鈦合金3D打印技術(shù)的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

鈦合金3D打印技術(shù)的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀
據(jù)世界金屬導(dǎo)報，金屬用3D打印機的設(shè)備和材料在世界上已達3億美元。盡管與先進的樹脂用打印機相比，僅有1/10左右，但預(yù)計2020年將達到12-21億美元。
那么 ，
金屬3D打印有何不同？
研究現(xiàn)狀如何？
主要應(yīng)用于哪些領(lǐng)域？

金屬3D打印技術(shù)的概述

近年來，隨著激光選區(qū)熔化( SLM)制造和電子束選區(qū)熔化( EBSM)制造等金屬直接制造技術(shù)的迅速發(fā)展，定制化功能件的直接制造技術(shù)亦越來越成熟，定制化功能件成型材料、工藝和設(shè)備已成為研究熱點。

選區(qū)激光熔化SLM是指在氬氣或氮氣保護下用激光束照射金屬粉末，粉末在吸收激光能量之后快速熔化并凝固，以此冶金結(jié)合、致密組織、高精度的金屬功能件，是目前國內(nèi)外研究和生產(chǎn)常用的3D打印方法 。

圖1 選區(qū)激光熔化(a)和電子束選區(qū)熔化(b)的原理圖

選區(qū)激光熔化原理如圖1(a)所示，它是一種冷加工工藝，后期需進行熱處理提高制件性能，加工件在加工時需有與所打印材料膨脹率和導(dǎo)熱性相似的材料作為基板 。電子束選區(qū)熔化EBSM是指在真空條件下使電子槍中產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚集，形成高能量大密度的電子束并轟擊被加工部位粉末，使該部位的粉末熔化與凝固的制件工藝。

電子束選區(qū)熔化原理如圖1(b)所示。電子束選區(qū)熔化是一種熱加工工藝，大多數(shù)材料無需熱處理，且加工件可自由脫離加工底板，一般用于加工簡單及小型的零件 。
在技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域方面，金屬3D打印近年來在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著快速的發(fā)展，應(yīng)用多的科室主要集中在牙科和骨科。材料主要以鈦合金、不銹鋼等與人體組織相容性較好的生物材料。

直接生產(chǎn)零件更是在3D打印領(lǐng)域飛速發(fā)展，使用金屬粉末SLM設(shè)備直接制造零件是全世界在3D打印領(lǐng)域為重視的領(lǐng)域，因其可以加工傳統(tǒng)方法難以加工、甚至無法加工的較為復(fù)雜的零部件，所以在直接生產(chǎn)零件方面更具備無與倫比的優(yōu)越性。

鈦合金3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

 牙科和骨科領(lǐng)域

圖2 鈦合金骨板與顱骨修復(fù)片

鈦合金具有耐高溫、高耐腐蝕性、高強度、低密度、生物相容性等優(yōu)點 。在用于人體硬組織修復(fù)的金屬材料中，Ti的彈性模量與人體硬組織接近，約80~110 GPa，這可減輕金屬種植體與骨組織之間的機械不適應(yīng)性  。因此，鈦合金在醫(yī)療領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，越來越受到醫(yī)師和患者的重視。

初應(yīng)用于臨床的鈦合金主要以純Ti和Ti6Al4V為代表。20世紀中期，美國和英國首先將純Ti應(yīng)用于生物體中，中國于70年代初開始把人工鈦髖關(guān)節(jié)應(yīng)用于臨床。純Ti在生理環(huán)境中具有良好的耐腐蝕性能，但其強度和耐磨損性能較差，從而限制了其在承力部位的應(yīng)用，主要用于口腔修復(fù)及承力較小部位的骨替換。與純Ti相比，Ti-6Al-4V合金具有較高的強度和較好的加工性能，初是為航天應(yīng)用設(shè)計，到20世紀70年代后期被廣泛用作外科修復(fù)材料，如顱骨修復(fù)片、骨板等，如圖2所示。
長期以來，國內(nèi)外的研究主要以Ti6Al4V為主，但因Al、V等是對人體有害的元素，因而研究方向轉(zhuǎn)至不含Al和V的新型β型鈦合金，如TiZrNbSn  、Ti24Nb4Zr7.6Sn  等。

現(xiàn)今，骨科適合3D技術(shù)的有骨科手術(shù)輔助和骨置換體 。手術(shù)輔助是指根據(jù)病患損傷或需要去除部分數(shù)據(jù)打印出假骨和輔助導(dǎo)板，使用假骨和導(dǎo)板模擬手術(shù)研究切割位、打孔位、打孔深度等，大幅度提高手術(shù)質(zhì)量降低手術(shù)風(fēng)險和難度，縮減手術(shù)時間，減輕病患痛苦。骨假體利用3D打印技術(shù)直接制造成輕量化多孔骨，利于假骨活體化，可在空隙內(nèi)再生人體組織細胞，且定制的假體假骨跟患者身體所長形態(tài)相同，終手術(shù)完成后達到接近人體真骨的效果 。

2014年4月，第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院骨科郭征教授帶領(lǐng)的團隊完成亞洲首例鈦合金3D打印骨盆腫瘤假體植入術(shù)，使患者巨大腫瘤切除后的缺失骨盆得到精細化完美重建，解決了復(fù)雜部位骨腫瘤切除后骨缺損個體化重建的臨床難題 。2015年7月，第四軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院胸腔外科為一名胸骨腫瘤患者成功實施了3D打印鈦合金胸骨植入手術(shù)，術(shù)后患者恢復(fù)良好，無任何并發(fā)癥出現(xiàn)，這也成為世界首例3D打印鈦合金胸骨植入術(shù)。

圖3 舌側(cè)正畸與牙冠

牙科具有個性化定制快速需求、輕量微型等突出特點，特別適合采用金屬粉末(特別是鈦合金)的3D打印技術(shù)，產(chǎn)品有牙冠、牙橋、舌側(cè)正畸托槽、假牙支架、牙釘?shù)?，如圖3所示。如果采用傳統(tǒng)制造方式，制造周期長，難以滿足個性化需求。同時制造精度不高，難以加工高硬度材料，需求高強度密集手工操作，人工成本高，制造產(chǎn)品質(zhì)量受制于技師水平等。而采用3D打印生產(chǎn)牙科相關(guān)植入體零件可避免這些問題，可直接輸入三維數(shù)據(jù)使用鈦合金等粉末打印，即可獲得合格的牙科植入體零件。
手板和模具領(lǐng)域

圖4 零件手板與復(fù)雜模具

3D打印在手板和模具領(lǐng)域亦有著其獨特的優(yōu)勢。一方面，與傳統(tǒng)方法相比，3D打印因由計算機控制，并嚴格按照三維軟件繪圖來控制尺寸。對于復(fù)雜零件，沒有制作路徑限制，可極大幅度降低模型和模具制備時間，提高模型精度與質(zhì)量。特別是可使用零件所用材料制造，可測試更多手板、模型的性能與體驗，尤其超復(fù)雜曲面零件。采用3D技術(shù)則可在一周之內(nèi)甚至幾個小時低成本完成此工作。3D打印的零件手板和復(fù)雜模具如圖4所示。
航空航天領(lǐng)域

傳統(tǒng)鍛造和鑄造技術(shù)制備的鈦合金件已被廣泛應(yīng)用于高新技術(shù)領(lǐng)域，但由于產(chǎn)品成本高、工藝復(fù)雜和較長交貨周期，限制了其應(yīng)用范圍，特別是有定制化要求的航空航天更突顯了傳統(tǒng)加工方式的弊端。

“輕量化”和“高強度”一直是航空航天設(shè)備制造和研發(fā)的主要目標，而由3D打印制造的金屬零件則完全符合其對設(shè)備的要求。

首先，3D打印技術(shù)集概念設(shè)計、技術(shù)驗證與生產(chǎn)制造于一體，可快速實現(xiàn)小規(guī)模產(chǎn)品創(chuàng)新，縮短研發(fā)時間。通過3D打印某些零件，可節(jié)約材料，3D打印所特有的增材制造技術(shù)能使原材料利用率高達90%，降低生產(chǎn)成本，沒有復(fù)雜的傳統(tǒng)工藝，縮短制造時間，且可制造出形狀復(fù)雜的零部件。

比利時航空航天公司Sonaca與法孚米其林FMAS公司宣布合作，為航空航天行業(yè)開發(fā)和制造3D打印的鈦合金零件。法國投資1050萬美元啟動FAIR項目，以幫助推進該國工業(yè)增材制造技術(shù)的發(fā)展 。使用3D打印鈦合金零件的F-35戰(zhàn)機已進行試飛。作為鈦合金激光打印領(lǐng)域的先行者，美國不甘落后，美國空軍和洛克希德·馬丁公司已宣布與Sciaky公司成為合作伙伴，且計劃使用該公司生產(chǎn)的襟副翼翼梁裝備正在生產(chǎn)的F-35戰(zhàn)斗機。

圖5 國產(chǎn)飛機C919鈦合金中央翼緣條

我國在3D打印航空航天領(lǐng)域較突出的科研團隊為西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室黃衛(wèi)東教授所帶領(lǐng)的團隊以及北京航空航天大學(xué)王華明教授所帶領(lǐng)的團隊。近年來，在航空航天領(lǐng)域均取得了較大的成果。圖5為西工大用3D打印制造3米長用于國產(chǎn)C919飛機上的鈦合金中央翼緣條。
此外，中國航天科工三院306所技術(shù)人員成功突破TA15和Ti2AlNb異種鈦合金材料梯度過渡復(fù)合技術(shù)。該技術(shù)成功融合了激光3D打印與梯度結(jié)構(gòu)復(fù)合制造兩種工藝，解決了傳統(tǒng)連接方式(如法蘭連接、焊接等工藝方法)帶來的增重、密封性差和結(jié)構(gòu)件整體強度剛度低等問題，為具有溫度梯度結(jié)構(gòu)的開發(fā)設(shè)計與制造開辟了新的研制途徑。同時，開創(chuàng)了一種異種材料間非傳統(tǒng)連接的制造模式，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)功能一體化零部件的設(shè)計與制造。

3D打印還可直接用于零部件的修復(fù)和制造。航空航天零件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且成本很高昂，一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損，可能造成數(shù)十萬甚至上百萬人民幣的損失。而3D打印技術(shù)可用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，修復(fù)后的性能不受影響，大大節(jié)約時間和金錢。

鈦合金3D打印的研究現(xiàn)狀

采用激光為熱源的SLM技術(shù)是將金屬粉末按設(shè)定的路徑一層層堆焊疊加，其本質(zhì)就是一個焊接過程，所以打印的金屬零件內(nèi)部必然存在氣孔、裂紋、夾雜、未熔合等焊接缺陷，因此缺陷控制技術(shù)是金屬3D打印技術(shù)研究的重要課題之一。

SLM打印零件中的孔洞來源可能有以下幾種：

1) SLM功率不夠或移動速度太快，金屬粉末未完全熔敷就凝固；
2) 熔融金屬凝固補縮不及時而形成；
3) 成型室內(nèi)氧含量偏高，粉末熔化過程形成氧化物夾雜及氣孔。裂紋主要為冷裂紋，具有典型的穿晶斷裂特征 。

這是由于SLM成形過程中激光熔化金屬粉末產(chǎn)生高溫梯度導(dǎo)致零件內(nèi)部存在較高的殘余應(yīng)力，同時抗裂強度低的馬氏體組織在殘余應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋，粗大的裂紋終也會分解為較小的裂紋而終止擴展。

基于這些缺陷的發(fā)生，此時需要通過后處理提高SLM制件的性能。對于裂紋和缺陷的研究較通用的方法為機械測試、熱處理和HIP熱等靜壓工藝，并通過電子顯微鏡和計算機斷層掃描來研究SLM件孔隙分布情況。初觀察到微米級別的孔隙是影響疲勞強度的主要原因，其中殘余應(yīng)力對疲勞裂紋增長的影響尤為顯著。

對于孔洞缺陷的產(chǎn)生，一般可通過調(diào)節(jié)掃描速度、功率和間距等工藝參數(shù)進行調(diào)節(jié)。

殘余應(yīng)力的產(chǎn)生主要是由于熔池內(nèi)較大的溫度梯度，消除殘余應(yīng)力的方法主要有：

1) 調(diào)整加工工藝，控制熔池大小，使熱量能較快的散失出去；
2) 通過熱處理使殘余應(yīng)力釋放；
3) 施加靜載或動載。粉末粒度(D50中位粒徑)、球形度、流動性、夾雜、氣體含量等也對打印件的質(zhì)量影響很大，激光選區(qū)熔化成形比較合適的粉末粒度為25~45 μm，粉末球形度會影響送粉和鋪粉的穩(wěn)定性，而影響打印質(zhì)量，粉末中的夾雜物以及氣體等會在打印制件內(nèi)形成夾雜和氣孔。

總結(jié)

直接制造金屬零件，甚至是組裝好的功能性金屬制件產(chǎn)品，無疑是制造業(yè)對增材技術(shù)發(fā)展的終極目標要求。采用激光或電子束直接熔化金屬粉末，逐層堆積金屬，形成金屬直接成形零件，是現(xiàn)代制造技術(shù)的一個跨越。

該技術(shù)可直接制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬功能零件，其制件力學(xué)性能可達到鍛件性能指標，更能制造出滿足個性化需求的生物醫(yī)用植入體。通過增材制造和減材加工組成的復(fù)合加工系統(tǒng)，可滿足高精度零部件制造加工的要求。通過系統(tǒng)集成現(xiàn)有先進精密機械、電器控制與軟件控制，實現(xiàn)選區(qū)激光熔化設(shè)備國產(chǎn)化，以此拓展并推動增材制造在工業(yè)中的應(yīng)用。

因此，金屬增材制造技術(shù)對定制化復(fù)雜型金屬材料而言，是一種極為有利的加工制造技術(shù)。增材制造技術(shù)也為生物制造科學(xué)和仿生制造科學(xué)提供研究手段，使得增材制造技術(shù)的內(nèi)涵進一步得到延伸。