解密3D打印金屬鈦用途（一）

鈦是增材制造中最常用的金屬之一，廣泛應(yīng)用于航空航天、關(guān)節(jié)置換和手術(shù)工具、賽車和自行車車架、電子產(chǎn)品和其他高性能產(chǎn)品。鈦因其高機(jī)械強(qiáng)度、高強(qiáng)度重量比和比不銹鋼更好的耐腐蝕性而備受推崇。

鈦金屬可減輕火箭和飛機(jī)的重量，從而節(jié)省燃料并提高有效載荷能力。它還可以減輕智能手機(jī)和VR眼鏡等電子產(chǎn)品的重量；醫(yī)療植入物也是如此。而且，當(dāng)您將鈦金屬的固有品質(zhì)與3D打印時(shí)的獨(dú)特功能結(jié)合起來時(shí)，優(yōu)勢(shì)就會(huì)成倍增加。

3D打印鈦部件：GE Additive的髖關(guān)節(jié)、Sciaky的風(fēng)扇葉片、Arcam Darker的火箭尖端、3D Systems的鈦晶格組件、EOS的鈦支架、Zenith Tecnica的手術(shù)脊柱植入物。

3D打印可以更高效地制造這種昂貴的金屬，減少原材料消耗和浪費(fèi)。作為一種增材技術(shù)，金屬3D打印通常僅使用制造零件所需的材料量，以及相對(duì)較少的支撐結(jié)構(gòu)材料量。

3D打印還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計(jì)，例如內(nèi)部通道和空心或晶格填充部件以減輕重量。這些功能是任何其他制造方法都無法實(shí)現(xiàn)的，而且由于無需模具或工具，鈦3D打印可以以經(jīng)濟(jì)高效的方式制造獨(dú)一無二的部件，例如針對(duì)特定患者的植入物、原型和研究工具。

3D打印鈦合金推動(dòng)制造業(yè)、醫(yī)療保健、太空探索等領(lǐng)域發(fā)展的例子不勝枚舉。讓我們來看看鈦合金為何如此適合增材制造。

3D打印鈦合金的特性

Atherton Cycles生產(chǎn)的3D打印鈦合金輪轂（來源：Atherton）

當(dāng)使用鈦進(jìn)行3D打印時(shí)，鈦能保持其所有機(jī)械性能，甚至可能具有更多優(yōu)點(diǎn)。

下文將介紹3D打印鈦合金的不同方法，但使用激光和電子束的方法會(huì)使鈦合金經(jīng)受多面而復(fù)雜的熱處理循環(huán)，從而影響材料的機(jī)械性能。很難對(duì)這些過程得出結(jié)論，因?yàn)槊颗_(tái)基于激光的3D打印機(jī)都不同，材料也各不相同，而且需要微調(diào)的范圍也有很多。然而，最近在這個(gè)領(lǐng)域有很多研究，大多數(shù)研究都指出3D打印鈦合金部件具有出色的結(jié)構(gòu)完整性。

例如，《材料》雜志2020年的一項(xiàng)研究比較了3D打印鈦合金牙種植體與鑄造部件。研究發(fā)現(xiàn)，與鑄造樣品相比，3D打印部件的機(jī)械性能、物理性能、耐腐蝕性和表面性能相當(dāng)或更優(yōu)越。

較新的研究得出結(jié)論，所使用的打印參數(shù)（例如激光束或電子束傳輸?shù)皆系臅r(shí)間相關(guān)溫度曲線）對(duì)最終部件的機(jī)械性能有重大影響。《材料工程與性能雜志》上的這項(xiàng)2024年研究發(fā)現(xiàn)，改變激光功率和掃描速度決定了鈦部件的整體強(qiáng)度和硬度。制造的Ti-6Al-4V合金部件的耐腐蝕性隨著激光功率的增加而改善，但隨著掃描速度的增加而惡化。

金屬3D打印機(jī)制造商MELD Manufacturing于2021年發(fā)布的數(shù)據(jù)證實(shí)，其不使用激光或電子束的工藝可生產(chǎn)出符合ASTM和AMS對(duì)鍛造材料標(biāo)準(zhǔn)要求的鈦。

Zenith Tecnica是一家專門從事鈦合金3D打印的合同制造商，該公司生產(chǎn)的定制鈦合金部件（來源：Zenith Tecnica）

這些數(shù)據(jù)是通過美國(guó)國(guó)家制造科學(xué)中心(NCMS)、陸軍研究實(shí)驗(yàn)室(ARL)和先進(jìn)制造、材料和工藝(AMMP)計(jì)劃的程序生成的，使用Ti-6Al-4V(Ti64)材料（也稱為ASTM 5級(jí)）進(jìn)行測(cè)試。數(shù)據(jù)表明，打印后的材料在所有軸上（包括打印層的Z方向）都超過了ASTM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的屈服強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的最低要求。

了解鈦

鈦粉（來源：PyroGenesis Additive）

純鈦通常不用于工程應(yīng)用，但在生物醫(yī)學(xué)市場(chǎng)中卻很常見，用于制造膝蓋和髖關(guān)節(jié)植入物等部件。鈦基合金（提供特定機(jī)械性能的金屬成分受控混合物）廣泛應(yīng)用于需要實(shí)現(xiàn)非常特殊的部件性能的眾多行業(yè)。金屬材料供應(yīng)商長(zhǎng)期以來一直為制造商提供鑄造用鈦，現(xiàn)在他們提供專門為增材制造配制的鈦粉。

華盛頓大學(xué)地球豐富材料部署與研究中心的金屬3D打印實(shí)驗(yàn)室使用鈦制造零件（來源：華盛頓大學(xué)）

用于增材制造的鈦合金

5級(jí)鈦合金6Al-4V是增材制造中最常用的鈦合金，是航空航天和汽車領(lǐng)域以及軍事應(yīng)用的原型和功能部件的理想選擇。它也是制造具有復(fù)雜幾何形狀和精度的零件以及生產(chǎn)工具的極佳材料。

23級(jí)鈦6Al-4V是一種生物相容性合金，常用于醫(yī)療植入物和假體。

鈦合金Beta 21S的強(qiáng)度高于傳統(tǒng)鈦合金（例如Ti-6Al-4V），并且與傳統(tǒng)鈦合金（例如Ti-15V-3Cr）相比，具有出色的抗氧化性和抗蠕變性。21級(jí)鈦合金的氫吸收效率是所有鈦合金中最低的之一。它是骨科植入物和航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的理想選擇。β鈦在正畸領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

Cp-Ti（純鈦），1、2級(jí)，由于鈦與人體的生物相容性，在醫(yī)療領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

TA15是一種近α鈦合金，添加了鋁和鋯。TA15制成的部件具有高比強(qiáng)度、高承載能力和耐高溫性，可用作飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的重型部件。

編譯整理：ALL3DP