼、鈦合金、鎳基和鐵基高溫合金、銅合金和耐火合金。

其中一些合金的根源可以追溯到傳統的加工方法，并繼續用于航空航天部件。新的和現有的合金都在不斷地開(kāi)發(fā)中，所以目前列舉的合金并非包羅萬(wàn)象。

此外，目前的許多合金僅達到了開(kāi)發(fā)階段，可能不完全符合使用特定增材制造工藝的航空航天應用的要求，在制造工藝中，L-PBF、LP-DED 和 AW-DED 是研究最多的領(lǐng)域。

根據所使用的增材制造工藝，原料從預合金粉末（通常通過(guò)氣體霧化生產(chǎn)）、線(xiàn)材、片材或實(shí)心棒材不等。雖然與鍛造合金相比，可用合金的數量有限，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(guò)需要注意的是成熟度各不相同。

l 鎳基高溫合金

鎳基高溫合金在A(yíng)M-增材制造平臺上廣泛流行，Inconel 625 和 Inconel 718 用于許多應用。選擇鎳和鐵基高溫合金是因為它們在高溫和高壓下具有出色的機械性能，并且經(jīng)常用于惡劣的環(huán)境（耐腐蝕和抗氧化）。

A-286、JBK-75 和 NASA HR-1 等鐵基高溫合金通常用于高壓氫應用（例如火箭發(fā)動(dòng)機），以降低與氫環(huán)境脆化 (HEE) 相關(guān)的風(fēng)險。此外，這些超合金具有高抗蠕變性。這些特性的結合有助于顯著(zhù)提高現代飛機發(fā)動(dòng)機的效率。

高溫合金是制造高壓燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機中的燃燒室、渦輪機、外殼、圓盤(pán)和葉片等許多部件的關(guān)鍵金屬。

其他高溫和低溫應用包括用于液體火箭發(fā)動(dòng)機的閥門(mén)、渦輪機械、噴射器、點(diǎn)火器和歧管。目前，從重量來(lái)看，超過(guò)50%的先進(jìn)飛機發(fā)動(dòng)機由鎳基高溫合金組成。

l 鈦合金

強度重量比是另一個(gè)關(guān)鍵指標，這也是鈦合金大派用場(chǎng)的原因。鈦合金被高度集成在航空航天應用中——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(lái)說(shuō)，Ti-6Al-4V 是起落架、軸承架、旋轉機械、壓縮機盤(pán)和葉片、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) 用于壓縮機葉片和旋轉機械，而鋁化鈦 (γ-TiAl) 被積極用于渦輪葉片。

l 鋁合金

雖然比鈦合金更弱，但鋁合金具有良好的強度重量比，是一種常見(jiàn)的（和成熟的）航空航天材料選擇。根據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、2xxx、4xxx、6xxx、7xxx 系列，其中許多是使用固態(tài)增材制造工藝制造的，可用于 AFS-D 和 UAM 工藝來(lái)加工。

鋁合金已經(jīng)發(fā)展到通過(guò)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(kāi)裂，包括 AlSi10Mg、F357、A205、7A77、6061-RAM2、Scalmalloy 等，然而，鋁合金也存在許多缺點(diǎn)，因為其高溫性能較差，存在焊接修復問(wèn)題，并且普遍存在較差的抗應力，腐蝕開(kāi)裂性等挑戰。

l 不銹鋼

與鈦或超合金相比，不銹鋼具有良好的強度重量比、耐高溫能力以及較低的成本，因此廣泛用于飛機和航天器部件。不銹鋼在適當的環(huán)境下表現出高耐腐蝕性、抗氧化性和耐磨性。

不銹鋼用于發(fā)動(dòng)機和排氣系統、液壓部件、熱交換器、起落架系統和結構接頭。鋼也被用于航空部件，例如鉸鏈、緊固件、起落架和飛機上的其他部件。各種不銹鋼和特種鋼通常與 AM 一起使用，包括奧氏體（即 316L）和沉淀硬化 (PH)。然而，盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，但鋼的密度相對較高，因此其用途僅限于減少系統質(zhì)量。由于某些合金容易開(kāi)裂，鋼在增材制造中并不受歡迎，而且它可以通過(guò)傳統技術(shù)輕松成型，并且通常用于復雜性較低的組件中。

根據3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀(guān)察，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(kāi)發(fā)了一種新的氧化物彌散強化中熵合金 (ODS-MEA)。這種ODS 合金的納米級陶瓷顆粒分布在金屬中。

根據3D科學(xué)谷的了解，最初這種合金是為了提高極端溫度下的機械性能（例如，抗蠕變性、拉伸強度、微觀(guān)結構完整性）而開(kāi)發(fā)的。這種合金在燃氣輪機、火箭發(fā)動(dòng)機、核反應堆和其他高溫應用的金屬部件中顯示出應用前景。然而，生產(chǎn)此類(lèi)合金的傳統機械合金化工藝效率極低、耗時(shí)且成本高，而3D打印開(kāi)辟了一條成就這種合金的捷徑。

NASA 的 ODS-MEA 材料通過(guò)選區激光熔化L-PBF金屬3D打印技術(shù)進(jìn)行加工。該合金可以制造成復雜的幾何形狀，并且可以抵抗應力開(kāi)裂和樹(shù)枝狀偏析。

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，并且比目前使用 3D 打印部件的強度提高了 30%。新的 ODS-MEA 合金可以在目前使用 ODS 合金的地方找到應用（例如，那些涉及極端熱環(huán)境的應用），包括用于發(fā)電、推進(jìn)（火箭、噴氣發(fā)動(dòng)機等）、核能應用以及采礦和水泥生產(chǎn)行業(yè)的制備設備，燃氣輪機部件（提高進(jìn)氣溫度可提高效率）等等。

l  鈷基高溫合金、銅合金

對于不需要高導熱性的高溫應用，可以使用鈷基合金（包括 CoCr 和 Stellite）。然而，當導熱性成為優(yōu)先事項時(shí)，銅合金會(huì )脫穎而出。它們的高導熱性自然適用于熱交換器。對于火箭應用，最高熱通量出現在推力室組件內，因此該區域是承受高壓的區域。反過(guò)來(lái)，在這些環(huán)境中使用的銅合金需要高強度和高導熱性（同時(shí)滿(mǎn)足與所選推進(jìn)劑的材料兼容性需求）。

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

l 其他

增材制造可以創(chuàng )建定制的雙金屬和多金屬金屬?？梢栽谠O計中離散地添加材料以?xún)?yōu)化熱或結構特性?？梢灾圃旖Y構護套、法蘭、凸臺或其他特征的產(chǎn)品，以?xún)?yōu)化整個(gè)子系統的重量。這些可以包括離散金屬過(guò)渡或功能梯度材料 (FGM)。

可用于航空航天應用的其他金屬合金包括難熔金屬，例如鈮、鉭、鉬、錸和鎢及其合金。鈮基 C-103 在輻射冷卻噴嘴、空間反應控制系統和高超音速機翼前緣等應用中很常見(jiàn)。

其他鈮基合金（WC3009、C129Y、Cb752、FS-85）用于飛行器熱保護系統以及空間反應堆堆芯結構。

鉭基合金（Ta10W、Ta111、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用，例如堿金屬熱管和核熱推進(jìn)燃料元件。重基合金在增材制造方面的開(kāi)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。