人类材料加工的方法经历了等材制造、减材制造、增材制造三个发展阶段。等材制造，是指通过铸造、锻造、焊接等方法实现材料成形，材料的总体积保持不变，这种材料加工的方法距今已有3000多年历史。工业革命后，诸如车、铣、刨、磨等机械加工方法出现，实现了材料更加精密的加工，被视为减材制造方法。相应的，20世纪90年代发展出的增材制造技术(俗称3D打印)，是指通过材料的离散堆积，实现某些具有特定用途的材料成形。

图1 聚合物材料打印的三层镂空小球

因此，从材料成形发展的历史来看，3D打印的出现实现了材料加工方法由等材制造、减材制造到增材制造的重大转变。李克强总理在《新华文摘》署名发表的《催生新的动能 实现发展升级》中多次提到3D打印这一关键词，更是使得3D打印频繁出现于大众视野中。为了进一步地了解3D打印，我们不妨从其材料说起。

增材：公众现在谈论的“3D打印”，其专业术语就是“增材制造”，即通过逐渐增加材料的方法实现制造过程。

等材：锻造、铸造、粉末冶金等热加工方法，可粗略地看作是“等材制造”。

减材：传统的机械加工方法是“减材制造”，在其制造过程中材料逐渐减少。

一、材料是制约3D打印发展关键之一

增材制造的材料一直是制约该项技术发展的关键之一，在科研人员努力下，3D打印所能加工的材料已经由早期的低熔点非金属材料(PE、PP)到目前的高熔点金属材料。3D打印对原材料的要求比较苛刻，满足激光工艺的适用性要求所选的材料需要以粉末或丝棒状形态提供。工业级别的3D打印设备主要使用的原材料就是粉体，主要采用熔融或者烧结的技术手段对原材料进行加工。材料融化后在软件程序驱动下，自动按设计工艺完成各切片的凝固，使材料重新结合起来，完成成形。

由于整个过程涉及材料的快速融化和凝固等物态变化，对适用的材料性能要求极高，从而材料成本居高不下。比如，即使打印一个手机大小的产品，整个耗材价格至少要150元以上。基于此，未来3D打印产业需要不懈追求的目标仍将是：“研发出更多种类的材料”、“使材料获得与工艺更匹配的性能”、“实现更高的制备工艺精度和更廉的原材料价格”以及“将3D打印的直接制造技术应用到更多更广的领域”。

但是，3D打印技术及其相关材料研发市场前景乐观。17年12月，工信部等部门印发《增材制造产业发展行动计划（2017-2020年）》明确提到，到2020年，我国的增材制造年销售额将超过200亿元，年增速在30％以上。对于3D打印用金属粉末材料市场，根据IDTechEx预测，到2025年增材制造金属粉体市场将达到50亿美金的规模, 年复合增长率为39.5%。

二．铁基合金金属粉体材料极具市场前景

以钢为代表的铁基合金金属粉体材料因其来源广泛，价格低廉，综合力学性能优良等特点而成为研究的重点。3D 打印金属粉体除需具备良好的可塑性外，还必须满足粉体粒径细小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松装密度高等要求。图1、图2为不同品质金属粉体的微观结构示意图。观察图1可以发现，该制备的金属粉体粉体颗粒球形度好，颗粒尺寸分布在11.2~63.6μm 范围内。图2为不规则块状，尺寸较小。金属粉体的微观结构决定了所制得产品表面是否光泽、成形收缩率是否足够小、力学性能是否稳定。

图1 优良金属粉体的微观结构

图2 一般金属粉体的微观结构

目前，国内粉体制备技术相对欧美存在着较大差距。国产细粒合金粉体制备相对困难，粉体收得率低、氧及其它杂质含量偏高，金属粉体质量和批次稳定性差，导致了激光增材制造构件中夹杂含量高、致密性差、强度低、结构不均匀等问题。

此外，在高性能金属构件直接制造方面，需要低氧含量、细粒径、高球形度的钛及钛合金粉末或镍基、钴基高温合金粉末，以镍基粉末为例，原材料成本约200元/kg，国产产品售价一般为300～400元/kg，而进口粉末售价常在800元/kg以上。

由此可见，对于实现高级3D打印用粉体材料国产化迫在眉睫，这既是挑战，同样也是机遇！

三．常用的钢粉体材料

目前，应用于激光增材制造的较为成熟的钢粉体材料相对较少，且多沿用热喷涂系列合金或激光表面熔覆系列合金，这些材料表面涂覆层成形性能较为优异，但其成形性相对欠缺。现阶段适用于激光增材制造的钢材有316L和304L不锈钢、18Ni-300马氏体时效钢、17-4PH和15-5PH沉淀硬化不锈钢以及H13工具钢等，依据激光增材制造钢粉体的使用性能，可将其分为高强韧钢粉体、耐磨损钢粉体、抗疲劳钢粉体等类型。

高强韧性钢

高强韧钢兼具高强度、高韧性，且成形性能好，目前已成为激光增材制造钢构件的主要材料。高强韧性钢中合金元素的主要强化机制为固溶强化，析出碳化物实现第二相强化和细晶强化。因此，高强韧钢粉体多采用添加Ni、Cr、W和Mo等元素实现固溶强化以及析出的碳化物来强化合金化层。在高强韧性钢粉体体系中，不锈钢粉体材料的研究与应用相对较多，其中，316L钢是使用和研究较多的不锈钢之一，具有较好的强韧综合性能，在高温下具有较大的强度和较好的耐腐蚀性。

图3 陕西融天航空器材有限公司生产的316L球形粉末

耐磨损钢粉体

某些激光增材制造钢件需在摩擦磨损条件下使用，例如模具零件，这对钢粉体提出了较高的耐磨损性能要求。从微观结构上看，钢的磨损性主要得益于碳化物的生成，以及经历固态相变后奥氏体及参与奥氏体向马氏体的转变。一般来说，随着C元素的增多，固溶体中的渗碳体的增多和弥散分布势必会增强钢件的耐磨性，但也严重降低了材料的可塑性。如果假如其它强碳化物后形成了合金元素，则可有效解决强韧性低的问题。目前，由于耐磨损钢的成分、成形能力及其应用等综合问题较为复杂，仅有少数学者使用耐磨损材料进行激光增材制造实验。

抗疲劳钢粉体

大型复杂的钢承力零部件的服役时间长, 服役环境恶劣, 其材料必须同时拥有较好的强韧性能、加工性能和抗疲劳性能。一些学者对承力部位的钢激光增材制造件的疲劳特性进行了研究。在激光/金属相互作用过程中, 极高的能量密度使基体表面材料在成形过程中发生熔化, 熔覆层及基体受到的短周期、多循环、具有极高加热和冷却的热历史不同, 因而固态相变过程和最终组织的形貌也不同。钢材料的成分决定其升降温过程的稳态和非稳态固态相变过程是复杂而难以精准预测和控制的, 同时材料本身还要拥有优异的增材制造成形能力, 因此目前和未来一段时间, 钢材料的增材制造部件的疲劳问题会成为制约增材制造的主要原因。

图4 NanoSteel公司生产的L-40钢零部件

四．关于钢粉体材料前景展望

3D打印技术曾在很长的一段时间内被视为材料加工的镜花水月。但是，随着材料研究以及机械设备的发展，3D打印必将走出实验室的襁褓，进入工业界作为新兴的材料加工方法而完善普及。钢粉体材料先天具备的低成本，高性能也有望成为工业级3D打印工艺的中流砥柱。

尽管目前，德国3D打印巨头EOS公司激光粉末烧结技术已经获得工业界认可，生产的产品成功应用于航空发动机等项目，但其所能利用的粉末数量也仅在20种左右，而同一种设备所能使用的不同种数量也是屈指可数，可见其发展的前景仍任重道远。

图5 1991年，EOS生产的STEROS 400 SLA机器

不论是对于粉体材料中合金粉末内部组织结构的研究，以及成形工艺中所使用激光能量束作用于粉体材料时所发生物化反应的相关研究，都必将推动着钢粉体材料在工业级3D打印技术中的进一步应用。作为扎根于此的材料人，对于3D打印的兴起充满期待，同时意识到金属粉体材料作为增材制造的关键材料，也必将大展身手。

作者：小蔡

五．参考文献

董世运, 闫世兴, 冯祥奕. 激光增材制造钢粉体材料研究现状[J]. 激光与光电子学进展, 2018, (1): 76-87

张学军，唐思熠，肇恒跃. 3D打印技术研究现状和关键技术[J]. 材料工程，2016，(2)：122-12