3D打印金屬材料之鈦及鈦合金材料

鈦是一種重要的結構金屬，具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點，廣泛應用于制作飛機發(fā)動機壓氣機部件，以及火箭、導彈和飛機的各種結構件。2013年1月，北京航空航天大學王華明團隊“飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術”榮獲國家技術發(fā)明獎一等獎。今天就為你帶來鈦及鈦合金材料的知識分享。

鈦是20世紀50年代發(fā)展起來的一種重要的結構金屬，純鈦是銀白色的金屬，化學性質比較活潑，具有許多優(yōu)良性能。鈦合金是以鈦為基礎加入其他元素構成的合金。鈦合金具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點。

金屬鈦

用3D打印技術制造的鈦合金零部件，強度非常高，尺寸精確，其機械性能優(yōu)于鍛造工藝。鈦合金因其良好的生物相容性及優(yōu)異的機械性能，最主要的應用即為生物醫(yī)用材料、航空航天、精密儀器等。

鈦合金具有如下優(yōu)良的特性。

1.  比強度高。鈦合金的密度僅為鋼的60%，純鈦的強度接近普通鋼的強度，一些高強度鈦合金超過了許多合金結構鋼的強度。因此鈦合金的比強度（強度/密度）遠大于其他金屬結構材料，可制造出單位強度高、剛性好、質量輕的零部件。目前飛機的發(fā)動機構件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。

2.  熱強度高。鈦合金的使用溫度比鋁合金高幾百度，可在450℃～500℃的溫度下長期工作。而鋁合金的工作溫度則在200℃以下。

3.  抗蝕性好。鈦合金在潮濕的大氣和海水介質中工作，其抗蝕性遠優(yōu)于不銹鋼，對點蝕、酸蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強。

4.  低溫性能好。鈦合金在低溫下仍能保持其力學性能。比如TA7，在-253℃下還能保持一定的塑性。因此，鈦合金也是一種重要的低溫結構材料。

鈦及鈦合金材料的應用

1.  在生物醫(yī)藥的應用

鈦合金因為其良好的生物相容性和耐腐蝕等特性，已被廣泛應用于醫(yī)學領域中，成為人工關節(jié)、骨創(chuàng)傷、脊柱矯形內固定系統(tǒng)、手術器械等醫(yī)用產(chǎn)品的首選材料。3D打印的植入鈦合金材料能夠根據(jù)個人不同的要求進行個性化設計，比如使用3D打印技術制作的下頜骨可以完全貼合患者的患處曲線。鈦作為已知生物學性能最好的金屬材料，其3D打印的醫(yī)用領域市場需求將不斷擴大，應用前景廣闊。

2011年，比利時·哈瑟爾特大學生物醫(yī)學研究院研究人員研制了金屬下頜骨，使用LayerWise公司制造的3D打印機，為一名83歲的老嫗安裝了一塊定制的鈦合金下頜骨。這是全球首例此類型的手術，標志著3D打印移植物開始進入臨床應用。

3D打印制作的鈦合金下頜骨（圖片來源：www.slate.com）

利用鈦合金制作的醫(yī)療植入物

2.  在航空航天的應用

從20世紀50年代開始，鈦合金在航空航天領域中得到了迅速的發(fā)展。該應用主要是利用了鈦合金優(yōu)異的力學性能、低密度以及良好的耐腐蝕性。鈦合金是當代飛機和發(fā)動機的主要結構材料之一，駕駛員座艙和通風道的部件、飛機起落架的支架、機翼等飛機零部件都已經(jīng)可以使用3D打印來生產(chǎn)。

利用3D打印技術制成的飛機零部件（圖片來源：3ders.ory）

利用激光近凈成型技術（LENS）制成的鈦金屬飛機機翼部件（圖片來源：西北工業(yè)大學）

2017年5月5日，我國具有完全自主知識產(chǎn)權、首款按照最新國際適航標準研制的干線民用飛機C919首飛成功。機翼的主要承重部件——機翼中央翼緣條，是西北工業(yè)大學黃衛(wèi)東教授團隊的研發(fā)成果。前機身和中后機身的登機門、服務們以及前后貨艙門上還使用了23個金屬3D打印部件。

3D打印的C919飛機登機艙門鈦合金機構零件分布圖（圖片來源：南極熊）

3.  在汽車制造中的應用

鈦及鈦合金制造的汽車部件可以達到節(jié)油、降低發(fā)動機噪聲及提高使用壽命的作用。英國的一家公司利用鈦金屬粉末成功打印了葉輪和渦輪增壓器等汽車零件。

用鈦金屬粉末3D打印的渦輪葉輪

4.  在其他領域的應用

鈦合金憑借其優(yōu)異的性能，在自行車、網(wǎng)球拍和高爾夫球桿上都獲得了廣泛應用。3D打印的鈦合金物件密度小、強度高、重量更輕，在運動器械上有著獨特優(yōu)勢。比如利用鈦合金制成的高爾夫球頭，比普通不銹鋼材料制成的高爾夫球頭打得準、打得遠。

自行車車架由3D打印鈦合金粉末制作而成（圖片來源：Renishaw）

利用鈦金屬3D打印的自行車變速器滑輪（圖片來源：CeramicSpeed）

鈦易于陽極化成各種顏色，這使其能夠廣泛應用于手表和珠寶首飾行業(yè)。如圖為rvnDSGN團隊利用3D打印技術制成的手表。手表的主殼體、邊框和表帶配件的制作都由3D打印SLS（選擇性激光燒結）來完成。燒結過程中形成了精細的紋理，呈現(xiàn)出由中灰色到深灰色的差異。

3D打印的鈦合金手表

3D打印的鈦合金首飾（圖片來源：FutureFactories.com）