用于 3d 打印金属的钛合金 ti-64简称 Ti-64，是一种航空航天级钛合金，广泛应用于航空航天、医疗、汽车和一般工程领域的关键增材制造应用。本指南提供了 Ti-64 粉末冶金的技术概述，包括成分、机械性能数据、AM 加工细节、后处理、应用、成本分析、产品规格以及与其他钛牌号的比较。
用于 3d 打印金属的钛-64 概览
Ti-6Al-4V（5 级）钛合金在强度、断裂韧性和耐腐蚀性方面实现了最佳平衡，并具有公认的生物相容性，因此成为各行业关键任务三维打印金属部件最普遍的材料选择。
随着 AM 从原型开发到批量生产，用于飞行就绪的航空航天部件和病人专用植入物，Ti-64 已成为比较新材料的基准粉末。
它提供
- 出色的强度重量比
- 硬度和断裂韧性高，最高可达 550 兆帕
- 复杂几何形状的延展性
- 生物相容性和无毒性
- 经过数十年检验的血统
- 可用的供应链和成本效益
继续阅读，了解有关制造 3D 打印钛 Ti-64 零件的粉末冶金方法的深入技术信息。
成分与合金设计
钛 Ti-64 合金主要由钛与铝和钒混合组成：
| 要素 | 重量 % | 角色 |
|---|---|---|
| 钛 (Ti) | 平衡，~90% | 耐腐蚀、生物相容性 |
| 铝 (Al) | 5.5-6.75% | 固溶强化剂 |
| 钒 (V) | 3.5-4.5% | 相位稳定器 |
| 铁（Fe） | <0.3% | 污染物 |
| 氧气 (O) | <0.2% | 污染物 |
碳、氮和氢等微量元素会降低机械性能，因此要尽量减少。铁和氧气的浓度也保持在较低水平。
铝能稳定α相，而钒则能在适当的热处理后形成强化的β沉淀。这种双相硼混合物具有卓越的性能。
钛-64 的主要特性
- 屈服强度： 880 兆帕
- 拉伸强度： 950 兆帕
- 伸长率： 14%
- 硬度 350 布氏硬度
- 疲劳极限： 500 兆帕
- 断裂韧性 75 兆帕√米
- 剪切强度： 690 兆帕
- 杨氏模量： 115 GPa
- 密度 4.43 克/立方厘米
- 熔点:1604°C
这些特性在很大程度上取决于稍后讨论的适当热处理。线送和粉末床 AM 工艺的数值也略有不同，需要对参数进行调整。
用于 3d 打印金属的钛合金 ti-64 生产
医疗和航空航天应用需要严格控制，以实现无缺陷的制造，因此粉末制造要遵循严格的规范：
| 步骤 | 详细信息 |
|---|---|
| 铸锭 | 严格控制化学成分的三重电弧熔炼铸锭 |
| 重熔 | 为关键用途提供可选的 VAR 或 ESR 净化功能 |
| 气体雾化 | 高压惰性氩气喷射形成细小液滴 |
| 筛分 | 按照粒度分布 (PSD) 标准进行多级分级 |
| 调节 | 干燥、混合、流动添加剂 |
| 最终测试 | PSD、霍尔流量、化学检测、SEM 图像 |
| 包装 | 防潮氩气填充罐或瓶 |
显著特点：
- 卫星数量少的球形颗粒形态
- 可流动的粉末，不会结块或结块
- 受控 PSD 波段，大部分分布在 15 微米至 45 微米之间
- 符合 ASTM F2924 和 F3001 等级的化学物质
- 在大批量生产过程中，批次保持一致，并提供可重复性数据
- 可追溯源铸锭的文件
如此严格的生产控制可确保在经过验证的机器参数调整后，打印出可靠的无缺陷印刷品。
钛-64 在 3d 打印金属中的应用
该合金的生物相容性和高强度重量比适合众多关键应用：
航空航天
- 结构支架、舱壁和起落架部件
- 涡轮叶片和叶轮
- 飞机内饰部件
医疗和牙科
- 骨科植入物，如膝关节、髋关节和脊柱固定架
- 牙科基台和牙桥
- 需要消毒的手术器械
汽车
- 轻质活塞、连杆
- 豪华车和赛车部件，包括阀门
化学加工
- 管道、阀门等耐腐蚀流体处理部件
- 符合食品/制药标准的过滤器和外壳
此外，机器人、体育用品和电子热管理等高价值行业也越来越多地采用 3D 打印 Ti-64 技术，以充分利用设计自由度。
接下来，我们将深入探讨常用的粉末床熔融技术，这些技术用于加工这种多用途合金粉末，以制造关键部件。
使用钛 Ti-64 粉末进行金属 3D 打印
激光和电子束粉末床技术都能使 Ti-64 在构建板上逐层熔化，达到全密度：
激光粉末床融合（L-PBF）
- 选择性激光熔化（SLM）和直接金属激光烧结（DMLS）
- 聚焦高功率 Yb 或 Nd:YAG 光纤激光器
- 惰性氩气环境，氧气含量低于百万分之 500
- 熔池实时光学监测
电子束粉末床聚变（E-PBF）
- 真空中 60 千伏至 150 千伏的强大电子束
- 超快光束扫描速度超过 25,000 毫米/秒
- 小部件生产率高
- 更深的穿透力更容易焊接钛合金
对于较大的零件，采用线馈定向能沉积（DED）方法可在基础结构上添加材料。多种 AM 方法可优化机械性能和表面光洁度。
益处
- 在铸造或机加工过程中无法支撑的复杂几何形状
- 与减法步骤相比，缩短了交付周期，降低了成本
- 材料损耗降至最低，买飞比超过 90%
- 一旦调试完成，可在长时间的构建过程中获得一致的结果
- 设计自由度提高了性能
然而，要获得这些成果，细致的前期和后期处理至关重要。
前处理和后处理步骤
要实现无缺陷构建，就必须采用综合协议：
预处理
- 专用设备上的参数优化测试矩阵
- 监控粉末状态和重新使用混合比
- 初始热处理，确保颗粒特征均匀一致
- 在构建板上仔细排版并确定部件的方向
后期处理
- 通过线切割/带锯从板材上切除部件
- 广泛的下游加工和精加工
- 热等静压 (HIP) 消除内部空隙
- 固化、老化和稳定化热处理
- 最终质量保证验证测试
这种全面的加工控制使 Ti-64 能够充分挖掘增材制造的潜力，而不仅仅依赖于打印机。
规格
用于医疗或航空航天用户的 Ti-64 合金批次需要认证：
| 参数 | 典型值 |
|---|---|
| 化学（AMS 4928 | 上表 |
| 粒径分布 | D10 20μm，D50 35μm，D90 50μm |
| 形态学 | 主要是球面+卫星 |
| 表观密度 | 2.7 - 3.2 克/立方厘米 |
| 水龙头密度 | 3.2 - 4.0 克/立方厘米 |
| 流量 | 30 - 35 秒 50 克，霍尔漏斗 |
| 表面氧分析 | < 2000 ppm |
| 杂质 | 铁< 3000 ppm，氢< 100 ppm |
可以定制筛分成更紧密的带状，但会增加成本。与客户 AM 机器参数相匹配并通过质量检查，可确保生产作业的性能可重复性。
用于 3d 打印金属的钛合金 ti-64 可用性和成本分析
由于采用了专门的熔炼工艺、严格的质量控制测试和粉末形状工程，航空航天级 Ti-6Al-4V 的成本高于标准 Ti 牌号：
| 产品 | 数量 | 价格范围 |
|---|---|---|
| Ti-64 研发粉末 | 0.5 千克 | $500+ |
| Ti-64 原型粉末 | 10 千克 | 每公斤 $150+ |
| Ti-64 生产粉末 | 1000+ 千克 | 每公斤 $50+ |
成本仍然偏高，但随着 AM 公司扩大 Ti-64 合金的使用范围，使规模经济制造优化得以实现，成本将继续得到改善。现在可以购买小的研发样品，无需订购数量，但生产工作需要订单预测。
Ti-64 与其他钛合金的比较
虽然 Ti-64 的采用范围最广，但其他等级的产品现在也争相成为 AM 的替代选择：
| 合金 | 实力 | 延展性 | 抗氧化性 | 费用 |
|---|---|---|---|---|
| Ti-64（Ti-6Al-4V） | 非常高 | 中型 | 中型 | $$$ |
| Ti-5553（Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr） | 非常高 | 中型 | 更好 | $$$ |
| Ti-1023（Ti-10V-2Fe-3Al） | 高 | 更高 | 良好 | $$ |
| 钛-48Al-2Cr-2Nb（Ti4822） | 中型 | 脆性 | 最佳 | $$$$ |
传统 Ti-64 的主要优点是:
- 30 多年来，材料的血统久经考验
- AM 制造的表面更光滑
- 既定的热处理规程
- 用于设计鉴定的容许数据
- 随时可用，供应具有竞争力
Ti-64 的限制:
- 并非绝对强度最高的钛
- 在没有控制的情况下容易热氧化
- 需要大量热等静压（HIP）
因此，每种牌号都显示了所描述的权衡，有助于根据应用要求选择优化的牌号。
摘要
快速成型技术为工程师设计高性能钛合金 Ti-64 部件提供了前所未有的自由度，这是传统技术无法比拟的。通过将新兴的数字化能力与经过 30 多年航空航天和医疗应用验证的大量材料数据相结合，工程师可以利用 Ti-64 的优势部署创新的 3D 打印几何形状，同时降低鉴定风险。然而，在粉末制造、存储处理、金属 AM 加工和后处理方面，精细控制仍然至关重要，这样才能充分挖掘这种多功能高强度合金的潜力。
