横向对比：3D打印最常用的金属材料钛合金VS铝合金

来源：3dnatives



导读：金属目前是增材制造工艺中最受欢迎的材料之一，其优异的性能适合用于对性能和强度方面要求最苛刻的领域。本文，我们将重点介绍 3D 打印中使用的两种主要金属：钛和铝。这两种材料主要用于激光粉末床熔合(L-PBF) 或定向能量沉积(DED) 等工艺，材料一般是粉末形式。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，以及它们在制造过程中提供的优势。

钛与铝的生产和特性

钛

钛是一种在自然界中不会作为单独元素出现的材料，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。生产纯钛最广泛使用的方法是Kroll法，由美国化学家威廉·J·克罗尔于1940年开发。该方法使用氯气（Cl2）还原二氧化钛（TiO2）生产四氯化钛（ TiCl4)，然后用镁 (Mg) 还原。虽然 Kroll 法在生产纯钛方面很有效，但它是一个需要大量能源的高成本的过程。此外，钛的高反应性使其难以作为纯金属获得，纯度为99.9% 的样品被认为是商业纯钛。因此，它通常与其他元素结合使用以形成合金。



钛具有许多特性，因此可以用于许多领域。它通常以合金形式使用，但由于其高生物相容性，纯提取钛常被用于医疗行业。其主要特点是机械强度高、密度低、耐腐蚀性能优良、刚性高。

用于3D打印的钛合金主要有以下几种：

●Ti6Al-4V，5 级：最重要和最常见的钛合金。由于其高强度和耐用性，它被用于增材制造。该合金由钛、铝和钒组成，可承受高温和腐蚀环境。
●Ti6Al-4V，23 级：由于其生物相容性，常用于医疗植入物和假体。
●Ti Beta 21S：比传统钛合金更坚固，也更耐氧化和变形。它非常适合骨科植入物和航空发动机应用。Beta 钛在正畸学中备受推崇。
●Cp-Ti（纯钛），1 级、2 级：由于钛与人体的生物相容性，这种合金在医疗行业有着广泛的应用。
●TA15：一种几乎完全由钛制成的合金，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，非常适合制造飞机和发动机的坚固部件。相对于它们的强度，它们也很轻。

铝

铝是一种在轻质和强度之间提供极佳折衷的金属。除了耐腐蚀外，它还可以焊接。它的纯净状态非常罕见，因此它以合金的形式使用，其中含有可改善其物理和机械性能的金属，例如硅和镁。要想获得纯铝，需要首先使用Bayer 法从铝土矿中获得氧化铝。矿石经洗涤粉碎，溶于烧碱，过滤得到纯氢氧化铝。然后加热得到氧化铝粉末。然后使用 Hall-Heroult 工艺，对氧化铝进行电解还原以获得纯铝。



如上所述，铝合金比纯铝更常见，并用于许多工业应用。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和耐腐蚀性能。它们还具有可回收性、导热性和导电性，并且毒性低。

用于铝3D打印的主要合金有以下几种：

●AlSi10Mg：这是由硅和镁形成的最常见的合金。它可用于制造坚固和复杂的零件，并用于制造外壳、发动机零件和生产工具。
●Al2139：最强的铝合金，由于其重量轻、强度高和耐化学性，非常适合汽车等行业。它已被美国空军、梅赛德斯-奔驰和空中客车等组织使用。这种材料的美妙之处在于它专为增材制造而设计，性能优于市场上的许多其他合金。
●Al 7000系列：这是一个著名的粉末合金系列，具有高抗拉强度和耐低温性。
●Al 6061 & Al 7075：最近，3D 制造商使用这两种合金取得了很好的效果。6061 的抗拉强度和硬度低于 7075。另一方面，7075 具有比 6061 铝更好的抗冲击性和更小的变形。
●A201.1 : 它是 200 系列铜铝合金的一部分，以非常坚固着称。但是，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。

两者之间有什么区别？

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的原因。另一方面，虽然铝不如钛坚固，但它更轻且更实惠。就热性能而言，铝非常适合需要高导热性的应用。另一方面，钛因其高熔点而非常适合高温环境中的应用，例如航空发动机部件。铝和钛都具有优异的耐腐蚀性。然而，钛比铝更具有生物相容性，这就是它被广泛用于医疗领域的原因。

材料形式和与 3D 打印技术的兼容性

形式

在大多数情况下，钛和铝以粉末形式出现，但它们也可以线材形式提供，例如 Virtual Foundry 或 Nanoe 提供的钛或铝丝。要用这些金属 3D 打印零件，必须首先获得合金粉末，这主要使用两种技术完成：等离子雾化或气体雾化。等离子体（电离气体）雾化是一种使用高温、能量和热源、惰性介质（例如氩气）和高速雾化金属的过程，这个工艺生产出高质量的耐磨粉末。而气体雾化使用空气、氩气或氦气作为气体来破碎熔融材料流，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。



使用的 3D打印技术

要在 3D 打印中使用钛，可以使用的工艺包括激光粉末床熔化 (L-PBF)、DED 和粘合剂喷射（BJ）。对于与铝有关的工艺，除了已经提到的那些之外，还有一种是冷喷涂。

在 L-PBF 中，激光束用于逐层加热粉末金属至其熔点并构建物体。钛在非常高的温度 (1,600°C) 下熔化，因此需要在 3D 打印之前分析材料的热效应和机械效应。铝的熔化温度低得多（约 630°C），但铝具有高反射率和导热性。铝增材制造的另一个有趣的方面是它形成了一个自然氧化层。

关于 DED，它与前一个工艺非常相似，但这里的材料在喷嘴沉积时熔化，并且可以粉末或线材形式用于制造。通常，该技术会带来更高的生产速度和更低的单位体积成本。

在BJ的工艺下，材料为未熔化的粉末形式，而是为了使颗粒相互粘附，使用多喷头打印将粘合剂喷射到特定位置的层上头。打印后还需要进行烧结步骤或其他固化后处理。当它们离开 3D 打印机时，这些部件非常脆弱且多孔，需要进行热处理才能达到最终的机械性能。

在冷喷涂工艺中，金属材料也以粉末形式存在，但由于在这种情况下不必熔化或融合，冷喷涂可避免热变形，并且不需要保护气氛。



后期处理

为了获得最佳结果，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，因此喷丸处理非常有用。将小金属或陶瓷珠喷向零件表面，使零件表面层产生受控变形。这提高了后续涂层的附着力，并降低了裂纹和断裂的可能性等。喷丸处理仅去除材料的顶层，这可以改善零件的美观，去除污垢和腐蚀，并为后续涂层准备表面。

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，因为它可确保严格的公差和所需的表面光洁度。特别是使用 DED 技术，3D 打印部件的表面非常粗糙，因为金属在喷出过程中直接熔化。因此，始终需要 CNC 加工来获得光滑且明确的表面。




退火是一种热处理选项，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，或在断裂前在负载下变形的能力。通常，该工艺可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，也需要烧结。在打印阶段之后，部件必须经过脱脂过程以将聚合物与金属粘合剂分离。然后将部件在烧结炉中加热到特定温度，刚好低于熔化温度，这将巩固最终物体。这导致部件的孔隙率非常低，因为粘合剂所在的空腔在此过程中被压缩，从而导致零件收缩。

应用

航空航天业发现使用钛的增材制造有很大好处。它是制造航空航天部件（如喷气发动机和燃气轮机）的理想材料，因为它可以显著减轻高应力结构的重量。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。这一过程中使用的技术是 DED，据报道，它比基于粉末的系统快 50 到 100 倍，并且比锻造使用的钛少 25% 到 50%，每架飞机可能节省高达 300 万美元。

虽然钛目前正通过 3D 打印用于太空探索，但铝在工业中的应用却成倍增加。例如，波音公司正在使用在冷却阶段涂有纳米颗粒的铝合金生产 3D 打印部件。这使得焊接极其坚固的铝合金成为可能，而不会在高温时开裂。制造的部件更轻，使飞机能够有效地使用燃料，并在相同数量的燃料下飞行更远的距离。



虽然钛在汽车领域的高价格可能会阻碍其广泛使用，但我们可能会看到钛在该领域的使用有所增加，尤其是在奢侈品领域。目前，3D 打印用于制造重量/性能比至关重要的部件。例如，布加迪使用 SLM 技术仅用了 45 小时就打印出了用于其钛制动系统的制动钳。据称，结果比传统的铣削铝制制动钳轻 40%。尽管重量轻，但钛部件也确保了其弹性和耐温性。

另一方面，铝在汽车行业中更为常见。保时捷使用 3D 打印为其旗舰 911 车型 GT2 RS 制造高性能铝制活塞。使用这项技术，700 马力的双涡轮增压发动机可以获得高达 30 马力的功率并提高效率。此外，在 2020 年，保时捷生产了用于电动变速箱的全铝 3D 打印外壳，该外壳通过了公司的所有质量和负载测试。

最后，钛在医疗行业是一种非常有吸引力的材料，因为它具有高强度和耐腐蚀性以及生物相容性，这使其成为骨科和牙科植入物的理想选择。3D 打印允许创建模仿骨骼纹理的多孔结构，这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。铝在医疗行业中不如钛常见，但它可用于骨科和牙科应用。




价格和制造商

钛的一个主要缺点是价格高。根据 Wohlers 2021，Ti-6AI-4V 钛合金粉末或纯 2 级钛的成本约为每公斤 363 美元，是价格最高的部分之一。另一方面，铝要便宜得多，AlSi7 铝合金粉末的价格为 94 美元/千克，而 AISi10Mg 的价格为 98 美元/千克。

在制造方面， Heraeus Additive Manufacturing 是一家专门从事贵金属加工的德国公司，生产各种类型的钛，例如 6Al-4V，5 级和 23 级。另一方面，GKN 提供纯钛和 Beta 21S钛。在铝方面，Uniformity Labs 和 Equispheres 生产 AISi10Mg 铝合金，而 APWorks 生产 7000 系列铝合金粉末。