钛增材制造

快速成型制造 (AM)，又称三维打印，正在彻底改变各行各业的生产方式。本指南深入介绍了用于钛零件的 AM 技术，包括工艺、材料、应用、后处理、质量控制等。

概述钛增材制造

钛是一种坚固、轻质的金属，是航空航天和医疗等高性能应用的理想材料。增材制造为钛释放了新的设计自由和定制潜力。

益处	详细信息
复杂几何形状	机械加工无法实现的复杂形状
轻量化	晶格结构和拓扑优化
部分合并	减少装配部件
定制	病人专用医疗器械
缩短交货时间	根据设计直接快速生产

随着成本的降低和质量的提高，钛 AM 的应用正在加速。

用于 AM 的钛材料

各种钛合金可用于增材制造：

合金	特点
Ti-6Al-4V（5 级）	最常见。兼顾强度、延展性和耐腐蚀性。
Ti-6Al-4V ELI	间隙极低。提高延展性和断裂韧性。
Ti-5553	航空航天部件强度高。
Ti-1023	紧固件具有良好的冷成型性。
Ti-13V-11Cr-3Al	医用耐腐蚀合金。

对粉末的粒度分布、形态和纯度等特性进行了优化，以便于 AM 加工。

钛增材制造工艺方法

流行的钛 AM 技术：

方法	说明
粉末床融合	激光或电子束熔化粉末层
定向能量沉积	聚焦热源熔化金属粉末或金属丝
粘结剂喷射	液体粘接剂可选择性地粘接粉末颗粒

根据零件的应用和要求，每种工艺都具有特定的优势。

金属粉末床融合

热源逐层选择性地熔化粉末床：

类型	详细信息
激光粉末床融合（L-PBF）	使用激光熔化。分辨率更高。
电子束熔化（EBM）	电子束热源建造速度更快

L-PBF 可实现更精细的特征，而 EBM 可实现更高的生产率。两者都能生产接近全密度的零件。

定向能量沉积

利用聚焦热能熔化金属粉末/金属丝，逐层沉积材料：

方法	热源
激光金属沉积	激光束
电子束快速成型制造	电子束
激光工程塑网	激光束

DED 通常用于修复或增加现有组件的功能。

粘结剂喷射工艺

液体粘接剂可选择性地粘接金属粉末层：

撒粉 - 在构建平台上撒上新的粉层
粘合剂喷射 - 喷头按所需模式喷射粘合剂
粘合 - 粘合剂将粉末颗粒粘合在一起
为达到充分的密度，还需要额外的干燥、固化和渗透步骤

粘合剂喷射可生产出多孔的 "绿色 "部件，这些部件需要烧结和渗透才能致密化。它可以进行高速打印。

钛的 AM 参数

钛的关键 AM 工艺参数：

参数	典型范围
层厚度	20-100 μm
激光功率（L-PBF）	150-500 W
扫描速度	600-1200 毫米/秒
光束尺寸	50-100 μm
舱口间距	60-200 μm

优化这些参数可以平衡制造速度、零件质量和材料特性。

后处理钛增材制造部件

常见的后期处理步骤：

方法	目的
支持移除	拆除支撑结构
表面加工	提高表面光洁度
钻孔和攻丝	添加螺孔和螺纹
热等静压	消除内部空隙和气孔
表面处理	提高耐磨性/耐腐蚀性

后处理使部件符合最终应用要求。

钛增材制造的应用

钛 AM 零件的主要应用领域：

行业	用途
航空航天	结构支架、发动机部件、无人机部件
医疗	骨科植入物、手术器械
汽车	轻质汽车零件、定制原型
化学	耐腐蚀流体处理部件
石油和天然气	用于腐蚀性环境的阀门和泵

AM 可在要求苛刻的行业中实现创新的钛组件设计。

钛增材制造部件的质量控制

钛 AM 零件的关键质量检查：

尺寸精度 - 使用坐标测量机和 3D 扫描仪根据设计进行测量。
表面粗糙度 - 使用轮廓仪量化表面纹理。
孔隙率 - X 射线断层扫描检查内部空隙。
化学成分 - 使用光谱分析技术确认合金等级。
机械性能 - 进行拉伸、疲劳和断裂韧性测试。
无损检测 - X 射线、超声波、渗透检测。
微观结构 - 用金相学和显微镜检查缺陷。

综合测试验证部件质量和功能性能。

全球供应商钛增材制造

钛 AM 服务和系统的领先供应商：

公司名称	地点
通用电气添加剂	美国
Velo3D	美国
3D 系统	美国
Trumpf	德国
EOS	德国

这些公司提供一系列钛 AM 设备、材料和零件生产服务。

成本分析

钛 AM 零件的成本取决于：

部件尺寸 - 较大的部件需要更多的材料和制造时间。
生产量 - 大批量生产可将成本分摊到更多的部件上。
材料 - 钛合金的材料成本高于钢材。
后期处理 - 额外的加工步骤会增加成本。
购买与外包 - AM 系统购置成本与合同制造成本的对比。

对于小批量复杂零件而言，钛 AM 具有经济可行性。它可与数控加工等减法工艺相媲美。

钛增材制造面临的挑战

钛 AM 目前面临的一些挑战包括

高残余应力会导致零件变形和缺陷。
实现与锻造材料相当的稳定机械性能。
各向异性的材料行为取决于构建方向。
与其他制造方法相比，尺寸能力有限。
AM 机器之间的工艺不一致和重复性问题。
高昂的前期系统成本和材料价格。
缺乏合格的操作员和主题专家。

不过，不断取得的进步正在帮助克服其中的许多局限性。

钛增材制造的未来展望

钛 AM 的未来前景看好：

不断扩大专门用于 AM 的合金和材料选择范围。
更大的制造量可制造出更大的零件和更高的生产率。
提高质量、表面光洁度和材料性能，使其更接近锻造材料。
现场检测、过程监测和控制方面的发展。
将 AM 与 CNC 加工及其他方法相结合的混合制造。
航空航天、医疗、汽车和工业用燃气轮机行业均实现增长。
随着 AM 系统成本的降低和专业知识的增加，将得到更广泛的采用。

随着技术的不断成熟，钛 AM 在改变多个行业的供应链方面具有巨大潜力。

选择钛 AM 服务局

以下是选择钛 AM 服务提供商时的提示：

回顾他们使用钛部件的具体经验和实例。
寻求完整的端到端功能，包括后期处理。
评估其质量体系和认证，如 ISO 和 AS9100。
评估其工程支持和 AM 设计知识。
考虑地点和物流，以实现快速周转。
了解其 AM 设备的能力和产能。
比较定价模式（按部件、批量折扣等）。
检查交货时间和按时交货记录。
查看客户评价和满意度。

选择合适的合作伙伴可确保按时交付高质量的零部件，并符合预算要求。

钛 AM 的优缺点

钛 AM 的优势和局限性：

优点

设计自由度可实现复杂的几何形状。
通过网格和拓扑优化实现轻量化。
加快原型设计和限量生产。
将组件合并为单个部件。
根据解剖结构定制医疗器械。
与机械加工相比，可减少材料浪费。

缺点

与其他工艺相比，生产成本相对较高。
对最大部件尺寸的限制。
通常需要进行后处理，以提高光洁度。
各向异性材料特性
标准和规范仍在制定中。
设计和加工需要专业知识。

对于中小批量的复杂钛零件而言，AM 是一项改变游戏规则的技术，尽管在技术成熟的过程中仍存在一些限制。

常见问题

问题	答案
哪种 AM 工艺最适合钛？	DMLS 和 EBM 等粉末床熔融技术可实现完全熔化，达到接近锻造的性能。
钛 AM 是否需要任何支撑结构？	是的，大多数钛合金 AM 工艺都需要可拆卸的支撑结构。
钛合金 AM 部件通常需要哪些后处理？	大多数零件需要去除支撑、机加工，通常还需要热等静压。
哪些行业使用钛 AM 最多？	航空航天、医疗、汽车、石油和天然气是钛 AM 的主要应用领域。
钛 AM 可以实现哪些材料特性？	采用最佳参数时，性能接近锻造材料的 90-100%。