橫向?qū)Ρ龋?D打印最常用的金屬材料鈦合金VS鋁合金

來(lái)源：3dnatives



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(duì)性能和強(qiáng)度方面要求最苛刻的領(lǐng)域,。本文，我們將重點(diǎn)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?cè)谥圃爝^(guò)程中提供的優(yōu)勢(shì)。

鈦與鋁的生產(chǎn)和特性

鈦

鈦是一種在自然界中不會(huì)作為單獨(dú)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(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及多個(gè)步驟,。生產(chǎn)純鈦?zhàn)顝V泛使用的方法是Kroll法,，由美國(guó)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(gè)需要大量能源的高成本的過(guò)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(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)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(jí)：最重要和最常見(jiàn)的鈦合金,。由于其高強(qiáng)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(jí)：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(jiān)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(dòng)機(jī)應(yīng)用。Beta 鈦在正畸學(xué)中備受推崇,。
●Cp-Ti（純鈦），1 級(jí),、2 級(jí)：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(jiān)固且耐高溫，非常適合制造飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的堅(jiān)固部件,。相對(duì)于它們的強(qiáng)度,，它們也很輕。

鋁

鋁是一種在輕質(zhì)和強(qiáng)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(jiàn)，因此它以合金的形式使用,，其中含有可改善其物理和機(jī)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(guò)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(duì)氧化鋁進(jìn)行電解還原以獲得純鋁,。



如上所述，鋁合金比純鋁更常見(jiàn),，并用于許多工業(yè)應(yīng)用,。此外，它們還具有非常好的強(qiáng)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(jiàn)的合金,。它可用于制造堅(jiān)固和復(fù)雜的零件，并用于制造外殼,、發(fā)動(dòng)機(jī)零件和生產(chǎn)工具,。
●Al2139：最強(qiáng)的鋁合金，由于其重量輕,、強(qiáng)度高和耐化學(xué)性,，非常適合汽車等行業(yè)。它已被美國(guó)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(jì)，性能優(yōu)于市場(chǎng)上的許多其他合金,。
●Al 7000系列：這是一個(gè)著名的粉末合金系列,，具有高抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(jiān)固著稱。但是,，它們很難鑄造,。這些合金推薦用于強(qiáng)度重量比至關(guān)重要的應(yīng)用，例如運(yùn)輸和航空航天,。

兩者之間有什么區(qū)別,？

就強(qiáng)度重量比而言，當(dāng)需要高強(qiáng)度和堅(jiān)固性時(shí),，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(jiān)固,，但它更輕且更實(shí)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(diǎn)而非常適合高溫環(huán)境中的應(yīng)用,，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)程,，這個(gè)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(lái)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(duì)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(diǎn)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(jī)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(gè)有趣的方面是它形成了一個(gè)自然氧化層,。

關(guān)于 DED,，它與前一個(gè)工藝非常相似，但這里的材料在噴嘴沉積時(shí)熔化,，并且可以粉末或線材形式用于制造,。通常，該技術(shù)會(huì)帶來(lái)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(jìn)行燒結(jié)步驟或其他固化后處理。當(dāng)它們離開 3D 打印機(jī)時(shí),，這些部件非常脆弱且多孔,，需要進(jìn)行熱處理才能達(dá)到最終的機(jī)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(hù)氣氛,。



后期處理

為了獲得最佳結(jié)果，必須經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)后處理步驟,。鈦和鋁的后處理沒(méi)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(jī)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?yàn)樗�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?yàn)榻饘僭趪姵鲞^(guò)程中直接熔化。因此,，始終需要 CNC 加工來(lái)獲得光滑且明確的表面,。




退火是一種熱處理選項(xiàng)，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(jī)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(shí),，也需要燒結(jié),。在打印階段之后，部件必須經(jīng)過(guò)脫脂過(guò)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?yàn)檎澈蟿┧�在的空腔在此過(guò)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(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)）的理想材料，因?yàn)樗�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(gè)例子是波音公司與 Norsk Titanium 合作,，為 787 夢(mèng)想飛機(jī)制造大型結(jié)構(gòu)部件。這一過(guò)程中使用的技術(shù)是 DED,，據(jù)報(bào)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(jī)可能節(jié)省高達(dá) 300 萬(wàn)美元,。

雖然鈦目前正通過(guò) 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(jiān)固的鋁合金成為可能,，而不會(huì)在高溫時(shí)開裂,。制造的部件更輕，使飛機(jī)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(jià)格可能會(huì)阻礙其廣泛使用，但我們可能會(huì)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(shí)就打印出了用于其鈦制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)鉗。據(jù)稱,，結(jié)果比傳統(tǒng)的銑削鋁制制動(dòng)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(jiàn)。保時(shí)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(xiàng)技術(shù),，700 馬力的雙渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)捷生產(chǎn)了用于電動(dòng)變速箱的全鋁 3D 打印外殼，該外殼通過(guò)了公司的所有質(zhì)量和負(fù)載測(cè)試,。

最后,，鈦在醫(yī)療行業(yè)是一種非常有吸引力的材料，因?yàn)樗�具有高�?qiáng)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(zhǎng),。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(jiàn)，但它可用于骨科和牙科應(yīng)用,。




價(jià)格和制造商

鈦的一個(gè)主要缺點(diǎn)是價(jià)格高,。根據(jù) Wohlers 2021，Ti-6AI-4V 鈦合金粉末或純 2 級(jí)鈦的成本約為每公斤 363 美元,，是價(jià)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(jià)格為 94 美元/千克,，而 AISi10Mg 的價(jià)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(guó)公司,，生產(chǎn)各種類型的鈦，例如 6Al-4V,，5 級(jí)和 23 級(jí),。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,。