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钛与铝:选择哪种金属进行3D打印?

   2024-07-22 IP属地 陕西3950

  金属是目前增材制造工艺中最受欢迎的材料之一。毫不奇怪,其卓越的性能使其成为对性能和耐受性要求最苛刻的应用的理想选择。在本文中,我们将重点关注3D打印中使用的两种主要金属:和铝。这些主要用于激光粉末床熔融(L-PBF)或集中能量沉积(DED)等工艺。它们主要以粉末形式提供,特别是在工业环境中。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,并了解它们在制造过程中提供的优势。

  钛、铝的生产及特点

  

  钛是一种在自然界中不作为元素存在的材料,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。生产纯钛应用最广泛的方法是克罗尔法,由美国化学家William J.Kroll于1940年开发。该方法涉及用氯气(Cl2)还原二氧化钛(TiO2),生产四氯化钛(TiCl4),然后用镁(Mg)还原。虽然克罗尔法在生产纯钛方面很有效,但它是一种昂贵的工艺,需要大量的能量。此外,钛的高反应性使其难以获得纯金属,因此纯度为99.9%的样品被认为是商业纯钛。这就是为什么它通常与其他元素结合形成合金。

  钛具有许多特性,使其在许多行业中用途广泛且有用。如前所述,它通常以合金形式使用,但由于其高生物相容性,纯提取钛用于某些应用,例如医疗行业。其主要特点是机械强度高、密度低、耐腐蚀性能优良、刚性高。

  发展

  3D打印中使用的主要钛合金有:

  钛6Al-4V,5级:这是最重要和最常见的。由于其高强度和耐用性,它被用于增材制造。该合金由钛、铝和制成,可以承受高温和腐蚀环境。

  钛6Al-4V,等级23:生物相容性,常用于医疗植入物和假体。

  钛Beta 21S:比传统钛合金更强,也更耐氧化和变形。它非常适合骨科植入物和航空航天发动机应用。β钛在正畸领域很受欢迎。

  Cp-Ti(纯钛),1、2级:由于钛与人体的生物相容性,在医疗行业中具有广泛的应用。

  TA15:这是一种几乎完全由钛组成的合金,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,使其成为制造飞机和发动机中坚固部件的理想选择。相对于其强度而言,它们也很轻。

  

  铝是一种在重量和强度之间实现了完美平衡的金属。除了耐腐蚀外,它还可以焊接。纯态的它非常罕见,因此我们将以合金的形式使用它,并与可以改善其物理和机械性能的金属(例如硅和镁)一起使用。与钛一样,两个连续的工业过程使得获得纯净状态的材料成为可能。在第一个过程中,称为拜耳法,从铝土矿中获取氧化铝。将矿石洗涤、粉碎,用烧碱溶解,过滤,得到纯氢氧化铝。然后加热得到氧化铝粉末。在第二个过程中,称为Hall-Héroult过程,对氧化铝进行电解还原以获得纯铝。大多数选矿厂建在矿山附近,以降低矿石运输成本。

  如上所述,铝合金比纯铝合金更常见,并且用于许多工业应用。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性和耐腐蚀性。它们还可回收、导热、导电且毒性低。

  铝3D打印中使用的主要合金有:

  AISi10Mg:这是最常见的由硅和镁形成的合金。它可以制造坚固、复杂的零件,并用于制造各种物体,例如外壳、发动机零件和生产工具。

  Al2139:最强的铝合金,由于其重量轻、强度高且耐化学品,非常适合汽车等行业。它已被美国空军、梅赛德斯-奔驰和空客等组织使用。这种材料的优点在于它是专门为增材制造而设计的,并且优于市场上许多其他合金。

  Al 7000系列:是著名的粉末合金系列,具有高拉伸强度和低温强度。

  Al 6061和Al 7075:最近,3D制造商使用这两种合金取得了非常好的结果。6061的拉伸强度和硬度低于7075。另一方面,7075比6061铝具有更好的抗冲击性和翘曲性。

  A201.1:它是200系列铜铝合金的一部分,众所周知,非常耐用。然而,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领域。

  如果我们比较这两种金属,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。另一方面,虽然铝不如钛耐用,但它更轻、更便宜。就热性能而言,铝非常适合需要高导热性的应用。另一方面,钛由于其高熔点而非常适合高温环境下的应用,例如航空航天发动机部件。铝和钛都具有优异的耐腐蚀性。然而,钛比铝具有更好的生物相容性,这就是它广泛应用于医疗领域的原因。

  材料形状和使用的3D技术

  形状

  在大多数情况下,钛和铝都是粉末形式,尽管它们也可以是线材形式,例如Virtual Foundry甚至Nanoe提供的钛或铝丝。

  要使用这些金属3D打印零件,必须首先获得合金粉末,这需要使用两种主要技术来完成:等离子雾化或气体雾化。等离子(电离气体)雾化是一种利用高温、能源和热源、惰性介质(如氩气)和高速来雾化金属的过程。该工艺生产出高质量的耐磨粉末。另一方面,气体雾化使用空气、氩气或氦气作为气体来分解熔融材料流。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。用于制造金属粉末的技术很重要,因为它明显影响零件的最终性能。

  使用的3D技术

  为了在3D打印中使用钛,可以使用多种工艺,例如激光粉末床熔融(L-PBF)、DED或粉末粘合。对于与铝有关的工艺,除了已经提到的工艺之外,还有另外一种工艺,例如冷喷涂,也称为冷喷涂。

  在L-PBF增材制造工艺中,激光束用于将粉末金属逐层加热至熔点并构建物体。钛在非常高的温度(1,600°C)下熔化,因此在3D打印之前需要分析材料的热效应和机械效应。铝的熔化温度要低得多(约630°C),但铝具有高反射率和导热率。铝增材制造的另一个有趣的方面是,它会形成自然氧化层,其他金属稍后会在其边缘形成自然氧化层,这意味着铝上这种薄层的存在会减慢该过程。

  关于DED,这是一个与前一个非常相似的过程,但这里材料在通过喷嘴沉积的同时熔化,并且可以以粉末或线材的形式进行制造。通常,该技术可以实现更高的生产速度和更低的单位体积成本。

  在粘合剂喷射的情况下,材料呈未熔化的粉末形式,但为了使颗粒彼此粘附,通过“打印头”将粘合剂喷射到层上的特定位置。打印后还需要进行烧结步骤。从3D打印机出来的零件非常脆弱且多孔,需要进行热处理才能获得最终的机械性能。

  在冷喷涂工艺中,我们还发现粉末形式的金属材料,但由于在这种情况下不需要熔化或熔合它,冷喷涂有助于避免由于热量而变形,并且不需要保护气氛。

  后处理

  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中,因此微喷砂和喷丸处理非常有用。在第一种方法中,将小金属或陶瓷球投射到零件表面上,以产生零件表面层的受控变形。这提高了后续涂层的附着力,并减少了裂纹和断裂等的可能性。喷丸仅去除表层材料,可以改善零件的美观,去除污垢和腐蚀,并为后续涂层做好表面准备。

  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,因为它可以确保严格的公差和所需的表面光洁度。特别是采用DED技术时,3D打印部件的表面非常粗糙,因为金属在挤压过程中直接熔化。这就是为什么始终需要CNC加工来获得光滑且轮廓分明的表面。

  固溶退火是一种热处理选项,涉及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,即在断裂前在载荷作用下变形的能力。一般来说,这种工艺可以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,烧结也是必要的。打印阶段结束后,部件必须经过脱脂过程,以便将粘合剂聚合物与金属分离。然后将部件在烧结炉中加热到略低于熔化温度的一定温度,这将巩固最终物体。这导致零件的孔隙率非常低,因为粘合剂所在的空腔在加工过程中被封闭,从而导致压缩。

  应用领域

  航空航天业发现使用钛增材制造具有巨大的好处。它是制造航空部件(如喷气发动机和燃气轮机)的理想材料,因为它可以显着减轻承受高应力的结构的重量。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。该工艺中使用的技术是DED,据说比粉末系统快50-100倍,并且比锻造少使用25-50%的钛,每架飞机可能节省高达300万美元。

  如果说钛目前通过3D打印被用于太空探索,那么铝在工业中的应用则成倍增加。例如,波音公司在冷却阶段使用涂有纳米粒子的铝合金生产3D打印零件。这样可以焊接极其坚固的铝合金,而不会在热时破裂。制造的零件更轻,使飞机能够有效地使用燃油,并在相同量的燃油下飞行更远的距离。

  尽管钛在汽车领域的高价格可能会阻碍其广泛使用,但我们可以看到钛在该领域的就业人数增加,特别是在豪华车领域。目前,3D打印用于制造重量/性能比至关重要的零件。例如,布加迪利用SLM技术在短短45小时内打印出其钛合金制动系统的制动卡钳,据称比传统方式的铣削铝制制动卡钳轻40%。尽管钛部件很轻,但也保证了其弹性和耐温性。另一方面,铝在汽车工业中更为常见。保时捷使用3D打印为其旗舰911车型GT2 RS制造高性能铝活塞。得益于这项技术,700马力的双涡轮发动机可以获得高达30马力的功率并提高其效率。此外,保时捷在2020年生产了用于电动传动系统的全铝3D打印外壳,并成功通过了公司的所有质量和负载测试。

  最后,钛因其高强度、耐腐蚀性以及生物相容性而成为医疗行业中非常有趣的材料,这使其成为骨科和牙科植入物的理想选择。3D打印可以创建模仿骨骼纹理的多孔结构,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。铝在医疗行业的使用不如钛常见,但它可用于骨科和牙科应用。

 
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