钛具有高强度重量比、耐温性能、耐腐蚀性和耐用性，是关键商业和工业应用中增材制造的绝佳材料。现代粉末床熔融方法为复杂的设计提供了极大的自由度、 钛粉 3d 打印 释放新的潜能。
本概述指南探讨了常用的钛合金、实现的相应机械性能、进一步提高特性的后处理方法、提供高纯度印刷粉末的可用供应商，以及按最终用途行业划分的实际使用案例。比较表突出显示了不同钛材料和印刷方法的相对优势。
钛粉 3d 打印概述
与传统的减法加工相比，使用精细钛金属粉末原料的快速成型打印技术具有以下优势：
- 减少原材料浪费 - 比 90% 具有更高的买飞比
- 降低部件质量 - 优化轻量化
- 设计自由 - 复杂性不受工具使用限制
- 定制--针对特定站点的功能定制
- 简化组件 - 集成组件
- 性能改进 - 比铸造和锻造更强
激光粉末床熔融和定向能沉积 (DED) 技术都能成功制造复杂的钛零件。从高纯度打印粉末开始，整个 AM 工作流程的质量保证可提供可靠、一致的高性能部件。
用于 3D 打印的钛合金选择
添加剂应用中最常见的钛材料变体包括商业纯钛和 6Al-4V 钛（Ti64）。新出现的合金（如 Ti6462）可提供更强的能力。
标准钛印刷合金矩阵
| 合金 | 组成 | 属性 | 常见用途 |
|---|---|---|---|
| CP 1 级 | 钛 99.2%，Fe/O/N/C 限制 | 耐腐蚀性出色，机械性能一般 | 化工厂、海洋 |
| CP 2 级 | 钛 99.4%，Fe/O/N/C 限制 | 强度高于 Gr1，同样耐腐蚀 | 航空机身、植入物 |
| 钛-6Al-4V | 钛 90%、铝 6%、钒 4% | 更坚硬，出色的强度重量比 | 航空航天和赛车运动 |
| Ti6462 | 钛 Bal，铝 5.8-6.8%，钼 3% | 高抗疲劳性。航空规格正在开发中 | 新一代航空航天组件 |
铁、碳、氮和氧等微量元素受到严格控制，以满足 AM 的严格化学要求。
规格 钛粉 3d 打印
球形粉末具有可控的粒度分布、最小的内部孔隙率和严格的化学纯度水平，是使用钛进行高质量印刷的必要条件。
粉末原料颗粒标准
| 测量 | 要求 |
|---|---|
| 尺寸范围 | 15 - 53 微米 |
| 平均粒径 | 25-35 微米 |
| 粒子形状 | 高度球形 |
| 表观密度 | 2.7 - 3.7 克/立方厘米 |
| 水龙头密度 | 3.2 - 4.2 克/立方厘米 |
标准收紧形态参数，以改善印刷周期中的粉末床堆积和铺展行为。
钛 AM 零件的后处理方法
常用的后处理技术用于改善钛基印刷部件的材料性能：
使用的主要后处理方法
缓解压力
低温老化消除残余应力。防止潜在的翘曲或开裂。
表面处理
提高精度尺寸，打破尖锐边缘或平滑外观美感。
HIP（热等静压工艺）
同时升高的温度和等静压会使 AM 工艺产生的内部空隙/孔隙变密。
热处理
改变 Ti-6Al-4V 的微观结构，优化延展性、断裂韧性和疲劳寿命。
加工
通过数控加工近净成形零件，可获得极高的尺寸精度和表面光洁度。
钛金属三维打印技术比较
现代技术有助于在严密的惰性环境中使用精密激光熔化或电子束对细钛粉进行微焊接：
钛印刷工艺选项表
| 方法 | 说明 | 益处 | 局限性 |
|---|---|---|---|
| 激光粉末床融合 | 根据 CAD 模型输入，激光可选择性地熔化粉末床区域 | 商业采用率最高；最适合最终用途的材料特性 | 构建速度相对较慢 |
| 电子束熔化 | 电子束在高真空条件下熔化散布在构建板上的粉末 | 部件与部件之间的一致性极佳；潜在的制造量大 | 在没有严格气氛控制的情况下加工活性元素钛具有挑战性 |
| 直接能量沉积 | 聚焦激光熔化影响打印区域的金属粉末喷雾 | 可使用较大的部件；可进行维修 | 严重的孔隙率对钛的机械性能构成挑战 |
基于激光的粉末床方法具有精密的尺寸精度和材料纯度，因此在打印要求苛刻的钛部件时得到广泛采用。
钛金属 AM 零件应用
钛在较宽的温度范围内具有可定制的机械性能、重量轻、耐腐蚀和生物惰性，非常适合用于各种用途：
不同行业采用钛合金三维打印技术
航空航天 - 发动机支架、无人机部件、卫星设备 赛车运动 - 连杆、进气歧管、涡轮增压器 医疗和牙科 - 定制矫形植入物、假肢 石油和天然气 - 管道配件、深水阀门/泵 发电 - 轻质推进器和涡轮叶片
利用先进的工程冶金技术制造复杂的小批量部件的能力加快了钛的应用。整个供应链的合作伙伴关系确保了材料的可追溯性和工艺的可重复性。
工业供应商提供 钛粉 3d 打印
专为快速成型制造工艺提供高纯度球形钛粉的领先企业：
钛粉生产商矩阵
| 公司名称 | 普通年级 | 典型定价，$/公斤 |
|---|---|---|
| AP&C | Ti-6Al-4V，Gr2，Gr5，Ti6462 | $100 – $500 |
| LPW 技术 | Ti-6Al-4V，Gr23，Ti64 | $150 – $600 |
| 泰克纳 | 钛-6Al-4V | $250 – $400 |
| 山特维克 | 钛-6Al-4V | $200 – $350 |
按 $/Kg 计算的范围在很大程度上取决于纯度、粉末粒度分布的紧密性、取样、所需认证和采购量。本地供应链有助于缩短交货时间。
常见问题
哪种钛合金粉最适合用于医疗器械和植入物？
符合 ASTM F67 标准的医用 5 级钛具有极佳的生物相容性和出色的高循环疲劳性能，符合严格的化学控制标准，是面向患者的设备和承重植入应用的理想选择。
钛 AM 粉原料可以重复使用多少次？
钛打印粉末通常可有效重复使用 5-10 次，然后再进行刷新，前提是通过混合和筛分，对反复热循环产生的可接受氧气拾取水平进行严格的监控。
未经任何后处理的激光熔化钛零件的密度应该是多少？
从具有优化加工参数的粉末床系统中直接取出后，钛部件的成品密度可望接近 98%，甚至超过需要大量下游操作才能达到类似性能的铸造或锻造产品。
哪种后处理技术最能延长疲劳寿命？
对于承受循环应力的钛-6Al-4V 合金零件，热等静压 (HIP) 可以最大限度地减少内部空隙和残留孔隙，从而延长疲劳寿命，而内部空隙和残留孔隙通常是金属 AM 工艺后熔融粉末颗粒之间不可避免的局部微收缩效应造成的。
除定向能沉积技术外，还有哪些其他表面强化方法能成功改造钛合金 AM 零件？
热喷涂技术，如等离子传输弧（PTA）、高速空气燃料（HVAF）和高速氧气燃料（HVOF）焊接技术，可实现包括陶瓷在内的厚保护性外涂层；冷喷将粉末冲击到表面，提供加厚截面和磨损保护；激光熔覆或激光金属沉积覆盖额外的金属合金，通过卓越的冶金结合增强耐腐蚀性、耐摩擦性和耐冲击性。