3D打印方法制备钛合金及不同性能钛合金的复合化

3D打印方法制备钛合金及不同性能钛合金的复合化

美国ASTM标准把增材制造(AM)分为7类。日本主要研究开发其中的粉末床熔炼法(powder bed fusion)，其热源采用电子束或激光束，分别称为电子束叠层成形法和激光叠层成形法。前者熔深大，每层厚度达100 μm，可使用50～100 μm粒径的粉末，而后者叠层薄，约数十微米，使用粉末的粒径较小，约为10～50 μm。因此前者的成形速度快，但表面较粗糙，后者成形速度慢，但表面光洁，精度高。但两种方法对以活性金属钛、锆为基体的金属材料的成形都是很有效的，因为具有不需模型而杂质较少的优点，可望今后逐渐获得应用。

利用上述叠层成形方法，首先将粉末制成薄片，然后重复这种过程就可制得三维成形体。可利用计算机辅助设计(CAD)及可高速传输的计算机网络进行远距离控制完成3D成形制造。这种3D制造技术具有以下优点：易成形切削加工困难的自由曲面及具有复杂内部构造的三维成形体，由于是半自动程序，不需要特殊的操作知识和熟练的操作水平，可在短时间内经济地制出成形体，不产生工具磨耗、噪音、振动、切屑等，材料的再利用率高(粉末的再利用率可达95%)。这种技术存在许多成形因子，因此有必要设计符合合金组成、熔融部位、形状等的最优化因子。特别是残存的气孔会大大降低材料的疲劳性能，有时需与热等静压(HIP)联用。

以钛和锆及其合金为代表的金属材料，利用3D打印技术可制备不同形状或不同组成的复合化金属材料，得到新的材料性能，如试制的复合板材。另外还可以用这种叠层成形法制作阶层式形状材料、多孔体及梯度构造材料以及非平衡合金共存的材料等不同特性的材料。设计制造了粉末(P)/固态(S)复合的阶层式构造材料，如Ti-6Al-4V人工关节股骨头，其中空部分为封入的金属原料粉末(P)，这样可发挥其冲击吸收性能。还试制了大部分为α相的Ti-6Al-4V(α+β)合金，用电子束迭层成形其外形，而内部填充β钛合金Ti-15Mo-5Zr-3Al粉末，然后在α/β转变点以下的温度(700 ℃)用放电等离子法烧结，制备了非平衡复合化钛合金，β相部分的烧结密度约为65%，非平衡钛合金之间有宏观界面。非平衡界面的浓度分析表明，其过渡层在10 μm以下，不会成为断裂裂纹源。这种合金具有低弹性、高强度、高冲击吸收性，可用于制作终生不必取出的人体骨夹板。3D打印技术不仅可用于金属与金属的复合，还可用于金属与磷酸钙陶瓷的复合，用来制备人体植入物。

吴全兴译自《チタン》