鈦與鋁：選擇哪種金屬進行3D打印？
魔猴君 知識堂 144天前
金屬是目前增材制造工藝中最受歡迎的材料之一。毫不奇怪，其卓越的性能使其成為對性能和耐受性要求最苛刻的應用的理想選擇。在本文中，我們將重點關注3D打印中使用的兩種主要金屬：鈦和鋁。這些主要用于激光粉末床熔融(L-PBF)或集中能量沉積(DED)等工藝。它們主要以粉末形式提供，特別是在工業環境中。我們將比較它們的異同，以便更好地了解它們的特性和應用，并了解它們在制造過程中提供的優勢。
鈦、鋁的生產及特點
鈦
鈦是一種在自然界中不作為元素存在的材料，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雜的過程，涉及多個步驟。生產純鈦應用最廣泛的方法是克羅爾法，由美國化學家William J.Kroll于1940年開發。該方法涉及用氯氣(Cl2)還原二氧化鈦(TiO2)，生產四氯化鈦(TiCl4)，然后用鎂(Mg)還原。雖然克羅爾法在生產純鈦方面很有效，但它是一種昂貴的工藝，需要大量的能量。此外，鈦的高反應性使其難以獲得純金屬，因此純度為99.9%的樣品被認為是商業純鈦。這就是為什么它通常與其他元素結合形成合金。
照片來源：蓋蒂圖片社
鈦具有許多特性，使其在許多行業中用途廣泛且有用。如前所述，它通常以合金形式使用，但由于其高生物相容性，純提取鈦用于某些應用，例如醫療行業。其主要特點是機械強度高、密度低、耐腐蝕性能優良、剛性高。
發展
3D打印中使用的主要鈦合金有：
鈦6Al-4V，5級：這是最重要和最常見的。由于其高強度和耐用性，它被用于增材制造。該合金由鈦、鋁和釩制成，可以承受高溫和腐蝕環境。
鈦6Al-4V，等級23：生物相容性，常用于醫療植入物和假體。
鈦Beta 21S：比傳統鈦合金更強，也更耐氧化和變形。它非常適合骨科植入物和航空航天發動機應用。β鈦在正畸領域很受歡迎。
Cp-Ti（純鈦），1、2級：由于鈦與人體的生物相容性，在醫療行業中具有廣泛的應用。
TA15：這是一種幾乎完全由鈦組成的合金，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，使其成為制造飛機和發動機中堅固部件的理想選擇。相對于其強度而言，它們也很輕。
鋁
鋁是一種在重量和強度之間實現了完美平衡的金屬。除了耐腐蝕外，它還可以焊接。純態的它非常罕見，因此我們將以合金的形式使用它，并與可以改善其物理和機械性能的金屬（例如硅和鎂）一起使用。與鈦一樣，兩個連續的工業過程使得獲得純凈狀態的材料成為可能。在第一個過程中，稱為拜耳法，從鋁土礦中獲取氧化鋁。將礦石洗滌、粉碎，用燒堿溶解，過濾，得到純氫氧化鋁。然后加熱得到氧化鋁粉末。在第二個過程中，稱為Hall-Héroult過程，對氧化鋁進行電解還原以獲得純鋁。大多數選礦廠建在礦山附近，以降低礦石運輸成本。
照片來源：蓋蒂圖片社
如上所述，鋁合金比純鋁合金更常見，并且用于許多工業應用。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性和耐腐蝕性。它們還可回收、導熱、導電且毒性低。
鋁3D打印中使用的主要合金有：
AISi10Mg：這是最常見的由硅和鎂形成的合金。它可以制造堅固、復雜的零件，并用于制造各種物體，例如外殼、發動機零件和生產工具。
Al2139：最強的鋁合金，由于其重量輕、強度高且耐化學品，非常適合汽車等行業。它已被美國空軍、梅賽德斯-奔馳和空客等組織使用。這種材料的優點在于它是專門為增材制造而設計的，并且優于市場上許多其他合金。
Al 7000系列：是著名的粉末合金系列，具有高拉伸強度和低溫強度。
Al 6061和Al 7075：最近，3D制造商使用這兩種合金取得了非常好的結果。6061的拉伸強度和硬度低于7075。另一方面，7075比6061鋁具有更好的抗沖擊性和翹曲性。
A201.1：它是200系列銅鋁合金的一部分，眾所周知，非常耐用。然而，它們很難鑄造。這些合金推薦用于強度重量比至關重要的應用，例如運輸和航空航天領域。
如果我們比較這兩種金屬，有什么區別？
就強度重量比而言，當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療部件甚至衛星部件。另一方面，雖然鋁不如鈦耐用，但它更輕、更便宜。就熱性能而言，鋁非常適合需要高導熱性的應用。另一方面，鈦由于其高熔點而非常適合高溫環境下的應用，例如航空航天發動機部件。鋁和鈦都具有優異的耐腐蝕性。然而，鈦比鋁具有更好的生物相容性，這就是它廣泛應用于醫療領域的原因。
材料形狀和使用的3D技術
形狀
在大多數情況下，鈦和鋁都是粉末形式，盡管它們也可以是線材形式，例如Virtual Foundry甚至Nanoe提供的鈦或鋁絲。
要使用這些金屬3D打印零件，必須首先獲得合金粉末，這需要使用兩種主要技術來完成：等離子霧化或氣體霧化。等離子（電離氣體）霧化是一種利用高溫、能源和熱源、惰性介質（如氬氣）和高速來霧化金屬的過程。該工藝生產出高質量的耐磨粉末。另一方面，氣體霧化使用空氣、氬氣或氦氣作為氣體來分解熔融材料流。這是一種非常有效的工藝，廣泛用于生產細小的球形金屬粉末。用于制造金屬粉末的技術很重要，因為它明顯影響零件的最終性能。
未燒結的64-5鈦齒輪（照片來源：SAPPHIRE3D）
使用的3D技術
為了在3D打印中使用鈦，可以使用多種工藝，例如激光粉末床熔融(L-PBF)、DED或粉末粘合。對于與鋁有關的工藝，除了已經提到的工藝之外，還有另外一種工藝，例如冷噴涂，也稱為冷噴涂。
在L-PBF增材制造工藝中，激光束用于將粉末金屬逐層加熱至熔點并構建物體。鈦在非常高的溫度(1,600°C)下熔化，因此在3D打印之前需要分析材料的熱效應和機械效應。鋁的熔化溫度要低得多（約630°C），但鋁具有高反射率和導熱率。鋁增材制造的另一個有趣的方面是，它會形成自然氧化層，其他金屬稍后會在其邊緣形成自然氧化層，這意味著鋁上這種薄層的存在會減慢該過程。
關于DED，這是一個與前一個非常相似的過程，但這里材料在通過噴嘴沉積的同時熔化，并且可以以粉末或線材的形式進行制造。通常，該技術可以實現更高的生產速度和更低的單位體積成本。
在粘合劑噴射的情況下，材料呈未熔化的粉末形式，但為了使顆粒彼此粘附，通過“打印頭”將粘合劑噴射到層上的特定位置。打印后還需要進行燒結步驟。從3D打印機出來的零件非常脆弱且多孔，需要進行熱處理才能獲得最終的機械性能。
在冷噴涂工藝中，我們還發現粉末形式的金屬材料，但由于在這種情況下不需要熔化或熔合它，冷噴涂有助于避免由于熱量而變形，并且不需要保護氣氛。
圖片來源：山特維克
后處理
為了獲得最佳結果，必須經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。由于鈦和鋁經常用于承受機械應力的應用中，因此微噴砂和噴丸處理非常有用。在第一種方法中，將小金屬或陶瓷球投射到零件表面上，以產生零件表面層的受控變形。這提高了后續涂層的附著力，并減少了裂紋和斷裂等的可能性。噴丸僅去除表層材料，可以改善零件的美觀，去除污垢和腐蝕，并為后續涂層做好表面準備。
另一種選擇是將金屬打印與傳統制造方法相結合。CNC加工是一種適合此目的的后處理工藝，因為它可以確保嚴格的公差和所需的表面光潔度。特別是采用DED技術時，3D打印部件的表面非常粗糙，因為金屬在擠壓過程中直接熔化。這就是為什么始終需要CNC加工來獲得光滑且輪廓分明的表面。
照片來源：FacFox
固溶退火是一種熱處理選項，涉及將打印部件加熱到高溫并快速冷卻以改變微觀結構，從而提高材料的延展性，即在斷裂前在載荷作用下變形的能力。一般來說，這種工藝可以獲得更好的機械性能，主要用于鋁制零件。
當鋁和鈦用于所謂的間接3D打印工藝（例如FDM或粉末粘合）時，燒結也是必要的。打印階段結束后，部件必須經過脫脂過程，以便將粘合劑聚合物與金屬分離。然后將部件在燒結爐中加熱到略低于熔化溫度的一定溫度，這將鞏固最終物體。這導致零件的孔隙率非常低，因為粘合劑所在的空腔在加工過程中被封閉，從而導致壓縮。
應用領域
航空航天業發現使用鈦增材制造具有巨大的好處。它是制造航空部件（如噴氣發動機和燃氣輪機）的理想材料，因為它可以顯著減輕承受高應力的結構的重量。鈦在增材制造中應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構部件。該工藝中使用的技術是DED，據說比粉末系統快50-100倍，并且比鍛造少使用25-50%的鈦，每架飛機可能節省高達300萬美元。
如果說鈦目前通過3D打印被用于太空探索，那么鋁在工業中的應用則成倍增加。例如，波音公司在冷卻階段使用涂有納米粒子的鋁合金生產3D打印零件。這樣可以焊接極其堅固的鋁合金，而不會在熱時破裂。制造的零件更輕，使飛機能夠有效地使用燃油，并在相同量的燃油下飛行更遠的距離。
這臺機器為波音787制造零件（照片來源：Norsk Titanium）
盡管鈦在汽車領域的高價格可能會阻礙其廣泛使用，但我們可以看到鈦在該領域的就業人數增加，特別是在豪華車領域。目前，3D打印用于制造重量/性能比至關重要的零件。例如，布加迪利用SLM技術在短短45小時內打印出其鈦合金制動系統的制動卡鉗，據稱比傳統方式的銑削鋁制制動卡鉗輕40%。盡管鈦部件很輕，但也保證了其彈性和耐溫性。另一方面，鋁在汽車工業中更為常見。保時捷使用3D打印為其旗艦911車型GT2 RS制造高性能鋁活塞。得益于這項技術，700馬力的雙渦輪發動機可以獲得高達30馬力的功率并提高其效率。此外，保時捷在2020年生產了用于電動傳動系統的全鋁3D打印外殼，并成功通過了公司的所有質量和負載測試。
最后，鈦因其高強度、耐腐蝕性以及生物相容性而成為醫療行業中非常有趣的材料，這使其成為骨科和牙科植入物的理想選擇。3D打印可以創建模仿骨骼紋理的多孔結構，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，例如髖關節。鋁在醫療行業的使用不如鈦常見，但它可用于骨科和牙科應用。
TrabTech生產小梁鈦植入物（照片來源：TrabTech）
來源：3dnatives
