Nature钛里加铜,3D打印更强钛合金

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在所有的金属3D打印材料中,钛被广泛用于航空航天、汽车、医疗等领域,尤其是外科手术用的植入体。除了材料本身密度小、强度高、耐腐蚀的优点外,更重要的是,与传统的加工方法(如数控机床和铸造)相比,钛合金3D打印可以实现复杂的几何形状,而且费用低廉。年,世界首例3D打印钛枢椎椎体植入手医院顺利完成,患者年仅12岁,因为尤文氏肉瘤导致枢椎出现骨折。3D打印钛椎体模型图。图片来源:3dprintingtitanium[1]目前,钛金属3D打印设备多为粉末床3D打印机,采用选择性激光烧结(SelectiveLaserMelting)技术[2]。打印过程中,先在粉床上铺满很薄的一层精细钛金属粉末,然后再使用二氧化碳激光器根据设计图进行烧结,反复进行,层层叠加,直到完成整个打印件。选择性激光烧结示意图。图片来源:Appl.Phys.Rev.[2]然而,再先进的技术也不能十全十美。卡内基梅隆大学的一项研究表明,当前的3D打印钛金属部件存在着“致命缺陷”。他们对最常见的打印钛金属Ti-6AI-4V(含6%的铝和4%的钒)进行了X射线探伤,结果表明:激光熔化后,金属在凝固过程中,由于冷却速率高导致气体会被困在金属层中,从而在部件内部产生孔隙和泡沫。这些微小的孔隙小到几微米,大到几百微米,而且随机分布,导致3D打印的钛金属材料内部受力后,很有可能出现裂纹[3]。钛金属CT结果,存在缺乏融合(红色)和多孔(蓝色)问题。图片来源:JOM[3]另外,激光熔化过程中,通常会产生较大的温度梯度、较高的凝固速率和反复的加热和冷却循环,这将导致3D打印金属的微观结构中总是会出现沿晶格特定方向生长的粗柱状晶粒。这将导致制备的产品机械性能各向异性,容易断裂。因此研究3D打印等轴、晶粒更均匀更细小的方法具有重要的技术价值[4]。钛粉、铜粉及3D打印钛铜块。图片来源:RMIT


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