橫向?qū)Ρ龋?D打印最常用的金屬材料鈦合金VS鋁合金

導(dǎo)讀：金屬目前是增材制造工藝中最受歡迎的材料之一，其優(yōu)異的性能適合用于對性能和強度方面要求最苛刻的領(lǐng)域。本文，我們將重點介紹 3D 打印中使用的兩種主要金屬：鈦和鋁。這兩種材料主要用于激光粉末床熔合（L-PBF） 或定向能量沉積（DED） 等工藝，材料一般是粉末形式。我們將比較它們的異同，以便更好地了解它們的特性和應(yīng)用，以及它們在制造過程中提供的優(yōu)勢。

鈦與鋁的生產(chǎn)和特性

鈦

鈦是一種在自然界中不會作為單獨元素出現(xiàn)的材料，必須從金紅石 （TiO2） 或鈦鐵礦 （FeTiO3） 等礦物中提取。純鈦的提取是一個復(fù)雜的過程，涉及多個步驟。生產(chǎn)純鈦最廣泛使用的方法是Kroll法，由美國化學(xué)家威廉·J·克羅爾于1940年開發(fā)。該方法使用氯氣（Cl2）還原二氧化鈦（TiO2）生產(chǎn)四氯化鈦（ TiCl4），然后用鎂 （Mg） 還原。雖然 Kroll 法在生產(chǎn)純鈦方面很有效，但它是一個需要大量能源的高成本的過程。此外，鈦的高反應(yīng)性使其難以作為純金屬獲得，純度為99.9% 的樣品被認(rèn)為是商業(yè)純鈦。因此，它通常與其他元素結(jié)合使用以形成合金。

鈦具有許多特性，因此可以用于許多領(lǐng)域。它通常以合金形式使用，但由于其高生物相容性，純提取鈦常被用于醫(yī)療行業(yè)。其主要特點是機械強度高、密度低、耐腐蝕性能優(yōu)良、剛性高。

用于3D打印的鈦合金主要有以下幾種：

●Ti6Al-4V，5 級：最重要和最常見的鈦合金。由于其高強度和耐用性，它被用于增材制造。該合金由鈦、鋁和釩組成，可承受高溫和腐蝕環(huán)境。

●Ti6Al-4V，23 級：由于其生物相容性，常用于醫(yī)療植入物和假體。

●Ti Beta 21S：比傳統(tǒng)鈦合金更堅固，也更耐氧化和變形。它非常適合骨科植入物和航空發(fā)動機應(yīng)用。Beta 鈦在正畸學(xué)中備受推崇。

●Cp-Ti（純鈦），1 級、2 級：由于鈦與人體的生物相容性，這種合金在醫(yī)療行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。

●TA15：一種幾乎完全由鈦制成的合金，其中添加了鋁和鋯。由這種合金制成的部件非常堅固且耐高溫，非常適合制造飛機和發(fā)動機的堅固部件。相對于它們的強度，它們也很輕。

鋁

鋁是一種在輕質(zhì)和強度之間提供極佳折衷的金屬。除了耐腐蝕外，它還可以焊接。它的純凈狀態(tài)非常罕見，因此它以合金的形式使用，其中含有可改善其物理和機械性能的金屬，例如硅和鎂。要想獲得純鋁，需要首先使用Bayer 法從鋁土礦中獲得氧化鋁。礦石經(jīng)洗滌粉碎，溶于燒堿，過濾得到純氫氧化鋁。然后加熱得到氧化鋁粉末。然后使用 Hall-Heroult 工藝，對氧化鋁進行電解還原以獲得純鋁。

如上所述，鋁合金比純鋁更常見，并用于許多工業(yè)應(yīng)用。此外，它們還具有非常好的強度重量比以及非常好的抗疲勞和耐腐蝕性能。它們還具有可回收性、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，并且毒性低。

用于鋁3D打印的主要合金有以下幾種：

●AlSi10Mg：這是由硅和鎂形成的最常見的合金。它可用于制造堅固和復(fù)雜的零件，并用于制造外殼、發(fā)動機零件和生產(chǎn)工具。

●Al2139：最強的鋁合金，由于其重量輕、強度高和耐化學(xué)性，非常適合汽車等行業(yè)。它已被美國空軍、梅賽德斯-奔馳和空中客車等組織使用。這種材料的美妙之處在于它專為增材制造而設(shè)計，性能優(yōu)于市場上的許多其他合金。

●Al 7000系列：這是一個著名的粉末合金系列，具有高抗拉強度和耐低溫性。

●Al 6061 & Al 7075：最近，3D 制造商使用這兩種合金取得了很好的效果。6061 的抗拉強度和硬度低于 7075。另一方面，7075 具有比 6061 鋁更好的抗沖擊性和更小的變形。

●A201.1 ： 它是 200 系列銅鋁合金的一部分，以非常堅固著稱。但是，它們很難鑄造。這些合金推薦用于強度重量比至關(guān)重要的應(yīng)用，例如運輸和航空航天。

兩者之間有什么區(qū)別？

就強度重量比而言，當(dāng)需要高強度和堅固性時，鈦是理想的選擇，這就是為什么它被用于醫(yī)療部件甚至衛(wèi)星部件的原因。另一方面，雖然鋁不如鈦堅固，但它更輕且更實惠。就熱性能而言，鋁非常適合需要高導(dǎo)熱性的應(yīng)用。另一方面，鈦因其高熔點而非常適合高溫環(huán)境中的應(yīng)用，例如航空發(fā)動機部件。鋁和鈦都具有優(yōu)異的耐腐蝕性。然而，鈦比鋁更具有生物相容性，這就是它被廣泛用于醫(yī)療領(lǐng)域的原因。

材料形式和與 3D 打印技術(shù)的兼容性

形式

在大多數(shù)情況下，鈦和鋁以粉末形式出現(xiàn)，但它們也可以線材形式提供，例如 Virtual Foundry 或 Nanoe 提供的鈦或鋁絲。要用這些金屬 3D 打印零件，必須首先獲得合金粉末，這主要使用兩種技術(shù)完成：等離子霧化或氣體霧化。等離子體（電離氣體）霧化是一種使用高溫、能量和熱源、惰性介質(zhì)（例如氬氣）和高速霧化金屬的過程，這個工藝生產(chǎn)出高質(zhì)量的耐磨粉末。而氣體霧化使用空氣、氬氣或氦氣作為氣體來破碎熔融材料流，這是一種非常有效的工藝，廣泛用于生產(chǎn)細(xì)小的球形金屬粉末。

使用的 3D打印技術(shù)

要在 3D 打印中使用鈦，可以使用的工藝包括激光粉末床熔化 （L-PBF）、DED 和粘合劑噴射（BJ）。對于與鋁有關(guān)的工藝，除了已經(jīng)提到的那些之外，還有一種是冷噴涂。

在 L-PBF 中，激光束用于逐層加熱粉末金屬至其熔點并構(gòu)建物體。鈦在非常高的溫度 （1，600°C） 下熔化，因此需要在 3D 打印之前分析材料的熱效應(yīng)和機械效應(yīng)。鋁的熔化溫度低得多（約 630°C），但鋁具有高反射率和導(dǎo)熱性。鋁增材制造的另一個有趣的方面是它形成了一個自然氧化層。

關(guān)于 DED，它與前一個工藝非常相似，但這里的材料在噴嘴沉積時熔化，并且可以粉末或線材形式用于制造。通常，該技術(shù)會帶來更高的生產(chǎn)速度和更低的單位體積成本。

在BJ的工藝下，材料為未熔化的粉末形式，而是為了使顆粒相互粘附，使用多噴頭打印將粘合劑噴射到特定位置的層上頭。打印后還需要進行燒結(jié)步驟或其他固化后處理。當(dāng)它們離開 3D 打印機時，這些部件非常脆弱且多孔，需要進行熱處理才能達(dá)到最終的機械性能。

在冷噴涂工藝中，金屬材料也以粉末形式存在，但由于在這種情況下不必熔化或融合，冷噴涂可避免熱變形，并且不需要保護氣氛。

后期處理

為了獲得最佳結(jié)果，必須經(jīng)過一個或多個后處理步驟。鈦和鋁的后處理沒有具體差異，因此以下步驟適用于這兩種材料。由于鈦和鋁經(jīng)常用于承受機械應(yīng)力的應(yīng)用，因此噴丸處理非常有用。將小金屬或陶瓷珠噴向零件表面，使零件表面層產(chǎn)生受控變形。這提高了后續(xù)涂層的附著力，并降低了裂紋和斷裂的可能性等。噴丸處理僅去除材料的頂層，這可以改善零件的美觀，去除污垢和腐蝕，并為后續(xù)涂層準(zhǔn)備表面。

另一種選擇是將金屬打印與傳統(tǒng)制造方法相結(jié)合。CNC 加工是一種適合此目的的后處理工藝，因為它可確保嚴(yán)格的公差和所需的表面光潔度。特別是使用 DED 技術(shù)，3D 打印部件的表面非常粗糙，因為金屬在噴出過程中直接熔化。因此，始終需要 CNC 加工來獲得光滑且明確的表面。

退火是一種熱處理選項，將打印部件加熱到高溫并快速冷卻以改變微觀結(jié)構(gòu)，從而提高材料的延展性，或在斷裂前在負(fù)載下變形的能力。通常，該工藝可獲得更好的機械性能，主要用于鋁制零件。

當(dāng)鋁和鈦用于所謂的間接 3D 打印工藝（例如 FDM 或粉末粘合）時，也需要燒結(jié)。在打印階段之后，部件必須經(jīng)過脫脂過程以將聚合物與金屬粘合劑分離。然后將部件在燒結(jié)爐中加熱到特定溫度，剛好低于熔化溫度，這將鞏固最終物體。這導(dǎo)致部件的孔隙率非常低，因為粘合劑所在的空腔在此過程中被壓縮，從而導(dǎo)致零件收縮。

應(yīng)用

航空航天業(yè)發(fā)現(xiàn)使用鈦的增材制造有很大好處。它是制造航空航天部件（如噴氣發(fā)動機和燃?xì)廨啓C）的理想材料，因為它可以顯著減輕高應(yīng)力結(jié)構(gòu)的重量。鈦在增材制造中應(yīng)用的一個例子是波音公司與 Norsk Titanium 合作，為 787 夢想飛機制造大型結(jié)構(gòu)部件。這一過程中使用的技術(shù)是 DED，據(jù)報道，它比基于粉末的系統(tǒng)快 50 到 100 倍，并且比鍛造使用的鈦少 25% 到 50%，每架飛機可能節(jié)省高達(dá) 300 萬美元。

雖然鈦目前正通過 3D 打印用于太空探索，但鋁在工業(yè)中的應(yīng)用卻成倍增加。例如，波音公司正在使用在冷卻階段涂有納米顆粒的鋁合金生產(chǎn) 3D 打印部件。這使得焊接極其堅固的鋁合金成為可能，而不會在高溫時開裂。制造的部件更輕，使飛機能夠有效地使用燃料，并在相同數(shù)量的燃料下飛行更遠(yuǎn)的距離。

雖然鈦在汽車領(lǐng)域的高價格可能會阻礙其廣泛使用，但我們可能會看到鈦在該領(lǐng)域的使用有所增加，尤其是在奢侈品領(lǐng)域。目前，3D 打印用于制造重量/性能比至關(guān)重要的部件。例如，布加迪使用 SLM 技術(shù)僅用了 45 小時就打印出了用于其鈦制動系統(tǒng)的制動鉗。據(jù)稱，結(jié)果比傳統(tǒng)的銑削鋁制制動鉗輕 40%。盡管重量輕，但鈦部件也確保了其彈性和耐溫性。

另一方面，鋁在汽車行業(yè)中更為常見。保時捷使用 3D 打印為其旗艦 911 車型 GT2 RS 制造高性能鋁制活塞。使用這項技術(shù)，700 馬力的雙渦輪增壓發(fā)動機可以獲得高達(dá) 30 馬力的功率并提高效率。此外，在 2020 年，保時捷生產(chǎn)了用于電動變速箱的全鋁 3D 打印外殼，該外殼通過了公司的所有質(zhì)量和負(fù)載測試。

最后，鈦在醫(yī)療行業(yè)是一種非常有吸引力的材料，因為它具有高強度和耐腐蝕性以及生物相容性，這使其成為骨科和牙科植入物的理想選擇。3D 打印允許創(chuàng)建模仿骨骼紋理的多孔結(jié)構(gòu)，這有助于骨骼和組織的快速愈合和生長。土耳其的 TrabTech 使用鈦制造小梁植入物，例如髖關(guān)節(jié)。鋁在醫(yī)療行業(yè)中不如鈦常見，但它可用于骨科和牙科應(yīng)用。

海外價格和制造商

鈦的一個主要缺點是價格高。根據(jù) Wohlers 2021，Ti-6AI-4V 鈦合金粉末或純 2 級鈦的成本約為每公斤 363 美元，是價格最高的部分之一。另一方面，鋁要便宜得多，AlSi7 鋁合金粉末的價格為 94 美元/千克，而 AISi10Mg 的價格為 98 美元/千克。

在制造方面， Heraeus Additive Manufacturing 是一家專門從事貴金屬加工的德國公司，生產(chǎn)各種類型的鈦，例如 6Al-4V，5 級和 23 級。另一方面，GKN 提供純鈦和 Beta 21S鈦。在鋁方面，Uniformity Labs 和 Equispheres 生產(chǎn) AISi10Mg 鋁合金，而 APWorks 生產(chǎn) 7000 系列鋁合金粉末。

審核編輯 ：李倩