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(duì)性能和耐受性要求最苛刻的應(yīng)用的理想選擇。在本文中，我們將重點(diǎn)關(guān)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(yè)環(huán)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(yīng)用，并了解它們?cè)谥圃爝^(guò)程中提供的優(yōu)勢(shì)。
鈦、鋁的生產(chǎn)及特點(diǎn)
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(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及多個(gè)步驟。生產(chǎn)純鈦應(yīng)用最廣泛的方法是克羅爾法，由美國(guó)化學(xué)家William J.Kroll于1940年開發(fā)。該方法涉及用氯氣(Cl2)還原二氧化鈦(TiO2)，生產(chǎn)四氯化鈦(TiCl4)，然后用鎂(Mg)還原。雖然克羅爾法在生產(chǎn)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(yīng)性使其難以獲得純金屬，因此純度為99.9%的樣品被認(rèn)為是商業(yè)純鈦。這就是為什么它通常與其他元素結(jié)合形成合金。
鈦具有許多特性，使其在許多行業(yè)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(yīng)用，例如醫(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。
發(fā)展
3D打印中使用的主要鈦合金有：
鈦6Al-4V，5級(jí)：這是最重要和最常見的。由于其高強(qiáng)度和耐用性，它被用于增材制造。該合金由鈦、鋁和釩制成，可以承受高溫和腐蝕環(huán)境。
鈦6Al-4V，等級(jí)23：生物相容性，常用于醫(yī)療植入物和假體。
鈦Beta 21S：比傳統(tǒng)鈦合金更強(qiáng)，也更耐氧化和變形。它非常適合骨科植入物和航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用。β鈦在正畸領(lǐng)域很受歡迎。
Cp-Ti（純鈦），1、2級(jí)：由于鈦與人體的生物相容性，在醫(yī)療行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)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(jiān)固且耐高溫，使其成為制造飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)中堅(jiān)固部件的理想選擇。相對(duì)于其強(qiáng)度而言，它們也很輕。
鋁
鋁是一種在重量和強(qiáng)度之間實(shí)現(xiàn)了完美平衡的金屬。除了耐腐蝕外，它還可以焊接。純態(tài)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(jī)械性能的金屬（例如硅和鎂）一起使用。與鈦一樣，兩個(gè)連續(xù)的工業(yè)過(guò)程使得獲得純凈狀態(tài)的材料成為可能。在第一個(gè)過(guò)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(guò)濾，得到純氫氧化鋁。然后加熱得到氧化鋁粉末。在第二個(gè)過(guò)程中，稱為Hall-Héroult過(guò)程，對(duì)氧化鋁進(jìn)行電解還原以獲得純鋁。大多數(shù)選礦廠建在礦山附近，以降低礦石運(yùn)輸成本。
如上所述，鋁合金比純鋁合金更常見，并且用于許多工業(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性和耐腐蝕性。它們還可回收、導(dǎo)熱、導(dǎo)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(jiān)固、復(fù)雜的零件，并用于制造各種物體，例如外殼、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)度高且耐化學(xué)品，非常適合汽車等行業(yè)。它已被美國(guó)空軍、梅賽德斯-奔馳和空客等組織使用。這種材料的優(yōu)點(diǎn)在于它是專門為增材制造而設(shè)計(jì)的，并且優(yōu)于市場(chǎng)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(qiáng)度和低溫強(qiáng)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(jié)果。6061的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度重量比至關(guān)重要的應(yīng)用，例如運(yùn)輸和航空航天領(lǐng)域。
如果我們比較這兩種金屬，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。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(dǎo)熱性的應(yīng)用。另一方面，鈦由于其高熔點(diǎn)而非常適合高溫環(huán)境下的應(yīng)用，例如航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)部件。鋁和鈦都具有優(yōu)異的耐腐蝕性。然而，鈦比鋁具有更好的生物相容性，這就是它廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的原因。
材料形狀和使用的3D技術(shù)
形狀
在大多數(shù)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(shù)來(lái)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(zhì)（如氬氣）和高速來(lái)霧化金屬的過(guò)程。該工藝生產(chǎn)出高質(zhì)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(lái)分解熔融材料流。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。用于制造金屬粉末的技術(shù)很重要，因?yàn)樗黠@影響零件的最終性能。
使用的3D技術(shù)
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(duì)于與鋁有關(guān)的工藝，除了已經(jīng)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(diǎn)并構(gòu)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(yīng)和機(jī)械效應(yīng)。鋁的熔化溫度要低得多（約630°C），但鋁具有高反射率和導(dǎo)熱率。鋁增材制造的另一個(gè)有趣的方面是，它會(huì)形成自然氧化層，其他金屬稍后會(huì)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(huì)減慢該過(guò)程。
關(guān)于DED，這是一個(gè)與前一個(gè)非常相似的過(guò)程，但這里材料在通過(guò)噴嘴沉積的同時(shí)熔化，并且可以以粉末或線材的形式進(jìn)行制造。通常，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)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(guò)“打印頭”將粘合劑噴射到層上的特定位置。打印后還需要進(jìn)行燒結(jié)步驟。從3D打印機(jī)出來(lái)的零件非常脆弱且多孔，需要進(jìn)行熱處理才能獲得最終的機(jī)械性能。
在冷噴涂工藝中，我們還發(fā)現(xiàn)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(hù)氣氛。
后處理
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(chǎn)生零件表面層的受控變形。這提高了后續(xù)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(xù)涂層做好表面準(zhǔn)備。
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)樗梢源_保嚴(yán)格的公差和所需的表面光潔度。特別是采用DED技術(shù)時(shí)，3D打印部件的表面非常粗糙，因?yàn)榻饘僭跀D壓過(guò)程中直接熔化。這就是為什么始終需要CNC加工來(lái)獲得光滑且輪廓分明的表面。
固溶退火是一種熱處理選項(xiàng)，涉及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，即在斷裂前在載荷作用下變形的能力。一般來(lái)說(shuō)，這種工藝可以獲得更好的機(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)，燒結(jié)也是必要的。打印階段結(jié)束后，部件必須經(jīng)過(guò)脫脂過(guò)程，以便將粘合劑聚合物與金屬分離。然后將部件在燒結(jié)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(dǎo)致零件的孔隙率非常低，因?yàn)檎澈蟿┧诘目涨辉诩庸み^(guò)程中被封閉，從而導(dǎo)致壓縮。
應(yīng)用領(lǐng)域
航空航天業(yè)發(fā)現(xiàn)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(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)）的理想材料，因?yàn)樗梢燥@著減輕承受高應(yīng)力的結(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。該工藝中使用的技術(shù)是DED，據(jù)說(shuō)比粉末系統(tǒng)快50-100倍，并且比鍛造少使用25-50%的鈦，每架飛機(jī)可能節(jié)省高達(dá)300萬(wàn)美元。
如果說(shuō)鈦目前通過(guò)3D打印被用于太空探索，那么鋁在工業(yè)中的應(yīng)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(chǎn)3D打印零件。這樣可以焊接極其堅(jiān)固的鋁合金，而不會(huì)在熱時(shí)破裂。制造的零件更輕，使飛機(jī)能夠有效地使用燃油，并在相同量的燃油下飛行更遠(yuǎn)的距離。
盡管鈦在汽車領(lǐng)域的高價(jià)格可能會(huì)阻礙其廣泛使用，但我們可以看到鈦在該領(lǐng)域的就業(yè)人數(shù)增加，特別是在豪華車領(lǐng)域。目前，3D打印用于制造重量/性能比至關(guān)重要的零件。例如，布加迪利用SLM技術(shù)在短短45小時(shí)內(nèi)打印出其鈦合金制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)卡鉗，據(jù)稱比傳統(tǒng)方式的銑削鋁制制動(dòng)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(yè)中更為常見。保時(shí)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(xiàng)技術(shù)，700馬力的雙渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)可以獲得高達(dá)30馬力的功率并提高其效率。此外，保時(shí)捷在2020年生產(chǎn)了用于電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的全鋁3D打印外殼，并成功通過(guò)了公司的所有質(zhì)量和負(fù)載測(cè)試。
最后，鈦因其高強(qiáng)度、耐腐蝕性以及生物相容性而成為醫(yī)療行業(yè)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(chuàng)建模仿骨骼紋理的多孔結(jié)構(gòu)，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)的使用不如鈦常見，但它可用于骨科和牙科應(yīng)用。
