南科大：一种将3D打印钛材料价格降低10倍的方法

原文作者：AM-Sci

本文来源公众号：3D打印技术参考

导读：当前，金属3D打印SLM用高品质纯钛粉末价格约3000元/Kg，而南方科技大学严明老师课题组采用价格仅200元/Kg的常规纯钛，实现了打印性能优于商业纯钛的效果。

钛及钛合金具有优异的比强度、突出的生物相容性、良好的耐蚀性以及较低的杨氏模量，在生物植入材料和先进工程材料方面有着突出的竞争力，目前已成为金属3D打印最常用的材料之一。近些年来，使用3D打印进行钛及钛合金制造，在模具、航空航天、生物医疗等领域受到人们的广泛关注。

 钛合金医疗应用

作为金属打印最为普及的SLM技术，对粉末球形度、粒度分布以及流动性等具有较高的要求。目前常用的钛粉制备方法有气雾化法与旋转电极法，制造工艺复杂，价格昂贵。高品质进口钛粉的价格超过3000元/Kg，国产粉的价格也在2600元/Kg以上。高昂的材料价格限制了钛和钛合金的3D打印应用。

3D打印钛粉规格要求很高

南方科技大学严明老师基于此开展了一项名为“表面改性开发低成本3D打印钛基材料”的研究。他们采用传统钛粉实现了比商业纯钛更优的打印性能，其价格仅是后者的1/10，这对于钛材料金属3D打印的广泛应用也许是一次机会。本期我们来详细了解这项材料改性技术以及它所配套的工艺方法。

一种近球形钛粉制造工艺

严明老师课题组采用的纯钛原始材料为通过氢化脱氢工艺制备的极度不规则、流动性极差的钛粉，这种材料无法实现均匀铺粉，不适合SLM打印。研究的目标是对这种造价低廉的粉末进行整形改性，提高球形度、改善流动性，使其适于激光粉末床成型。

         氢化脱氢钛粉          GE增材使用的商业纯钛

原材料的整形改性包括球磨和机械合金化，球磨可以改变粉末的形状，机械合金化对材料性能具有潜在的影响机制。

实验采用的氢化脱氢钛粉平均粒径为35μm，按照10:1的球料比进行球磨，并通以氩气防止钛粉发生氧化。在球磨过程中还需加入少量硬脂酸（至关重要），它对粉末颗粒的粉碎具有助磨效应，可以减小粉末颗粒对球磨体的粘附程度。硬脂酸的熔沸点较低，在钛粉打印过程中可以挥发去除。球磨过后，粉体呈近球形，均一度较好，流动性得到较大改善。

球磨后的钛粉形貌，平均粒径稍有增加

机械合金化也发生在球磨过程中，由于磨球碰撞，氢化脱氢钛粉表皮脱落会引入磨球元素，进而实现对氢化脱氢钛粉的成分改性。在优选的实施方式中，还可以在球磨处理过程中，掺入第二相粉体，以优化氢化脱氢钛粉的改性过程，使得到的近球形钛粉性能更加优良。

通过整形改性后的氢化脱氢钛粉在流动性和粒径方面是可接受的，已经具备了可打印性。

一种高性能钛材料打印工艺

金属SLM打印工艺的调整无非是调整一些激光参数，但严明老师课题组此次研究的重点除了参数优化之外，还对保护气体进行了调整，实现了成型钛材料更加优异的性能。 

试验用设备和气体

研究发现，采用氮气与氩气的混合气体作为保护气体，相比于传统工艺中充入氩气作为保护气体，额外的氮元素能够强化钛材料，使成型的材料的力学性能明显更加优异。

通过同一种商业纯钛的实验研究发现，当氮气比例为10％、氩气比例为90％时，对产品力学性能提升最优：屈服强度提升了50.38％，抗拉强度提升了32.57％，最大延伸率提升了25.12％，均显著优于纯氮气与纯氩气作为保护气体加工成型的产品。

针对整形改性的氢化脱氢钛粉的打印工艺便是采用了这种混合气体保护气氛。

打印性能

采用整形改性后的氢化脱氢钛粉，最终SLM打印件的抗拉强度为900Mpa，延伸率20％，硬度也高于APC球形钛粉的打印件硬度，致密度也是当前SLM所能达到的数据（由于论文尚未刊出，具体数值和机理分析不在此表述）。

笔者查找了EOS官方给出的商业纯钛打印性能数据：致密度>99%,拉伸强度660Mpa，屈服强度560Mpa，延伸率22%（非退火态），退火后硬度为195HV。

结论

从测试数据基本上可以认定，采用这种整形改性后的低成本钛粉打印出的零件性能要优于、至少不低于商业纯钛性能，这种性能的提升与混合保护气氛有重要关系。经过整形改性后的粉体售价在300-400元/Kg，相当于商业纯钛1/10的价格。

随着研究的深入和拓展，也许这种工艺会成为包括钛粉在内的金属粉末实现3D打印成本降低的一种有效尝试。严明老师的目标是在南科大建立一个有特点（人员构成、研究方向等方面）的3D打印实验室，从相关的研究项目我们可以知道，他们在国内同行中已经独树一帜。

注：本文所有数据均来自已公开资料，有兴趣的读者可以下载交流，论文尚需等待刊出。