高强度耐腐蚀的钛金属3D打印优点介绍

    此前我们探讨了3D打印领域应用的多种材料，如铜、砂石、铝化物等。本文将聚焦钛金属——这种在自然界中从未以纯态存在的过渡金属。其提取需通过金红石（TiO₂）和钛铁矿（FeTiO₃）等矿物的复杂工艺，尽管最终可获得99.9%纯度的金属，但高能耗仍制约着大规模生产。钛常与其他金属形成合金以提升性能，现已成为医药、航空航天及汽车领域增材制造的关键材料。本文将系统解析其特性、3D打印技术及应用场景。

    钛的核心特性

    钛（符号Ti，原子序数22）凭借其多功能特性在材料领域占据重要地位。这种轻质金属兼具高强度与低毒性，在极端环境中展现出卓越的耐腐蚀性——可抵御盐水、化学品及磨损。其机械性能接近钢材，但重量减轻约40%，成为制造轻量化耐用部件的理想选择。钛的热稳定性尤为突出，既能承受600℃高温，又可在超低温环境下保持结构稳定。然而，钛的加工难度较高，主要源于其低导热性。加工过程中产生的热量易在机床积聚，导致设备快速磨损，同时传统减材工艺会产生大量废料。面对这些挑战，金属3D打印技术正成为高效解决方案。

    3D打印常用钛合金体系

    钛在增材制造领域多以合金形式应用，纯钛则因其生物相容性用于特定医疗场景。常见钛合金包括：Ti6Al-4VGrade5（钛、铝、钒复合材料，耐热性与耐腐蚀性优异，是3D打印最常用合金）、Ti6Al-4VGrade23（专为假肢与医疗植入物开发，生物相容性进一步提升）、钛Beta21S（高强度抗氧化合金，用于骨科植入物及航空航天发动机部件）、Cp-Ti（纯钛，医疗领域专用材料，与人体组织相容性极佳）、TA15合金（含钛、铝、锆，适用于航空发动机高温部件制造）。尽管纯钛具备轻质、耐腐蚀等优势，但其韧性、硬度及抗疲劳性相对较低，限制了在承受高载荷场景中的应用，因此合金化成为主流选择。

    主流钛金属3D打印技术

    钛在增材制造中以粉末或丝材形式使用，常见工艺包括：定向能量沉积（DED，通过激光等能源熔化沉积的钛粉末或丝材，实现近净成形）、激光粉末床熔融（L-PBF，又称直接金属激光烧结（DMLS）或选择性激光熔化（SLM），利用激光逐层熔化金属粉末，适用于高精度Ti6Al4V零件制造）、电子束熔融（EBM，在真空环境中使用电子束熔化钛粉末，特别适合航空领域高强度部件生产）、粘结剂喷射成型（通过粘合剂粘结钛粉末，经烧结固化后形成部件，成本较低但精度有限）。

    技术挑战与行业应用

    钛金属3D打印虽前景广阔，仍面临多重挑战：钛合金材料成本显著高于其他金属；可用合金种类较少增加采购难度；打印后需进行支撑去除、热处理及抛光等复杂工序，延长生产周期并推高成本。在航空航天领域，该技术已成功制造涡轮叶片、支架等关键部件，其轻量化与耐极端温度特性备受认可。医疗行业则利用钛的生物相容性，通过3D打印定制假肢与个性化植入物，显著缩短手术时间并提升治疗效果。汽车工业通过钛合金部件减轻车身重量，提高燃油效率，应用范围覆盖发动机、排气系统至底盘组件。此外，该技术还在工具制造、模具开发等领域展现出独特优势，支持复杂结构的高效生产。