3D打印中的鈷鉻合金

魔猴君  知識堂   1天前

鈷鉻是一種金屬合金，在各種工業(yè)應(yīng)用中具有重要意義，特別是在增材制造領(lǐng)域。鈷鉻具有獨特的強度和耐用性組合，非常適合制造在苛刻條件下需要高精度和高強度的零件，例如醫(yī)療和牙科部件。這種合金不僅機械性能優(yōu)異，而且還能利用3D打印技術(shù)模制成復(fù)雜的形狀，為個性化零件的設(shè)計和制造開辟了新的可能性。在本指南中，我們將探討鈷鉻的特性、它在3D打印中的優(yōu)勢，以及該材料在市場上的主要應(yīng)用和不同制造商。

材料特性

正如其名稱所示，這種金屬合金（CoCr）主要由化學(xué)元素鉻和鈷組成。它還含有少量其他化學(xué)元素，如鉬、鎢和鎳。它是一種非磁性合金，通過先進(jìn)的冶金工藝獲得，涉及鈷和鉻與其他元素的融合，以提高其機械性能和強度。獲取它們的最常見方法之一是電爐冶煉，其中這些金屬在感應(yīng)爐或電弧爐中在高溫下熔化。在某些情況下，一旦獲得液態(tài)合金，就可以對其進(jìn)行鍛造工藝，即通過施加壓力來加熱和成型材料。

這種材料的特點是強度高、耐用性好

然而，當(dāng)3D打印應(yīng)用需要金屬粉末形式時，鈷鉻合金也可以通過濺射獲得。在此過程中，合金利用霧化或噴涂技術(shù)轉(zhuǎn)化為細(xì)小顆粒，隨后可用于基于粉末床的增材制造技術(shù)。這些技術(shù)允許用金屬粉末制造復(fù)雜的零件，從而為高精度部件的設(shè)計和制造提供更大的靈活性。鈷鉻最顯著的特性包括：

耐腐蝕，特別是在惡劣環(huán)境中，例如氯化物濃度高的環(huán)境中。這一特性在醫(yī)療應(yīng)用中尤為重要，因為醫(yī)療應(yīng)用中需要不斷與體液接觸。

高硬度和機械強度，使該合金成為承受較大機械負(fù)荷的部件的理想選擇。此外，它即使在高溫下也能夠保持結(jié)構(gòu)完整性，這也是一個顯著的優(yōu)勢。

生物相容性：由于其耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性，鈷鉻合金具有高度的生物相容性。因此它通常不會在人體引起不良反應(yīng)，適合在醫(yī)療領(lǐng)域使用。

高導(dǎo)熱性，使其能夠在某些應(yīng)用中有效散熱。

熱穩(wěn)定性高，即在高溫下具有較高的抗變形能力。因此，它非常適合在極熱條件下運行的組件。

鈷鉻合金的3D打印

鈷鉻合金可以粉末形式用于增材制造，以制造具有復(fù)雜幾何形狀的零件。該材料主要與激光粉末床熔合（L-PBF）、電子束熔化（EBM）或選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)等工藝兼容。鈷鉻合金的熔點約為1200-1400°C，具體取決于合金的具體成分。與3D打印中常用的其他金屬（例如鋁或不銹鋼）相比，這個熔點相當(dāng)高。這就是為什么鈷鉻3D打印過程必須在高溫下進(jìn)行的原因，這需要對打印環(huán)境進(jìn)行精確的控制和高質(zhì)量的設(shè)備。

鈷鉻合金與粉末床技術(shù)兼容（圖片來源：Eplus3D）。

由于鈷鉻合金的物理和化學(xué)特性，在3D打印中使用鈷鉻合金需要考慮一些特定的技術(shù)。由于這是一種高熔點合金，因此必須調(diào)整激光能量以避免材料蒸發(fā)或熔化不良。此外，由于合金中含有鉻這種高活性金屬，因此必須格外小心地控制打印環(huán)境。建議使用氬氣或氮氣的惰性氣體，以避免與氧氣發(fā)生不必要的反應(yīng)。另一個重要方面是粉末的流動性。鈷鉻的流動性比其他金屬差，這使得在制造過程中粉末難以均勻分布。為了解決這個問題，需要精細(xì)調(diào)整打印參數(shù)以確保熔化一致且制造的零件具有良好的表面質(zhì)量。

3D打印后，必須執(zhí)行幾個后處理步驟。首先，必須緩慢冷卻零件以避免產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力或翹曲。接下來，清潔零件，包括去除粉末和拆除打印支撐（如果適用）。在某些情況下，特別是在醫(yī)療應(yīng)用中，可能需要采用熱處理，例如退火。這種處理可以改善合金的晶體結(jié)構(gòu)和機械抗性，從而提高零件的抗性。最后，通常采用拋光（電解或機械）等技術(shù)來實現(xiàn)光滑、高質(zhì)量的表面。

主要市場應(yīng)用及制造商

由于其耐腐蝕性、硬度和生物相容性，鈷鉻3D打印已應(yīng)用于眾多行業(yè)。它主要用于制造醫(yī)療部件，例如骨科植入物、牙科假體和手術(shù)器械。在這些應(yīng)用中，零件必須具有高機械強度并與人體完美兼容。它還用于航空航天和汽車工業(yè)，生產(chǎn)在極端溫度和磨損條件下工作的零件，如渦輪機和發(fā)動機部件。

鈷鉻廣泛用于醫(yī)療和牙科領(lǐng)域。

一些公司不僅提供增材制造解決方案，還提供與其機器兼容的材料，例如鈷鉻。Colibrium Additive（GE Aerospace的一部分）是一家領(lǐng)先的3D打印金屬制造公司。特別是，它開發(fā)了與其L-PBF和EBM機器兼容的CoCr合金。EOS、Eplus3D、Renishaw和3D Systems等公司也提供專為這些公司的金屬系統(tǒng)設(shè)計和測試的鈷鉻粉末。

還值得注意的是，許多材料供應(yīng)商為增材制造領(lǐng)域提供這種金屬。其中包括Carpenter Additive及其PowderRange?系列（CCM?-MC和CCM?）以及Sandvik及其標(biāo)準(zhǔn)Osprey?系列金屬粉末，其中包括用于增材制造的鈷鉻粉末。

編譯整理：3dnatives