2. 金属增材制造材料体系

金属增材制造（AM）的材料体系并不是把传统牌号简单“搬”到粉末床上就能用。同一化学成分，经过激光/电弧快速熔凝后，会形成与传统铸锻件不同的非平衡组织：晶粒更细、残余应力更高、气孔与未熔合缺陷更敏感。因此，理解材料体系的关键，是把“牌号—工艺窗口—成形后组织—性能—适用场景”串成一条链，而不是孤立地背牌号。

下面按铁基、镍基、钛基、铝基、钴基五类展开。每类先给出常用牌号与成分特征，再说明增材工艺下的组织与性能特点，最后落到典型零件与选材判断依据。

铁基合金：低成本、高强韧的“主力军”

铁基在金属增材中占比最大，常见牌号包括 316L、17-4PH、H13、18Ni300（马氏体时效钢）、420 等。316L 是奥氏体不锈钢，含 Cr 16–18%、Ni 10–14%、Mo 2–3%，耐蚀性好、焊接性好，是激光粉末床熔融（LPBF）最成熟的材料之一。其增材态组织为细小的胞状/柱状奥氏体，屈服强度通常可达 500–600 MPa，高于退火态锻件，但塑性略低；经 400–600 ℃ 去应力退火后可恢复部分延展性。

17-4PH 是沉淀硬化不锈钢，含 Cu、Nb，通过 480–620 ℃ 时效析出富 Cu 相强化。LPBF 成形后需先固溶（约 1040 ℃ 水淬/空冷）再时效，硬度可达 35–44 HRC，适合模具、阀体、齿轮等耐磨耐蚀件。H13 是热作模具钢，增材后需预热基板（约 200–400 ℃）以降低开裂风险，常用于随形冷却模具。18Ni300 马氏体时效钢含 Ni 18%、Co 8–9%、Mo 5%，时效后强度可达 1800–2000 MPa，用于高载荷结构件。

铁基的选材判断：若要求耐蚀+中等强度+低成本，选 316L；若要求高硬度+一定耐蚀，选 17-4PH；若要求热强性与抗热疲劳，选 H13；若要求超高强度，选 18Ni300。铁基的共性风险是热裂纹与残余应力，尤其 H13 和 18Ni300 需控制扫描策略与基板预热。

镍基合金：高温与耐蚀的“天花板”

镍基常见牌号有 IN718、IN625、IN738、Hastelloy X、CM247LC 等。IN718 是增材领域最成熟的镍基高温合金，含 Nb 5%、Mo 3%、Ti 0.9%、Al 0.5%，依靠 γ″（Ni₃Nb）和 γ′ 强化，使用温度可达 650 ℃。LPBF 成形后需进行双级时效（约 720 ℃/8 h + 620 ℃/8 h），使 γ″ 析出，室温屈服强度约 1000–1200 MPa，高温持久性能好，广泛用于航空发动机燃烧室、涡轮盘、火箭喷嘴。

IN625 是固溶强化型，含 Mo 9%、Nb 3.6%，耐蚀性极强，适合海洋、化工环境，但高温强度低于 IN718。IN738、CM247LC 是 γ′ 强化铸造合金，Al+Ti 含量高，增材时裂纹敏感性大，需高预热（>800 ℃）或采用电子束熔融（EBM）才能稳定成形，用于涡轮叶片等热端件。Hastelloy X 抗氧化、抗高温氧化，用于燃烧室火焰筒。

镍基选材判断：650 ℃ 以下高强+可焊，选 IN718；强腐蚀+中温，选 IN625；更高温（>800 ℃）热端件，选 IN738/CM247LC，但必须接受高预热与裂纹风险。镍基的共性问题包括：粉末成本高、加工硬化严重、后处理去应力窗口窄。

钛基合金：轻质高强的“航空宠儿”

钛基常见牌号有 Ti-6Al-4V（TC4）、Ti-6Al-4V ELI、纯钛 TA1/TA2、Ti-6242 等。Ti-6Al-4V 占钛合金增材的 80% 以上，含 Al 6%、V 4%，α+β 双相组织，密度约 4.43 g/cm³，抗拉强度约 900–1100 MPa。LPBF 成形后为针状马氏体 α′，硬度高、塑性低，需在 700–800 ℃ 退火使 α′ 分解为 α+β，延伸率可从 6% 提升到 10% 以上。

钛合金增材的最大优势是轻量化与复杂结构一体化，如航空支架、髋臼杯、骨小梁植入体。其关键风险是氧污染：粉末和成形腔氧含量需控制在 1000 ppm 以下，否则形成脆性 α 层，降低疲劳寿命。此外，钛合金导热差、熔池易过热，需优化激光功率与扫描速度。Ti-6Al-4V ELI 降低间隙元素，用于医疗植入。Ti-6242 用于 500 ℃ 以上航空件，但增材工艺窗口窄。

钛基选材判断：一般航空结构+医疗，选 Ti-6Al-4V/ELI；低成本耐蚀，选纯钛；高温（500–550 ℃）选 Ti-6242。钛基的共性是必须做热等静压（HIP）以消除内部气孔，尤其疲劳件。

铝基合金：轻量化但“难打印”

铝基常见牌号有 AlSi10Mg、AlSi7Mg、Al-Mg-Sc-Zr、7075、6061 等。AlSi10Mg 是增材最成熟的铝合金，含 Si 10%、Mg 0.3%，LPBF 成形后为细小的 Al-Si 共晶网络，抗拉强度约 350–450 MPa，延伸率 6–10%，经 160–180 ℃ 时效可进一步提升。其优点是导热好、比强度高、成本低，用于散热器、轻量化支架、无人机结构件。

7075、6061 等变形铝合金在增材中裂纹敏感，因为凝固区间宽、热裂倾向大。解决途径包括：添加 Sc、Zr 形成 Al₃(Sc,Zr) 弥散相细化晶粒，或采用纳米颗粒修饰粉末。Al-Mg-Sc-Zr 增材后屈服强度可达 400–500 MPa，但 Sc 成本高。铝基的共性问题是粉末易氧化、激光反射率高（需更高功率）、成形后需去应力退火。

铝基选材判断：一般轻量化+导热，选 AlSi10Mg；高强+可焊，选 Al-Mg-Sc-Zr；7075/6061 需谨慎评估裂纹风险，通常不推荐直接 LPBF。

钴基合金：耐磨耐热的“特种兵”

钴基常见牌号有 CoCrMo、CoCrW、Stellite 6、Stellite 21 等。CoCrMo 是医疗植入（髋关节、膝关节）和牙科修复的经典材料，含 Cr 27–30%、Mo 5–7%，增材后为 γ 相基体+碳化物，硬度约 25–35 HRC，耐磨耐蚀。Stellite 6 含 W 4–6%、C 1.2%，用于阀门密封面、高温耐磨件，增材后碳化物分布均匀，耐磨性优于铸造。

钴基的增材特点是熔池流动性好、裂纹敏感性低于镍基高温合金，但粉末成本高、加工硬化严重。CoCrMo 用于医疗时需控制孔隙率与表面粗糙度，通常配合 HIP 与机加工。Stellite 6 用于激光熔覆修复，可显著延长阀门寿命。

钴基选材判断：医疗植入+耐磨，选 CoCrMo；高温耐磨+修复，选 Stellite 6/21。钴基的共性是密度高、成本高，适合小体积高价值件。

选材的实操判断：从需求到牌号

面对一个具体零件，建议按以下顺序判断：第一，确定最高使用温度。若超过 650 ℃，直接进入镍基或钴基；若 300–650 ℃，考虑钛基或铁基；若低于 300 ℃，铝基、铁基均可。第二，确定腐蚀/磨损环境。强腐蚀选镍基 IN625 或钛基；耐磨选钴基 Stellite 或 17-4PH。第三，确定强度与疲劳要求。疲劳件必须 HIP，且优先选 Ti-6Al-4V ELI 或 IN718。第四，评估可打印性。7075 铝、IN738 镍基裂纹风险高，需预热或换材料。第五，核算后处理成本。镍基时效炉、钛基 HIP、钴基机加工都会显著增加成本。

最后强调粉末管理：不同牌号粉末不可混用，钛基与铝基粉末需惰性气体保护，镍基粉末需防潮。粉末粒径通常 15–53 μm（LPBF）或 45–105 μm（EBM/DED），氧含量、流动性、松装密度直接影响铺粉质量与缺陷率。材料体系的选择，最终要落到“粉末—工艺—后处理—检测”的完整链条上，才能稳定获得目标性能。