钴铬合金在 3D 打印中的应用

• 1
  合金在成为零件之前是什么
• 2
  熔池如何构建致密零件
• 3
  实际出现的四类缺陷
• 4
  从打印毛坯到成品零件
• 5
  打印何时占优、何时不划算
• 6
  打印 CoCr 与机加工 CoCr 对比

钴铬不是单一材料，而是一类钴基合金，其中铬的质量分数大致在 26% 到 30% 之间，其余成分决定其行为。CoCrMo（ASTM F75、F1537）等医用牌号添加 5% 到 7% 的钼，以提高耐腐蚀性和铸造性。牙科和耐磨牌号则添加钨，提高硬度但牺牲延展性。部分航空航天牌号含镍，许多则不含。

用于增材制造时，合金以气雾化粉末形式供应，激光粉末床熔融通常为 15 到 45 μm，电子束熔融为 45 到 105 μm。颗粒形状比数据表显示的更重要。卫星颗粒少的球形粉末在铺粉刮刀下流动均匀；不规则的批次会在料斗中架桥，并在层中留下条纹。

这些物理数据解释了大部分工艺难点。熔化范围约在 1200 到 1400 °C，热导率低，约为 13 到 15 W/m·K，且该合金在高温下保持硬度的能力远优于铝或不锈钢。低热导率意味着热量不会迅速离开熔池，因此熔池保持较大，周围粉末保持高温。

这一组合就是钴铬合金在 3D 打印中的全部要点：良好的熔池润湿、高硬度、缓慢冷却。每个参数和每种缺陷都源于这三点。

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  CoCrMo含钼。医用和牙科标准，耐腐蚀，中等硬度。
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  CoCrW含钨。热硬度更高，用于耐磨表面和部分工装。
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  粉末粒度L-PBF 用 15–45 μm，EBM 用 45–105 μm。粒度需与设备匹配。
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  重复使用筛分后的粉末可重复使用，但氧含量和卫星颗粒含量会随循环次数上升。

在激光粉末床熔融中，200 到 400 W 光纤激光以 600 到 1200 mm/s 的速度扫描截面，扫描间距约 0.08 到 0.12 mm，层厚 20 到 40 μm。激光并非熔出一个干净的孔洞，而是形成匙孔或传导模式熔池，润湿进入前一层，道宽必须与相邻道充分重叠，以避免道间孔隙。

由于钴铬导热差，与同等不锈钢参数组相比，熔池更宽、保持液态更久。这对结合有利，对几何形状危险。与垂直方向约 45° 以内的悬垂通常无需支撑即可打印。角度更小，无支撑边缘在冷却时翘曲，铺粉刮刀会撞上。

10⁵ 到 10⁶ K/s 的冷却速率将显微组织冻结为细小的胞状或枝晶状。这不是合金在铸件中会达到的平衡组织。残余应力逐层累积，零件从基板切下后可能弯曲。去除前进行去应力是标准做法，不是可选步骤。

电子束熔融的机理不同。700 到 1000 °C 的预热床、更快的扫描和真空腔意味着更低的残余应力和更小的变形。代价是表面质量。EBM 零件更粗糙，后续需要去除更多材料。

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  激光功率在 100 μm 光斑设备上，CoCr 典型为 200–400 W。
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  层厚20–40 μm。超过一定程度后，更薄的层耗费时间而非提升质量。
• 3
  悬垂极限与垂直方向约 45°，超过则必须加支撑。
• 4
  气氛L-PBF 用氩气，EBM 用真空。吸氧会硬化并脆化零件。

气孔表现为几十微米的圆形孔洞，在匙孔塌陷或粉末携带雾化内部空洞时被捕获。这通常是粉末质量问题，而非参数问题。换一批粉末往往比重新调激光更快解决。

未熔合缺陷更扁平、边缘更锐利，位于两条扫描道或两层之间的边界处，熔池未能润湿进入。这类缺陷最危险，因为循环载荷下的尖锐内部缺口会成为裂纹源。X 射线或 CT 检测是不破坏零件就能发现它们的唯一可靠方法。

残余应力引起的变形表现为基板翘曲、悬垂卷曲，或从基板切割时开裂。在线切割释放前于 800 到 1150 °C 范围内退火可去除大部分驱动应力。跳过这一步，零件会在最后一道工序后变形，这是最糟糕的时机。

下表面的球化是热问题。熔池下塌进入下方松散粉末，凝固成粗糙的部分烧结表皮。支撑结构可限制下塌，但也带来下一个问题：从硬化合金上去除支撑而不损伤零件。

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  气孔圆形孔洞。首先检查粉末批次和雾化质量。
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  未熔合道间尖锐孔洞。提高能量密度或减小扫描间距。
• 3
  残余应力从板上切下前，在 800–1150 °C 范围内退火。
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  鼓胀粗加工下表面。添加支撑或重新调整零件方向。

打印的钴铬零件是近净成形毛坯。打印态表面约为 Ra 8 至 15 μm，远达不到轴承面或配合面的要求。去应力后的第一道工序是去除支撑，通常先用手持切割片，再在关键面上用 CNC 加工。用手工工具从 40 HRC 的合金上切下支撑，速度慢且容易出错。

热等静压可闭合内部孔隙并均匀化显微组织。典型循环为 1000 至 1200 °C、100 至 150 MPa，保温两到四小时，随后控制冷却。对于疲劳关键件或植入级零件，HIP 是常规工艺。对于承受静载的支架，可能是不必要的成本。

随后热处理确定最终硬度。固溶处理和时效可将 CoCrMo 提高到 35 至 45 HRC，具体取决于牌号和循环。确切的工艺配方属于合金供应商，而不是通用表格。索取证书并按其执行。

机加工和精加工放在最后。打印的 CoCr 磨蚀性强，刀具钝化时会加工硬化，并在切削刃处积热。带硬质涂层的硬质合金、适中的切削深度和充足的切削液是基本配置。需要 ±0.02 mm 的打印面几乎总是通过铣削而非直接打印到尺寸。

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  去应力在从基板上切下零件之前，而不是之后。
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  HIP1000–1200 °C、100–150 MPa。闭合内部孔隙。
• 3
  时效硬化因牌号而异。耐磨 CoCrMo 目标 35–45 HRC。
• 4
  精加工硬质合金、涂层、低切削深度、大流量切削液。

打印在刀具无法触及的复杂结构上占优。内部通道、点阵结构、随形冷却流道以及没有平直基准面的有机支架都适合增材制造。钴铬还能在同一工序中获得坚硬、耐腐蚀、生物相容的表面，这就是牙科支架和骨科植入物率先采用的原因。

打印在批量简单几何形状上不占优。圆柱衬套、轴、法兰接头：这些在车床或铣床上更快、更便宜，且材料性能更可预测。打印的 CoCr 性能具有方向依赖性。同一批次中的水平和垂直试样测试结果不同，忽略这一点的设计会以 FEA 未预测到的方式失效。

尺寸是另一个边界。大多数金属粉末床设备的成形范围在 250 至 400 mm 以内。超出此范围的零件需要分段和连接，这会增加一个必须经过验证的接头。在钜亮五金（GreatLight），我们在五轴加工中心上加工钴铬及其他硬质合金，最大可达 4,000 mm，因此大型 CoCr 零件通常从棒料或板材开始，而不是粉末。

实用规则：打印形状，加工接口。带有加工配合面、内孔和螺纹的打印 CoCr 零件，兼具增材制造的几何自由度和减材制造的公差与表面质量。这种混合路线是大多数量产项目最终采用的方案。

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  选择打印内部通道、点阵、有机几何形状、中低批量。
• 2
  选择机加工简单几何形状、严格公差、大批量、大尺寸范围。
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  混合打印复杂主体，加工关键接口。