金属是目前增材制造工艺中*的材料之一。毫不奇怪，其卓越的性能使其成为对性能和耐受性要求*苛刻的应用的理想选择。在本文中，我们将重点关注3D打印中使用的两种主要金属：钛和铝。这些主要用于激光粉末床熔融(L-PBF)或集中能量沉积(DED)等工艺。它们主要以粉末形式提供，特别是在工业环境中。我们将比较它们的异同，以便更好地了解它们的特性和应用，并了解它们在制造过程中提供的优势。

　　钛、铝的生产及特点

　　钛

　　钛是一种在自然界中不作为元素存在的材料，必须从金红石(TiO2)或钛铁矿(FeTiO3)等矿物中提取。纯钛的提取是一个复杂的过程，涉及多个步骤。生产纯钛应用*广泛的方法是克罗尔法，由美国化学家William J.Kroll于1940年开发。该方法涉及用氯气(Cl2)还原二氧化钛(TiO2)，生产四氯化钛(TiCl4)，然后用镁(Mg)还原。虽然克罗尔法在生产纯钛方面很有效，但它是一种昂贵的工艺，需要大量的能量。此外，钛的高反应性使其难以获得纯金属，因此纯度为99.9%的样品被认为是商业纯钛。这就是为什么它通常与其他元素结合形成合金。

　　钛具有许多特性，使其在许多行业中用途广泛且有用。如前所述，它通常以合金形式使用，但由于其高生物相容性，纯提取钛用于某些应用，例如医疗行业。其主要特点是机械强度高、密度低、耐腐蚀性能优良、刚性高。

　　发展

　　3D打印中使用的主要钛合金有：

　　钛6Al-4V，5级：这是*重要和*常见的。由于其高强度和耐用性，它被用于增材制造。该合金由钛、铝和钒制成，可以承受高温和腐蚀环境。

　　钛6Al-4V，等级23：生物相容性，常用于医疗植入物和假体。

　　钛Beta 21S：比传统钛合金更强，也更耐氧化和变形。它非常适合骨科植入物和航空航天发动机应用。β钛在正畸领域很受欢迎。

　　Cp-Ti（纯钛），1、2级：由于钛与人体的生物相容性，在医疗行业中具有广泛的应用。

　　TA15：这是一种几乎完全由钛组成的合金，其中添加了铝和锆。由这种合金制成的部件非常坚固且耐高温，使其成为制造飞机和发动机中坚固部件的理想选择。相对于其强度而言，它们也很轻。

　　铝

　　铝是一种在重量和强度之间实现了完美平衡的金属。除了耐腐蚀外，它还可以焊接。纯态的它非常罕见，因此我们将以合金的形式使用它，并与可以改善其物理和机械性能的金属（例如硅和镁）一起使用。与钛一样，两个连续的工业过程使得获得纯净状态的材料成为可能。在*个过程中，称为拜耳法，从铝土矿中获取氧化铝。将矿石洗涤、粉碎，用烧碱溶解，过滤，得到纯氢氧化铝。然后加热得到氧化铝粉末。在第二个过程中，称为Hall-Héroult过程，对氧化铝进行电解还原以获得纯铝。大多数选矿厂建在矿山附近，以降低矿石运输成本。

　　如上所述，铝合金比纯铝合金更常见，并且用于许多工业应用。此外，它们还具有非常好的强度/重量比以及非常好的抗疲劳性和耐腐蚀性。它们还可回收、导热、导电且毒性低。

　　铝3D打印中使用的主要合金有：

　　AISi10Mg：这是*常见的由硅和镁形成的合金。它可以制造坚固、复杂的零件，并用于制造各种物体，例如外壳、发动机零件和生产工具。

　　Al2139：*强的铝合金，由于其重量轻、强度高且耐化学品，非常适合汽车等行业。它已被美国空军、梅赛德斯-奔驰和空客等组织使用。这种材料的优点在于它是专门为增材制造而设计的，并且优于市场上许多其他合金。

　　Al 7000系列：是*的粉末合金系列，具有高拉伸强度和低温强度。

　　Al 6061和Al 7075：*近，3D制造商使用这两种合金取得了非常好的结果。6061的拉伸强度和硬度低于7075。另一方面，7075比6061铝具有更好的抗冲击性和翘曲性。

　　A201.1：它是200系列铜铝合金的一部分，众所周知，非常耐用。然而，它们很难铸造。这些合金推荐用于强度重量比至关重要的应用，例如运输和航空航天领域。

　　如果我们比较这两种金属，有什么区别？

　　就强度重量比而言，当需要高强度和坚固性时，钛是理想的选择，这就是为什么它被用于医疗部件甚至卫星部件。另一方面，虽然铝不如钛耐用，但它更轻、更便宜。就热性能而言，铝非常适合需要高导热性的应用。另一方面，钛由于其高熔点而非常适合高温环境下的应用，例如航空航天发动机部件。铝和钛都具有优异的耐腐蚀性。然而，钛比铝具有更好的生物相容性，这就是它广泛应用于医疗领域的原因。

　　材料形状和使用的3D技术

　　形状

　　在大多数情况下，钛和铝都是粉末形式，尽管它们也可以是线材形式，例如Virtual Foundry甚至Nanoe提供的钛或铝丝。

　　要使用这些金属3D打印零件，必须首先获得合金粉末，这需要使用两种主要技术来完成：等离子雾化或气体雾化。等离子（电离气体）雾化是一种利用高温、能源和热源、惰性介质（如氩气）和高速来雾化金属的过程。该工艺生产出高质量的耐磨粉末。另一方面，气体雾化使用空气、氩气或氦气作为气体来分解熔融材料流。这是一种非常有效的工艺，广泛用于生产细小的球形金属粉末。用于制造金属粉末的技术很重要，因为它明显影响零件的*终性能。

　　使用的3D技术

　　为了在3D打印中使用钛，可以使用多种工艺，例如激光粉末床熔融(L-PBF)、DED或粉末粘合。对于与铝有关的工艺，除了已经提到的工艺之外，还有另外一种工艺，例如冷喷涂，也称为冷喷涂。

　　在L-PBF增材制造工艺中，激光束用于将粉末金属逐层加热至熔点并构建物体。钛在非常高的温度(1,600°C)下熔化，因此在3D打印之前需要分析材料的热效应和机械效应。铝的熔化温度要低得多（约630°C），但铝具有高反射率和导热率。铝增材制造的另一个有趣的方面是，它会形成自然氧化层，其他金属稍后会在其边缘形成自然氧化层，这意味着铝上这种薄层的存在会减慢该过程。

　　关于DED，这是一个与前一个非常相似的过程，但这里材料在通过喷嘴沉积的同时熔化，并且可以以粉末或线材的形式进行制造。通常，该技术可以实现更高的生产速度和更低的单位体积成本。

　　在粘合剂喷射的情况下，材料呈未熔化的粉末形式，但为了使颗粒彼此粘附，通过“打印头”将粘合剂喷射到层上的特定位置。打印后还需要进行烧结步骤。从3D打印机出来的零件非常脆弱且多孔，需要进行热处理才能获得*终的机械性能。

　　在冷喷涂工艺中，我们还发现粉末形式的金属材料，但由于在这种情况下不需要熔化或熔合它，冷喷涂有助于避免由于热量而变形，并且不需要保护气氛。

　　后处理

　　为了获得*结果，必须经过一个或多个后处理步骤。钛和铝的后处理没有具体差异，因此以下步骤适用于这两种材料。由于钛和铝经常用于承受机械应力的应用中，因此微喷砂和喷丸处理非常有用。在*种方法中，将小金属或陶瓷球投射到零件表面上，以产生零件表面层的受控变形。这提高了后续涂层的附着力，并减少了裂纹和断裂等的可能性。喷丸仅去除表层材料，可以改善零件的美观，去除污垢和腐蚀，并为后续涂层做好表面准备。

　　另一种选择是将金属打印与传统制造方法相结合。CNC加工是一种适合此目的的后处理工艺，因为它可以确保严格的公差和所需的表面光洁度。特别是采用DED技术时，3D打印部件的表面非常粗糙，因为金属在挤压过程中直接熔化。这就是为什么始终需要CNC加工来获得光滑且轮廓分明的表面。

　　固溶退火是一种热处理选项，涉及将打印部件加热到高温并快速冷却以改变微观结构，从而提高材料的延展性，即在断裂前在载荷作用下变形的能力。一般来说，这种工艺可以获得更好的机械性能，主要用于铝制零件。

　　当铝和钛用于所谓的间接3D打印工艺（例如FDM或粉末粘合）时，烧结也是必要的。打印阶段结束后，部件必须经过脱脂过程，以便将粘合剂聚合物与金属分离。然后将部件在烧结炉中加热到略低于熔化温度的一定温度，这将巩固*终物体。这导致零件的孔隙率非常低，因为粘合剂所在的空腔在加工过程中被封闭，从而导致压缩。

　　应用领域

　　航空航天业发现使用钛增材制造具有巨大的好处。它是制造航空部件（如喷气发动机和燃气轮机）的理想材料，因为它可以显着减轻承受高应力的结构的重量。钛在增材制造中应用的一个例子是波音公司与Norsk Titanium合作为787梦想飞机制造大型结构部件。该工艺中使用的技术是DED，据说比粉末系统快50-100倍，并且比锻造少使用25-50%的钛，每架飞机可能节省高达300万美元。

　　如果说钛目前通过3D打印被用于太空探索，那么铝在工业中的应用则成倍增加。例如，波音公司在冷却阶段使用涂有纳米粒子的铝合金生产3D打印零件。这样可以焊接极其坚固的铝合金，而不会在热时破裂。制造的零件更轻，使飞机能够有效地使用燃油，并在相同量的燃油下飞行更远的距离。

　　尽管钛在汽车领域的高价格可能会阻碍其广泛使用，但我们可以看到钛在该领域的就业人数增加，特别是在豪华车领域。目前，3D打印用于制造重量/性能比至关重要的零件。例如，布加迪利用SLM技术在短短45小时内打印出其钛合金制动系统的制动卡钳，据称比传统方式的铣削铝制制动卡钳轻40%。尽管钛部件很轻，但也保证了其弹性和耐温性。另一方面，铝在汽车工业中更为常见。保时捷使用3D打印为其旗舰911车型GT2 RS制造高性能铝活塞。得益于这项技术，700马力的双涡轮发动机可以获得高达30马力的功率并提高其效率。此外，保时捷在2020年生产了用于电动传动系统的全铝3D打印外壳，并成功通过了公司的所有质量和负载测试。

　　*，钛因其高强度、耐腐蚀性以及生物相容性而成为医疗行业中非常有趣的材料，这使其成为骨科和牙科植入物的理想选择。3D打印可以创建模仿骨骼纹理的多孔结构，有助于骨骼和组织的快速愈合和生长。土耳其的TrabTech使用钛制造小梁植入物，例如髋关节。铝在医疗行业的使用不如钛常见，但它可用于骨科和牙科应用。