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。