钛合金3D打印技术应用领域及发展趋势

   2023-07-25 IP属地 陕西23980

  3D打印(3DP)即快速成型技术的一种,又称增材制造 [1] ,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于一些产品的直接制造,已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车,航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

  3D打印技术出现在20世纪90年代中期,实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同,打印机内装有液体或粉末等“打印材料”,与电脑连接后,通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。这打印技术称为3D立体打印技术。

  钛合金材料在3D打印材料中的优势

  1.比强度高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。

钛合金材料在3D打印中的应用领域

医用领域

  钛被称为“亲生物”金属,具有无毒无害、耐高温、高耐腐蚀性、高强度、低密度、良好的生物相容性等优点,而且弹性模量与人体硬组织接近,在医用金属领域占据了“半壁江山”。现今运用到钛合金3D打印技术的主要是骨科与牙科。

航空航天领域

  3D打印技术最早于2001年开始应用于美国的舰载歼击机中,通过钛合金3D打印技术生产出飞机的承力结构件并应用于航空生产。2011年英国的南安普顿大学通过3D打印技术生产出包括无人机的机翼、控制面板和舱门的整体框架。2012年之后,钛合金3D打印技术在航空领域的应用取得前所未有的发展,钛合金部件不仅在飞机制造中得到广泛的应用,并且新型的钛合金材料开始在火箭、航天飞机等航天设备中得到应用。

手板和模具领域

  3D打印在手板和模具领域亦有着得天独厚的优势。与传统制作方式相比,3D打印因由计算机控制,能严格按照三维软件绘图来控制尺寸。对于复杂零件,没有制作路径限制,可极大幅度降低模型和模具制备时间,提高模型精度与质量,节约大量时间和金钱。

钛合金3D打印技术的发展趋势

  钛合金3D打印技术作为一项前沿的制造技术,集设计、制造于一体,近年来引起各界广泛关注,并在航空航天、国防军事、生物医学、汽车高铁等高精尖领域展示了广阔的应用前景,但是,相较于传统制造技术起步较晚,发展历史仅30年左右,与世界先进国家比较还存在很大的差距,比如:钛合金零件的成形效率低、精度还未能达到高精水平、设备和材料的制备成本高,以及仍未实现大规模的工业、商业应用等问题,特别是成形件缺陷的抑制问题。目前我国对零件的成形过程中存在的缺陷问题,球化、裂纹、孔隙、翘曲变形等的研究还处于初步阶段,仍有大量的研究工作急需进行。将来钛合金3D打印技术的发展趋势如下:

  (1)在材料方面,研制开发新型的球形钛合金粉末的生产设备和制备工艺,提高钛合金粉末的质量(粒度、球形度、流动性、夹杂气体等),进而改善制件的组织和力学性能。此外,通过提高粉末的收得率和粉末的回收再利用来降低成本。

  (2)在设备方面,一方面应提高设备的成形效率、成形精度,以及降低成本等;另外,还要研发大型的工业级打印设备,逐步实现大规模生产和应用。

  (3)在检测方面,伴随3D打印件向大型化、复杂化和精密化方向发展,很多传统的无损检测方法存在盲区,需要开发新型的无损检测技术;通过对组织、缺陷实时监控的在线检测技术是未来重点的研究方向之一;另外,建立和完善无损检测标准,是3D打印技术广泛应用的依据。

  (4)在工艺方面,进一步优化3D打印技术的工艺,抑制成形过程中的缺陷,提高成形件的力学性能。成形过程中零件内应力演变规律、变形开裂行为以及缺陷产生机理等关键问题,仍然是未来需要重点研究的问题。


 
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