3D打印金屬材料之鈦及鈦合金材料

鈦是一種重要的結(jié)構(gòu)金屬,，具有強(qiáng)度高,、耐蝕性好,、耐熱性高等特點(diǎn),，廣泛應(yīng)用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件，以及火箭,、導(dǎo)彈和飛機(jī)的各種結(jié)構(gòu)件,。2013年1月，北京航空航天大學(xué)王華明團(tuán)隊(duì)“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”榮獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng),。今天就為你帶來(lái)鈦及鈦合金材料的知識(shí)分享。

鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬,，純鈦是銀白色的金屬,，化學(xué)性質(zhì)比較活潑，具有許多優(yōu)良性能,。鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素構(gòu)成的合金,。鈦合金具有強(qiáng)度高、耐蝕性好,、耐熱性高等特點(diǎn),。

金屬鈦

用3D打印技術(shù)制造的鈦合金零部件，強(qiáng)度非常高,，尺寸精確,，其機(jī)械性能優(yōu)于鍛造工藝,。鈦合金因其良好的生物相容性及優(yōu)異的機(jī)械性能，最主要的應(yīng)用即為生物醫(yī)用材料,、航空航天,、精密儀器等。

鈦合金具有如下優(yōu)良的特性,。

1.  比強(qiáng)度高,。鈦合金的密度僅為鋼的60%，純鈦的強(qiáng)度接近普通鋼的強(qiáng)度,，一些高強(qiáng)度鈦合金超過(guò)了許多合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度,。因此鈦合金的比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）遠(yuǎn)大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料，可制造出單位強(qiáng)度高,、剛性好,、質(zhì)量輕的零部件。目前飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件,、骨架,、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金,。

2.  熱強(qiáng)度高,。鈦合金的使用溫度比鋁合金高幾百度，可在450℃～500℃的溫度下長(zhǎng)期工作,。而鋁合金的工作溫度則在200℃以下,。

3.  抗蝕性好。鈦合金在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作,，其抗蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼,，對(duì)點(diǎn)蝕、酸蝕,、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng),。

4.  低溫性能好。鈦合金在低溫下仍能保持其力學(xué)性能,。比如TA7,，在-253℃下還能保持一定的塑性。因此,，鈦合金也是一種重要的低溫結(jié)構(gòu)材料,。

鈦及鈦合金材料的應(yīng)用

1.  在生物醫(yī)藥的應(yīng)用

鈦合金因?yàn)槠淞己玫纳�物相容性和耐腐蝕等特性，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中,，成為人工關(guān)節(jié),、骨創(chuàng)傷、脊柱矯形內(nèi)固定系統(tǒng)、手術(shù)器械等醫(yī)用產(chǎn)品的首選材料,。3D打印的植入鈦合金材料能夠根據(jù)個(gè)人不同的要求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì),，比如使用3D打印技術(shù)制作的下頜骨可以完全貼合患者的患處曲線。鈦?zhàn)鳛橐阎�生物學(xué)性能最好的金屬材料,，其3D打印的醫(yī)用領(lǐng)域市場(chǎng)需求將不斷擴(kuò)大,，應(yīng)用前景廣闊。

2011年,，比利時(shí)·哈瑟爾特大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院研究人員研制了金屬下頜骨,，使用LayerWise公司制造的3D打印機(jī)，為一名83歲的老嫗安裝了一塊定制的鈦合金下頜骨,。這是全球首例此類型的手術(shù),，標(biāo)志著3D打印移植物開(kāi)始進(jìn)入臨床應(yīng)用。

3D打印制作的鈦合金下頜骨（圖片來(lái)源：www.slate.com）

利用鈦合金制作的醫(yī)療植入物

2.  在航空航天的應(yīng)用

從20世紀(jì)50年代開(kāi)始,，鈦合金在航空航天領(lǐng)域中得到了迅速的發(fā)展,。該應(yīng)用主要是利用了鈦合金優(yōu)異的力學(xué)性能、低密度以及良好的耐腐蝕性,。鈦合金是當(dāng)代飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一,，駕駛員座艙和通風(fēng)道的部件、飛機(jī)起落架的支架,、機(jī)翼等飛機(jī)零部件都已經(jīng)可以使用3D打印來(lái)生產(chǎn),。

利用3D打印技術(shù)制成的飛機(jī)零部件（圖片來(lái)源：3ders.ory）

利用激光近凈成型技術(shù)（LENS）制成的鈦金屬飛機(jī)機(jī)翼部件（圖片來(lái)源：西北工業(yè)大學(xué)）

2017年5月5日，我國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),、首款按照最新國(guó)際適航標(biāo)準(zhǔn)研制的干線民用飛機(jī)C919首飛成功,。機(jī)翼的主要承重部件——機(jī)翼中央翼緣條，是西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東教授團(tuán)隊(duì)的研發(fā)成果,。前機(jī)身和中后機(jī)身的登機(jī)門(mén),、服務(wù)們以及前后貨艙門(mén)上還使用了23個(gè)金屬3D打印部件。

3D打印的C919飛機(jī)登機(jī)艙門(mén)鈦合金機(jī)構(gòu)零件分布圖（圖片來(lái)源：南極熊）

3.  在汽車(chē)制造中的應(yīng)用

鈦及鈦合金制造的汽車(chē)部件可以達(dá)到節(jié)油,、降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及提高使用壽命的作用,。英國(guó)的一家公司利用鈦金屬粉末成功打印了葉輪和渦輪增壓器等汽車(chē)零件。

用鈦金屬粉末3D打印的渦輪葉輪

4.  在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

鈦合金憑借其優(yōu)異的性能,，在自行車(chē),、網(wǎng)球拍和高爾夫球桿上都獲得了廣泛應(yīng)用。3D打印的鈦合金物件密度小,、強(qiáng)度高,、重量更輕,，在運(yùn)動(dòng)器械上有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì),。比如利用鈦合金制成的高爾夫球頭，比普通不銹鋼材料制成的高爾夫球頭打得準(zhǔn)、打得遠(yuǎn),。

自行車(chē)車(chē)架由3D打印鈦合金粉末制作而成（圖片來(lái)源：Renishaw）

利用鈦金屬3D打印的自行車(chē)變速器滑輪（圖片來(lái)源：CeramicSpeed）

鈦易于陽(yáng)極化成各種顏色,，這使其能夠廣泛應(yīng)用于手表和珠寶首飾行業(yè)。如圖為rvnDSGN團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)制成的手表,。手表的主殼體,、邊框和表帶配件的制作都由3D打印SLS（選擇性激光燒結(jié)）來(lái)完成。燒結(jié)過(guò)程中形成了精細(xì)的紋理,，呈現(xiàn)出由中灰色到深灰色的差異,。

3D打印的鈦合金手表

3D打印的鈦合金首飾（圖片來(lái)源：FutureFactories.com）