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(bào)，金屬用3D打印機(jī)的設(shè)備和材料在世界上已達(dá)3億美元。盡管與先進(jìn)的樹(shù)脂用打印機(jī)相比，僅有1/10左右，但預(yù)計(jì)2020年將達(dá)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(lái)，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(lái)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(diǎn)。

選區(qū)激光熔化SLM是指在氬氣或氮?dú)獗Ｗo(hù)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(guó)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(jìn)行熱處理提高制件性能，加工件在加工時(shí)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(wú)需熱處理，且加工件可自由脫離加工底板，一般用于加工簡(jiǎn)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(lái)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?yàn)橹匾暤念I(lǐng)域，因其可以加工傳統(tǒng)方法難以加工、甚至無(wú)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(wú)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(qiáng)度、低密度、生物相容性等優(yōu)點(diǎn) 。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(jī)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(lái)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(jì)中期，美國(guó)和英國(guó)首先將純Ti應(yīng)用于生物體中，中國(guó)于70年代初開(kāi)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(qiáng)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(qiáng)度和較好的加工性能，初是為航天應(yīng)用設(shè)計(jì)，到20世紀(jì)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(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外的研究主要以Ti6Al4V為主，但因Al、V等是對(duì)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?jǐn)?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(xiǎn)和難度，縮減手術(shù)時(shí)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(xì)胞，且定制的假體假骨跟患者身體所長(zhǎng)形態(tài)相同，終手術(shù)完成后達(dá)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(tuán)隊(duì)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(xì)化完美重建，解決了復(fù)雜部位骨腫瘤切除后骨缺損個(gè)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(shí)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(wú)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(gè)性化定制快速需求、輕量微型等突出特點(diǎn)，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(zhǎng)，難以滿足個(gè)性化需求。同時(shí)制造精度不高，難以加工高硬度材料，需求高強(qiáng)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(wèn)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。一方面，與傳統(tǒng)方法相比，3D打印因由計(jì)算機(jī)控制，并嚴(yán)格按照三維軟件繪圖來(lái)控制尺寸。對(duì)于復(fù)雜零件，沒(méi)有制作路徑限制，可極大幅度降低模型和模具制備時(shí)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(cè)試更多手板、模型的性能與體驗(yàn)，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(gè)小時(shí)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(zhǎng)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(qiáng)度”一直是航空航天設(shè)備制造和研發(fā)的主要目標(biāo)，而由3D打印制造的金屬零件則完全符合其對(duì)設(shè)備的要求。

首先，3D打印技術(shù)集概念設(shè)計(jì)、技術(shù)驗(yàn)證與生產(chǎn)制造于一體，可快速實(shí)現(xiàn)小規(guī)模產(chǎn)品創(chuàng)新，縮短研發(fā)時(shí)間。通過(guò)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(dá)90%，降低生產(chǎn)成本，沒(méi)有復(fù)雜的傳統(tǒng)工藝，縮短制造時(shí)間，且可制造出形狀復(fù)雜的零部件。

比利時(shí)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(kāi)發(fā)和制造3D打印的鈦合金零件。法國(guó)投資1050萬(wàn)美元啟動(dòng)FAIR項(xiàng)目，以幫助推進(jìn)該國(guó)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(jī)已進(jìn)行試飛。作為鈦合金激光打印領(lǐng)域的先行者，美國(guó)不甘落后，美國(guó)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(jì)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(jī)。

圖5 國(guó)產(chǎn)飛機(jī)C919鈦合金中央翼緣條

我國(guó)在3D打印航空航天領(lǐng)域較突出的科研團(tuán)隊(duì)為西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃衛(wèi)東教授所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)以及北京航空航天大學(xué)王華明教授所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)。近年來(lái)，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(zhǎng)用于國(guó)產(chǎn)C919飛機(jī)上的鈦合金中央翼緣條。
此外，中國(guó)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(guò)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(lái)的增重、密封性差和結(jié)構(gòu)件整體強(qiáng)度剛度低等問(wèn)題，為具有溫度梯度結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與制造開(kāi)辟了新的研制途徑。同時(shí)，開(kāi)創(chuàng)了一種異種材料間非傳統(tǒng)連接的制造模式，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)功能一體化零部件的設(shè)計(jì)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(wàn)甚至上百萬(wàn)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(bǔ)成完整形狀，修復(fù)后的性能不受影響，大大節(jié)約時(shí)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(gè)焊接過(guò)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(lái)源可能有以下幾種：

1) SLM功率不夠或移動(dòng)速度太快，金屬粉末未完全熔敷就凝固；
2) 熔融金屬凝固補(bǔ)縮不及時(shí)而形成；
3) 成型室內(nèi)氧含量偏高，粉末熔化過(guò)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(guò)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(shí)抗裂強(qiáng)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(huì)分解為較小的裂紋而終止擴(kuò)展。

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

對(duì)于孔洞缺陷的產(chǎn)生，一般可通過(guò)調(diào)節(jié)掃描速度、功率和間距等工藝參數(shù)進(jìn)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(guò)熱處理使殘余應(yīng)力釋放；
3) 施加靜載或動(dòng)載。粉末粒度(D50中位粒徑)、球形度、流動(dòng)性、夾雜、氣體含量等也對(duì)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(huì)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(huì)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(wú)疑是制造業(yè)對(duì)增材技術(shù)發(fā)展的終極目標(biāo)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(gè)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(dá)到鍛件性能指標(biāo)，更能制造出滿足個(gè)性化需求的生物醫(yī)用植入體。通過(guò)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(guò)系統(tǒng)集成現(xiàn)有先進(jìn)精密機(jī)械、電器控制與軟件控制，實(shí)現(xiàn)選區(qū)激光熔化設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，以此拓展并推動(dòng)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(duì)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(jìn)一步得到延伸。