铝合金增材制造：新一代合金如何推动产业增长（下）

增材制造用铝合金持续发展
铝合金应用广泛，几乎无处不在。但微量其他元素就足以改变其性能。有些铝合金（类似钢）会大量添加单一元素，如前文提及的铝硅合金。更多合金则含有多种微量添加元素。

 

铝的通用性催生了极其丰富的合金体系，而增材制造领域目前仅触及了现有材料的冰山一角。前述材料的研究已揭示铝合金中金属间相形成与析出的惊人复杂性。某些相能赋予铝合金强度、韧性、耐腐蚀性甚至耐热性。

 

CustAlloy是由莱布尼兹材料工程研究所（IWU）与凯美拉国际公司专为增材制造联合开发的"防撞"铝合金

 

在AlSi10和AlSi7系列之后，最受关注的是类锻轧合金6061的材质。该合金同样添加硅镁元素，但在激光粉末床熔融（PBF-LB）领域却存在本质差异。与2000系、7000系合金类似，6061已知存在热裂纹和气孔问题。

 

但6061并未被放弃，凯美拉等供应商（通过德国Ecka Granules业务部门）已开发出针对粘结剂喷射（BJT）等增材工艺的特种牌号。6061及所有6000系合金的差异源于极低的硅含量。这导致主要α-铝相在液相线与固相线之间的凝固温度区间扩大，而更接近共晶成分的高硅铸造合金凝固区间更小。正是这种凝固区间的差异可能导致6000系合金产生热裂纹/撕裂。

 

除成分调整外，目前还有两种技术路径可改善易开裂合金：其一通过添加新元素促进第二相更快形核或抑制晶界过度生长，空客研发的Scalmalloy正是采用此路线；其二添加所谓“晶粒细化剂”加速熔池金属结晶，多家供应商即将推出的“魔术粉末”合金便基于此原理。

 

 

“魔术粉末”的妙用
在冶金领域，通过添加晶粒细化剂获得细小等轴晶组织已是公开秘诀——这种铸造行业沿用数十年的工艺，与A20X合金的技术路径异曲同工。但对于金属粉末原料，企业现多采用复合粉末混掺技术。这种方法的最大风险在于可能过度改变原始合金成分，从而导致材料性能变异。

 

由Elementum 3D与通快集团合作，为其客户Intense Cycles制造的自行车部件（使用6061-RAM2材料）
 

Elementum 3D公司率先推出商业化解决方案，其反应性增材制造（RAM）技术通过特殊配方使熔池内发生化学反应，生成亚微米级颗粒实现晶粒细化。这种独特工艺的巧妙之处在于：若未经历熔融过程，这些添加物反而会成为有害杂质。

 

反应性增材制造是一种特殊的金属3D打印技术，其核心原理是：在打印过程中通过精确控制的化学反应，原位生成强化相来优化材料性能。可以将其理解为一种“在打印过程中同步完成材料改性”的智能工艺。

 

传统方法使用成分固定的预合金粉末，而RAM技术则通过基础粉末与添加剂的原位反应，在熔池内“即时合成”所需的增强颗粒。

 

由此获得的细晶组织不仅强度出众，更具备卓越的疲劳性能。值得一提的是，Elementum 3D几乎同步开发了多款铝合金，并发现RAM技术甚至能提升纯铝粉末的物理性能。目前该技术已成功应用于1000、2024、5083、6061及7050系列铝合金。

 

铝业协会意识到，现有铸造或变形合金标准已无法准确定义粉末形态的合金材料，因此专门为粉末引入了新的编号体系。新体系包含粉末形态及其后续致密化产品的标注规范，从而与常见变形合金形成明确区分——即使这些粉末源自相同系列的基体合金。此后多家企业相继采用新编号：2A05.50（埃克特的A20X合金）和6A61.50（Elementum 3D的6061-RAM2）便是典型例证。

 

 

新型合金问世

迄今为止，讨论的均是通过成分调整来提升工艺适应性的合金，特别是针对基于粉末床熔融的增材制造工艺。然而，金属增材制造领域在全新合金开发方面也取得重大突破。Constellium、Fehrmann、NanoAl、Toyal 公司均已发布全新成分的合金配方，就连设备原厂EOS也加入了这一创新行列。

 

 

Fehrmann
Fehrmann推出的铝合金AlMgty系列，旨在以经济高效的方式满足市场对高性能合金的迫切需求。作为首个在强度、延展性、耐腐蚀性与成本效益之间实现平衡的合金家族，它试图改变增材制造领域的游戏规则。尽管并非专为增材制造设计，但AlMgty 80的开发始于2017年，一年后提交专利，最终在2019年的Formnext展上发布，并很快被游艇制造商Ziegelmayer应用于船舶领域。

 

在减重和性能至关重要的领域，铝镁合金确实备受青睐。这种材料在汽车和航空航天领域制造滑动盖板和车辆底盘部件的应用，既实现了减重又提升了燃油效率和可持续性。

 

与同行研究此类合金的路径不同，Fehrmann的策略是简化合金成分，避免使用昂贵的过渡金属或稀土元素，为追求轻量化和高强度铝合金解决方案的用户瞄准成本效益。经过数年发展，AlMgty系列已扩展至7个版本，包括专为成功实现彩色阳极氧化而开发的无硅版本。

 

尽管并非最大的铝合金供应商，但Fehrmann拥有扎实的材料开发背景。这使其能够深入研究其他合金，最终推出新型铝锌合金AlZnty——据称是首款专为增材制造设计的该类型合金。此外，费尔曼还是德国政府资助的SIGNAL项目的核心成员，该项目致力于开发用于粘结剂喷射技术的烧结基铝合金。

 

展望未来，该公司希望通过自有MatGPT软件工具加速合金开发，在更短时间内优化成分。若SIGNAL项目取得积极成果，确实可能成为金属增材制造亟需的重大突破——因为粘结剂喷射技术有望满足市场对提升生产速率的迫切需求，正如我们在金属注射成型和大批量生产领域目睹的变革一样。

 

 

Toyal
作为铝合金粉末生产领域的老牌企业，Toyal的产品组合中已包含多款增材制造市场熟知的标准合金。但鲜为人知的是，该公司在其Spheralloy品牌下还推出了其他多款增材制造专用合金。除了高硅含量的AlSi10和AlSi12外，其他铸造合金如Si9Cu3（LM26）、AC8A（LM13）和ADC12（LM2）均以铜、铁作为重要添加元素，旨在增强沉淀硬化效果。

 

Toyal还自主研发出TCFE1Z合金，专门面向汽车领域和空调单元的轻量化热交换器。这款被归类为低合金铝的材料仅含1.2%铁元素，其他成分含量极低。与AlSi10Mg及其他市售合金相比，其作为增材制造材料的显著特性在于更卓越的耐腐蚀性能。

 

 

EOS
作为唯一设立专业团队致力于粉末供应链创新及新材料开发的设备原厂，EOS以独特定位推出了两种高强度铝合金。此举旨在满足现有客户对更高强度、更优高温性能以及阳极氧化/电解抛光处理能力的迫切需求。针对业界对增材制造零件成本的持续关注，EOS明确表示新型合金必须建立全新的成本结构，目标是实现比市场上现有定制高强度增材制造铝合金更经济的综合成本。

 

在Formnext 2024展会上，EOS展台展出了这款由某汽车原厂正在评估的Al5X1铝合金支架部件

 

EOS推出的认证铝合金Al2139 AM专为高温工况设计，据称在50-200°C温度区间内具有无可匹敌的强度表现。此外，其新研发的Al5X1合金兼具高延展性、适中强度、卓越耐腐蚀性及彩色阳极氧化能力。在Formnext展会与研发团队交流时，他们特别展示了某头部汽车企业正在评估的支架部件——这件采用惊艳阳极氧化红色处理的样件正是用Al5X1制成。

 

EOS决定自主开发合金的动机之一，是为了解决高强度铝粉采购及后处理成本过高的问题。例如公司研发的铝镁合金Al5X1，不仅无需在时效处理前进行水淬工艺，其屈服强度和抗拉强度也显著优于AlSi10Mg。更重要的是，Al5X1与Al2139两种合金均未添加任何昂贵元素。

 

 

新型加工技术
尽管激光粉末床熔融技术主导市场多年，定向能量沉积技术（无论采用激光还是电弧焊工艺）也逐渐崭露头角，但某种程度上这两种技术反而阻碍了金属增材制造的更广泛普及。究其原因，在于行业长期聚焦于钛合金、镍基高温合金等特种钢及其他高附加值材料的开发。

 

面对铝合金材料时，可选材料有限、高反射材料与激光的相互作用难题，以及复杂的热处理周期等因素，都令不少从业者望而却步。开发更适合熔融类增材技术的新型铝合金是突破方向之一，另一条路径则是变革制造技术。这正是近年来涌现多种激光粉末床熔融替代技术的原因——其中部分技术天生更适合铝等低熔点金属的应用。

 

一些最佳解决方案往往返璞归真。铝基增材技术的突破并非总是来自划时代的发明，而更多源于创新应用。通过将现有技术重新赋能于增材制造领域，粘结剂喷射与冷喷涂技术实现了跨越，定向能量沉积技术也取得了一定进展。

 

Formnext 2024展会MADDE展台陈列的这款大型圆柱体构件，采用5000系列铝合金焊丝通过电弧定向能量沉积技术制造

 

虽然铝合金并非这些技术早期的重点关注材料，但今年的Formnext展会清晰展现了这一转变。值得关注的是两家公司推出的新型定向能量沉积技术，他们都选择以铝焊丝而非常规材料作为首发应用案例。

 

以大幅面机器人FDM设备闻名的Caracol公司，在今年推出了新型定向能量沉积设备Vipra。该设备集成两种焊接技术，其中包含冷金属过渡技术——这种熔化极惰性气体保护焊技术通过焊丝在熔池中的回抽运动实现熔滴过渡，其低温特性完美契合铝合金加工需求，展会重点展示的2319铝合金就是例证。

 

韩国企业MADDE作为增材制造领域的新入局者，其定向能量沉积工艺虽与市面现有技术类似，但首创展示了几乎适用于所有焊丝形式铝合金的增材制造能力。据联合创始人透露，该工艺已完成5000系铝合金的优化适配，并计划于2025年发布2000系、6000系及7000系铝合金的工艺参数。

 

 

堆叠锻造成形技术
Alloy Enterprises开发出独特的6061铝合金零件制造工艺，该技术通过轧制板材激光切割轮廓叠加构建三维构件，可视为分层实体制造技术的进阶演变。其工艺原理是：设备首先切除每层实体区域内的中空部分，随后在表面涂覆具有脱模剂功能的隔离剂。当所有切割板材完成精密堆叠后，通过扩散连接实现“固态锻造”，最终形成半固态坯料。

 

由于构件被未结合的支撑材料完整包裹，三维实体能在坯料中稳定成型。去除经隔离剂处理的支撑材料后，零件还需经过热处理以获得目标强度与性能指标。目前该工艺仅应用于6061铝合金，但可预见其他铝合金系列也将适用于这种新型金属增材制造模式。

 

部署于"圣迭戈号"两栖舰的增材制造6061铝合金部件，由Additec公司ElemX设备制造
 

 

金属熔丝制造技术
金属熔丝制造（FFF）通过将金属粉末与高分子化合物混合，已成功实现金属材料加工，相关商业解决方案问世已有数年。但基于烧结工艺处理铝合金存在公认技术难点，因此尝试者寥寥。然而有一家公司不仅成功攻克了这一难题，更对传统熔丝制造工艺进行了革新——通过直接沉积熔融铝丝，完全摆脱了对高分子粘结剂的依赖。

 

比利时企业Valcun凭借Minerva技术实现了这项突破，并将其命名为“熔融金属沉积”工艺。Valcun秉持化繁为简的设计理念，推出的设备可接入普通民用电源，其操作便捷性堪比自由成形制造领域中广泛应用的塑料熔丝打印机。

 

由Valcun公司采用熔融金属沉积工艺制造的铝合金灯罩演示部件

 

尽管目前仅提供4008和4043标准焊丝，但Valcun表示6061、6082及7000系合金也将很快面市。实际上，该技术理论上可兼容更多铝焊丝（如德国Eckhart的A20X合金，以及采用Elementum3D材料技术的Fortius Metals焊丝）。

 

MMD工艺已能直接制造无需后处理的终端部件：不仅是造型优美的灯罩，更包括实际工程构件。在近期Formnext展会上，Valcun展示的数据中心冷却风扇较传统制造版本效能提升10%。每个叶片均保持打印原始状态，其表面粗糙度并未对空气动力学产生负面影响——这或许得益于打印层纹与气流方向平行的特殊结构设计。

 

由Conflux技术公司为AMCM激光粉末床熔融设备专门研发的铝合金氩气过滤装置

 

铝合金的未来前景

展望未来，铝合金在增材制造领域的应用将持续增长。过去十年表明，依靠昂贵合金小批量生产高价值零件难以实现盈利，而铝合金的推广应用正有望突破这一瓶颈。今年Formnext展会上增材制造服务商数量有限，未能深入验证这一假设。但行业专家Conflux Technology的参展提供了重要参考——该公司专精于采用激光粉末床熔融技术制造具有精微结构的铝合金热交换器。

 

针对这一议题，Conflux表示与广大工业界同仁一样，期待出现更适合严苛工况的铝合金材料，以替代当前必须使用高性能变形铝合金的场合。例如通过AMCM设备生产的热交换器，其几何结构已展现出超越传统制造产品的性能优势。

 

然而要维持这一优势，增材制造零件必须在力学性能、热学性能及耐腐蚀性方面达到或超越传统制造零件。因此，Conflux对市场正积极推动新型高性能铝合金粉末研发的趋势表示认可。但该公司更期待行业能更聚焦于构建工艺对最终性能的影响——特别是消除各向异性，以及实现在增材制造过程中直接完成时效处理，从而避免二次热处理的必要性。

 

如今，可用的铝合金材料日益丰富，这为拓展更广泛的应用领域创造了可能。当前正是行业重新审视铝合金价值的时候。对增材制造而言，恰恰需要更多这样的专属材料——变形铝合金体系的丰富多样性正是这一需求的最佳佐证。

 

铝的轻质性本身已构成强大的商业基础，而增材制造则为铝材加工提供了极具可行性的解决方案。行业更应聚焦于开发专为增材制造特性服务的铝合金材料，让这种金属在最能发挥其优势的领域绽放光彩。