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3D打印最常用的金属材料钛合金与铝合金对比

   2023-06-19 IP属地 陕西25620

  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: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。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中的金属。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。另一方面其还具有可回收性、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,以非常坚固著称。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 (1600°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。


 
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