3D打印方法制備鈦合金及不同性能鈦合金的復(fù)合化

美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)把增材制造(AM)分為7類。日本主要研究開發(fā)其中的粉末床熔煉法(powder bed fusion)，其熱源采用電子束或激光束，分別稱為電子束疊層成形法和激光疊層成形法。前者熔深大，每層厚度達(dá)100 μm，可使用50～100 μm粒徑的粉末，而后者疊層薄，約數(shù)十微米，使用粉末的粒徑較小，約為10～50 μm。因此前者的成形速度快，但表面較粗糙，后者成形速度慢，但表面光潔，精度高。但兩種方法對(duì)以活性金屬鈦、鋯為基體的金屬材料的成形都是很有效的，因?yàn)榫哂胁恍枘Ｐ投s質(zhì)較少的優(yōu)點(diǎn)，可望今后逐漸獲得應(yīng)用。

利用上述疊層成形方法，首先將粉末制成薄片，然后重復(fù)這種過程就可制得三維成形體?？衫糜?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)及可高速傳輸?shù)挠?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制完成3D成形制造。這種3D制造技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：易成形切削加工困難的自由曲面及具有復(fù)雜內(nèi)部構(gòu)造的三維成形體，由于是半自動(dòng)程序，不需要特殊的操作知識(shí)和熟練的操作水平，可在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)濟(jì)地制出成形體，不產(chǎn)生工具磨耗、噪音、振動(dòng)、切屑等，材料的再利用率高(粉末的再利用率可達(dá)95%)。這種技術(shù)存在許多成形因子，因此有必要設(shè)計(jì)符合合金組成、熔融部位、形狀等的最優(yōu)化因子。特別是殘存的氣孔會(huì)大大降低材料的疲勞性能，有時(shí)需與熱等靜壓(HIP)聯(lián)用。

以鈦和鋯及其合金為代表的金屬材料，利用3D打印技術(shù)可制備不同形狀或不同組成的復(fù)合化金屬材料，得到新的材料性能，如試制的復(fù)合板材。另外還可以用這種疊層成形法制作階層式形狀材料、多孔體及梯度構(gòu)造材料以及非平衡合金共存的材料等不同特性的材料。設(shè)計(jì)制造了粉末(P)/固態(tài)(S)復(fù)合的階層式構(gòu)造材料，如Ti-6Al-4V人工關(guān)節(jié)股骨頭，其中空部分為封入的金屬原料粉末(P)，這樣可發(fā)揮其沖擊吸收性能。還試制了大部分為α相的Ti-6Al-4V(α+β)合金，用電子束迭層成形其外形，而內(nèi)部填充β鈦合金Ti-15Mo-5Zr-3Al粉末，然后在α/β轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下的溫度(700 ℃)用放電等離子法燒結(jié)，制備了非平衡復(fù)合化鈦合金，β相部分的燒結(jié)密度約為65%，非平衡鈦合金之間有宏觀界面。非平衡界面的濃度分析表明，其過渡層在10 μm以下，不會(huì)成為斷裂裂紋源。這種合金具有低彈性、高強(qiáng)度、高沖擊吸收性，可用于制作終生不必取出的人體骨夾板。3D打印技術(shù)不僅可用于金屬與金屬的復(fù)合，還可用于金屬與磷酸鈣陶瓷的復(fù)合，用來制備人體植入物。

吳全興譯自《チタン》