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，廣泛應(yīng)用于制作飛機(jī)發(fā)動機(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“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”榮獲國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎,。今天就為你帶來鈦及鈦合金材料的知識分享,。

鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的結(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,。

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,，對點蝕,、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

鈦合金因為其良好的生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)個人不同的要求進(jìn)行個性化設(shè)計,，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。鈦作為已知生物學(xué)性能最好的金屬材料,，其3D打印的醫(yī)用領(lǐng)域市場需求將不斷擴(kuò)大,，應(yīng)用前景廣闊。

2011年,，比利時·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打印移植物開始進(jìn)入臨床應(yīng)用。

3D打印制作的鈦合金下頜骨（圖片來源：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打印來生產(chǎn),。

利用3D打印技術(shù)制成的飛機(jī)零部件（圖片來源：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（圖片來源：西北工業(yè)大學(xué)）

2017年5月5日，我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán),、首款按照最新國際適航標(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)隊的研發(fā)成果,。前機(jī)身和中后機(jī)身的登機(jī)門,、服務(wù)們以及前后貨艙門上還使用了23個金屬3D打印部件。

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

3.  在汽車制造中的應(yīng)用

鈦及鈦合金制造的汽車部件可以達(dá)到節(jié)油,、降低發(fā)動機(jī)噪聲及提高使用壽命的作用,。英國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,、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)動器械上有著獨特優(yōu)勢,。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),。

自行車車架由3D打印鈦合金粉末制作而成（圖片來源：Renishaw）

利用鈦金屬3D打印的自行車變速器滑輪（圖片來源：CeramicSpeed）

鈦易于陽極化成各種顏色,，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)）來完成。燒結(jié)過程中形成了精細(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（圖片來源：FutureFactories.com）