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關于鈦合金的3D打印相關

魔猴君知識堂 10天前

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銅、沙子、鋁化物……我們已經討論過許多用于3D打印的材料。今天，我們將重點介紹鈦。鈦是一種過渡金屬，在自然界中從未以純凈形式存在。為了提取鈦，需要使用金紅石（TiO2）和鈦鐵礦（FeTiO3）等礦物，并經過復雜的工藝流程。

盡管該工藝可以生產純鈦，但仍然非常耗能。所得金屬純度通?？蛇_99.9%，常與其他金屬合金化以制成高性能合金。憑借其優(yōu)異的特性，鈦已成為醫(yī)療、航空航天和汽車等領域增材制造的首選材料。它有哪些優(yōu)勢和特性？可以使用哪些3D打印技術？

圖片來源：Freepik

鈦有哪些特性？

鈦，符號為Ti，原子序數為22，是一種因其實用性和多功能性而備受推崇的材料。它以輕質、高強度、低毒性和高耐腐蝕性而著稱，使其適用于眾多應用領域。此外，鈦的強度接近鋼材，但重量卻輕約40%，因此特別適合制造輕質耐用的零件。鈦還具有耐鹽水、耐化學腐蝕和耐磨損的特性，使其成為極端環(huán)境的理想材料。除了優(yōu)異的機械性能外，鈦還具有卓越的熱性能，能夠承受高達600°C的高溫。相反，即使在極低的溫度下，鈦也能保持穩(wěn)定。

這種材料難以加工，主要原因是其導熱性低。加工過程中，與數控機床一樣，大部分熱量會被機床吸收，導致快速磨損。此外，加工過程中材料去除會產生大量廢料。面對這些挑戰(zhàn)，許多公司正在尋求更高效的鈦零件生產方法。金屬3D打印因此成為一種很有前景的解決方案。

圖片來源：AM Material

用于3D打印的不同鈦合金

如前所述，鈦在3D打印中通常以合金形式使用，但由于其良好的生物相容性，純鈦也可提取用于特定應用，例如醫(yī)療領域。多種鈦合金可用于3D打印，其中最常見的是Ti6Al-4V 5級（Ti64），這是一種鈦、鋁和釩的混合物，因其耐熱性和耐腐蝕性而備受青睞。其他合金包括適用于醫(yī)療假體和植入物的Ti6Al-4V 23級，以及強度更高、抗氧化性更強的鈦β21S，后者用于骨科植入物和航空航天發(fā)動機。純鈦（Cp-Ti）也因其良好的生物相容性而應用于醫(yī)療領域。最后，由鈦、鋁和鋯組成的TA15合金因其在航空航天和發(fā)動機行業(yè)制造耐高溫部件方面的應用價值而備受青睞。

在3D打印領域，鈦合金比純鈦更受歡迎，因為它們更適合復雜的應用。雖然純鈦以其輕質、耐腐蝕和生物相容性而聞名，但它也存在一些局限性，有時會降低其效率。事實上，純鈦的韌性、硬度和抗疲勞性相對較低，這對于需要能夠承受高載荷和反復應力的應用來說可能是一個問題。

圖片來源：Materialise

使用了哪些3D打印技術？

在3D打印中，鈦通常以金屬粉末或線材的形式使用，具體取決于所選技術。多種技術可實現(xiàn)鈦打印，為零件制造提供多種解決方案。其中最常見的技術之一是能量集中沉積（DED）。在該工藝中，粉末或線材形式的鈦被沉積下來，然后使用激光等能量源將其熔化。另一種常用的方法是激光粉末床熔融（L-PBF），也稱為直接金屬激光燒結（DMLS）或選擇性激光熔化（SLM）。該技術使用激光逐層熔化金屬粉末顆粒，從而制造出高精度鈦零件，例如由Ti6Al4V合金制成的零件。

電子束熔化(EBM)打印也用于打印鈦合金。它與激光打印不同，是在真空環(huán)境下使用電子束，特別適合制造高強度鈦合金零件，例如航空航天工業(yè)中使用的零件。此外，粘結劑噴射(BJ)3D打印是另一種方法，它將鈦粉與粘結劑粘合，然后通過燒結工藝固化。

盡管鈦合金3D打印前景廣闊，但仍存在一些值得關注的挑戰(zhàn)。首先，由于鈦合金價格昂貴，生產成本較高，鈦合金比其他增材制造材料更貴。此外，打印工藝的復雜性和零件的后處理要求也增加了成本。而且，可用于3D打印的鈦合金種類少于其他金屬，這會增加采購難度并提高成本。最后，鈦合金零件打印完成后通常需要精細的后處理，例如去除支撐結構、熱處理和拋光，才能達到所需的質量。這些額外的步驟不僅會延長生產時間，還會增加成本。

鈦合金3D打印有哪些應用？

在航空航天領域，鈦的3D打印已成為制造關鍵部件（包括渦輪葉片、支架和結構件）的必要手段。這種金屬因其輕質、高強度和耐極端溫度的獨特組合而備受青睞。在醫(yī)療領域，鈦因其生物相容性和耐腐蝕性而長期被廣泛應用。從假體到個性化植入物，這項技術通過提供更好的治療效果和縮短手術時間，徹底改變了醫(yī)療行業(yè)，Amnovis公司生產的植入物便是最好的例證。