3D打印金属材料之钛及钛合金材料

钛是一种重要的结构金属，具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，广泛应用于制作飞机发动机压气机部件，以及火箭、导弹和飞机的各种结构件。2013年1月，北京航空航天大学王华明团队“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”荣获国家技术发明奖一等奖。今天就为你带来钛及钛合金材料的知识分享。

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，纯钛是银白色的金属，化学性质比较活泼，具有许多优良性能。钛合金是以钛为基础加入其他元素构成的合金。钛合金具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点。

金属钛

用3D打印技术制造的钛合金零部件，强度非常高，尺寸精确，其机械性能优于锻造工艺。钛合金因其良好的生物相容性及优异的机械性能，最主要的应用即为生物医用材料、航空航天、精密仪器等。

钛合金具有如下优良的特性。

1.  比强度高。钛合金的密度仅为钢的60%，纯钛的强度接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度（强度/密度）远大于其他金属结构材料，可制造出单位强度高、刚性好、质量轻的零部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。

2.  热强度高。钛合金的使用温度比铝合金高几百度，可在450℃～500℃的温度下长期工作。而铝合金的工作温度则在200℃以下。

3.  抗蚀性好。钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢，对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强。

4.  低温性能好。钛合金在低温下仍能保持其力学性能。比如TA7，在-253℃下还能保持一定的塑性。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。

钛及钛合金材料的应用

1.  在生物医药的应用

钛合金因为其良好的生物相容性和耐腐蚀等特性，已被广泛应用于医学领域中，成为人工关节、骨创伤、脊柱矫形内固定系统、手术器械等医用产品的首选材料。3D打印的植入钛合金材料能够根据个人不同的要求进行个性化设计，比如使用3D打印技术制作的下颌骨可以完全贴合患者的患处曲线。钛作为已知生物学性能最好的金属材料，其3D打印的医用领域市场需求将不断扩大，应用前景广阔。

2011年，比利时·哈瑟尔特大学生物医学研究院研究人员研制了金属下颌骨，使用LayerWise公司制造的3D打印机，为一名83岁的老妪安装了一块定制的钛合金下颌骨。这是全球首例此类型的手术，标志着3D打印移植物开始进入临床应用。

3D打印制作的钛合金下颌骨（图片来源：www.slate.com）

利用钛合金制作的医疗植入物

2.  在航空航天的应用

从20世纪50年代开始，钛合金在航空航天领域中得到了迅速的发展。该应用主要是利用了钛合金优异的力学性能、低密度以及良好的耐腐蚀性。钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一，驾驶员座舱和通风道的部件、飞机起落架的支架、机翼等飞机零部件都已经可以使用3D打印来生产。

利用3D打印技术制成的飞机零部件（图片来源：3ders.ory）

利用激光近净成型技术（LENS）制成的钛金属飞机机翼部件（图片来源：西北工业大学）

2017年5月5日，我国具有完全自主知识产权、首款按照最新国际适航标准研制的干线民用飞机C919首飞成功。机翼的主要承重部件——机翼中央翼缘条，是西北工业大学黄卫东教授团队的研发成果。前机身和中后机身的登机门、服务们以及前后货舱门上还使用了23个金属3D打印部件。

3D打印的C919飞机登机舱门钛合金机构零件分布图（图片来源：南极熊）

3.  在汽车制造中的应用

钛及钛合金制造的汽车部件可以达到节油、降低发动机噪声及提高使用寿命的作用。英国的一家公司利用钛金属粉末成功打印了叶轮和涡轮增压器等汽车零件。

用钛金属粉末3D打印的涡轮叶轮

4.  在其他领域的应用

钛合金凭借其优异的性能，在自行车、网球拍和高尔夫球杆上都获得了广泛应用。3D打印的钛合金物件密度小、强度高、重量更轻，在运动器械上有着独特优势。比如利用钛合金制成的高尔夫球头，比普通不锈钢材料制成的高尔夫球头打得准、打得远。

自行车车架由3D打印钛合金粉末制作而成（图片来源：Renishaw）

利用钛金属3D打印的自行车变速器滑轮（图片来源：CeramicSpeed）

钛易于阳极化成各种颜色，这使其能够广泛应用于手表和珠宝首饰行业。如图为rvnDSGN团队利用3D打印技术制成的手表。手表的主壳体、边框和表带配件的制作都由3D打印SLS（选择性激光烧结）来完成。烧结过程中形成了精细的纹理，呈现出由中灰色到深灰色的差异。

3D打印的钛合金手表

3D打印的钛合金首饰（图片来源：FutureFactories.com）