引言
近年來，3D打印技術(shù)在鈦合金精密鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸受到關(guān)注，與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造、零件修復(fù)以及降低成本方面具有顯著的優(yōu)勢。然而，3D打印鈦合金精密鑄造工藝仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如提高結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定性和可靠性、降低成本、減少環(huán)境影響等。由此可見，對3D打印技術(shù)的鈦及鈦合金精密鑄造工藝應(yīng)用研究進(jìn)行探討是非常有必要的。
1、3D打印技術(shù)的概述
與傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)（如銑削、車削等）相比，3D打印技術(shù)具有設(shè)計(jì)自由度高、材料利用率高、能夠直接打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。自20世紀(jì)80年代誕生以來，3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展出多種不同的技術(shù)路線，包括立體光固化、選擇性激光熔化、電子束熔化、熔融沉積建模等。3D打印常用的材料包括ABS、PC等。ABS材料非常容易打印，市面上的擠出機(jī)都能非常順滑地?cái)D出，但是其具有遇冷收縮的特性。因此，3D打印的路基板必須加熱，不然其底部容易卷起，出現(xiàn)懸空等問題。PC材料的硬度及強(qiáng)度都比ABS材料要高約60％，但韌性相對來說要低一些，它是真正的熱塑性材料，能滿足工程塑料的所有性能，包括高強(qiáng)度、耐高溫、耐沖擊、抗彎曲性能，可作為最終零件直接裝配使用。3D打印技術(shù)的基本原理是“分層制造”，即通過逐層疊加材料的方式構(gòu)建三維物體。在這個(gè)過程中，噴頭會在計(jì)算機(jī)控制下，將打印材料按照預(yù)定的軌跡逐層沉積在基板上，最終形成一個(gè)具有三維結(jié)構(gòu)的物體。根據(jù)所用材料的不同，分為塑料3D打印、金屬3D打印以及陶瓷3D打印等。在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，在航空航天領(lǐng)域已被應(yīng)用于制造高性能、輕量化的飛行器部件?，F(xiàn)階段，美國宇航局（NASA）已經(jīng)通過3D打印技術(shù)制造了用于阿耳忒彌斯（Ａｒｔｅｍｉｓ）登月任務(wù)的液態(tài)氫燃料罐，這些燃料罐采用高強(qiáng)度的Inconel718鎳基合金制造，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性?？湛停?50ＸＷＢ客機(jī)的鈦合金支架也采用了3D打印技術(shù)制造，與傳統(tǒng)制造方法相比，3D打印支架重量減輕了30％，顯著提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D打印技術(shù)已應(yīng)用于制造定制化醫(yī)療植入物，如髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及牙齒等，如瑞典初創(chuàng)公司Ｃｅｌｌｉｎｋ開發(fā)了一種用于生物3D打印的生物墨水，可用于制造人體組織模型，有助于藥物篩選和個(gè)性化醫(yī)療。在汽車制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的應(yīng)用也較為廣泛。寶馬公司利用3D打印技術(shù)制造出了鋁合金輪轂，與傳統(tǒng)鑄造工藝相比，3D打印輪轂重量減輕了30％，提高了車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和操控性能。美國通用汽車公司也利用3D打印技術(shù)制造出了鋁制進(jìn)氣歧管，與steel進(jìn)氣歧管相比，3D打印進(jìn)氣歧管重量減輕了40％，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)速度。除以上領(lǐng)域的應(yīng)用，3D打印技術(shù)在消費(fèi)品、建筑、教育等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。
2、鈦及鈦合金材料特性
2.1鈦及鈦合金的物理性能
鈦及鈦合金以其獨(dú)特的物理性能在現(xiàn)代工業(yè)中占有重要地位。鈦是一種輕質(zhì)金屬，其密度約為4.51g/cm3，遠(yuǎn)低于鋼和鋁，這使得鈦合金在航空航天、生物醫(yī)學(xué)和汽車工業(yè)等領(lǐng)域具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。鈦的熔點(diǎn)約為1668℃，具有良好的耐高溫性能，能夠在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定的機(jī)械性能。鈦的彈性模量相對較低，約為116GPa，這意味著鈦合金在受到外力作用時(shí)具有較好的彈性和塑性，不易發(fā)生脆性斷裂。此外，鈦合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較高，可以達(dá)到1000MPa以上，使得鈦合金在承受重載和高應(yīng)力環(huán)境下表現(xiàn)出色。鈦合金還具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，尤其是對于海水和氯化物等腐蝕介質(zhì)，這是因?yàn)殁伜辖鸨砻鏁纬梢粚又旅艿难趸伳?，這層膜能夠有效地隔絕腐蝕介質(zhì)與金屬基體的接觸，從而保護(hù)金屬不受腐蝕。在熱導(dǎo)率方面，鈦的熱導(dǎo)率相對較低，約為15.2W/（m.K），意味著鈦合金在傳導(dǎo)熱能方面不如鋼和鋁，但也使得鈦合金在需要良好熱絕緣的應(yīng)用中具有優(yōu)勢。鈦合金的磁性非常低，幾乎接近非磁性材料，使得鈦合金在磁敏感的應(yīng)用中非常有用，如醫(yī)療植入物和電子設(shè)備。此外，鈦合金還具有較好的疲勞強(qiáng)度和抗蠕變性能，能夠在長期承受循環(huán)載荷的情況下保持穩(wěn)定的性能。鈦合金的這些物理性能使其在要求高強(qiáng)度、輕質(zhì)、耐腐蝕和耐高溫的應(yīng)用中成為理想的材料選擇。然而，鈦合金也存在一些局限性，如成本較高、加工難度大等，鈦合金的加工通常需要使用特殊的工具和工藝，如高速切削、電火花加工和激光加工等。此外，鈦合金的焊接和連接技術(shù)也相對復(fù)雜，需要特殊的技術(shù)和設(shè)備。盡管如此，鈦合金的優(yōu)異性能使其在許多高端工業(yè)領(lǐng)域中不可或缺，隨著材料科學(xué)和加工技術(shù)的進(jìn)步，鈦合金的應(yīng)用范圍有望進(jìn)一步擴(kuò)大。
2.2 鈦及鈦合金的化學(xué)性能
純鈦具有良好的耐腐蝕性，尤其是在海水和氯氣等惡劣環(huán)境中，這是因?yàn)榧冣伇砻鏁纬梢粚又旅艿难趸?，保護(hù)鈦不受腐蝕。然而，當(dāng)鈦合金中含有其他金屬元素時(shí)化學(xué)性質(zhì)會發(fā)生變化，從而影響耐腐蝕性，如添加鉻、鉬等元素可以提高鈦合金的耐腐蝕性。此外，鈦及鈦合金在高溫下容易發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致性能下降。因此，為了提高鈦及鈦合金的抗氧化性，相關(guān)從業(yè)人員通常在其表面涂覆抗氧化涂層或采用合金化方法，如添加鉻、鋁等元素，這些元素可以在鈦合金表面形成穩(wěn)定的氧化層，防止進(jìn)一步氧化。鈦及鈦合金具有良好的抗腐蝕性，意味著它們可以與人體組織和平共處，不會引起不良反應(yīng)。現(xiàn)如今，鈦及鈦合金已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，如制造人工關(guān)節(jié)、種植體等。與此同時(shí)，鈦及鈦合金具有較高的穩(wěn)定性，不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此在許多工業(yè)和科學(xué)應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。
3、3D打印技術(shù)在鈦及鈦合金精密鑄造工藝中的具體應(yīng)用
3.1 3D打印技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用
應(yīng)用主要包括制作快速原型和定制模具。相較于傳統(tǒng)的模具制造方法，3D打印技術(shù)具有更高的設(shè)計(jì)自由度和更快的生產(chǎn)速度。在鈦及鈦合金精密鑄造工藝中，3D打印技術(shù)可以用于制作快速原型，以便在制造模具之前進(jìn)行試模和修改，此外還可以用于制造定制模具，以滿足特殊形狀和尺寸的鑄造需求。
3.2 3D打印技術(shù)在鑄造過程中的應(yīng)用
應(yīng)用主要包括直接打印金屬零件和砂型鑄造模具。直接打印金屬零件是指通過3D打印技術(shù)可以直接制造金屬零件，然后進(jìn)行熱處理和機(jī)械加工等后處理。這種方法適用于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高的金屬零件。在航空航天領(lǐng)域中，許多鈦合金零件和醫(yī)療植入物都可以通過3D打印技術(shù)制造。3D打印技術(shù)在砂型鑄造模具制造中的應(yīng)用尤為突出。傳統(tǒng)的砂型鑄造模具制造過程復(fù)雜、耗時(shí)，且成本較高，而3D打印技術(shù)可以直接根據(jù)ＣＡＤ模型打印出復(fù)雜的砂型模具，大幅縮短了模具的制造周期，降低了成本，還可以打印出傳統(tǒng)方法難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如薄壁、細(xì)小孔洞和內(nèi)部通道等，這些結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)模具制造中難以實(shí)現(xiàn)。
3.3 3D打印技術(shù)在鑄件質(zhì)量檢測中的應(yīng)用
應(yīng)用主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：（1）預(yù)測鑄件可能出現(xiàn)的缺陷，從而在實(shí)際鑄造前對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。（2）用于進(jìn)行無損檢測，如Ｘ射線檢測、超聲波檢測等，以評估鑄件的內(nèi)部質(zhì)量。（3）3D打印技術(shù)還可以用于制造鑄件的夾具和檢測工具，提高檢測效率和準(zhǔn)確性。在鑄件質(zhì)量檢測中，3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以顯著提高檢測的準(zhǔn)確性和效率。
4、鑄造工藝的優(yōu)化
4.1 優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)在鈦及鈦合金精密鑄造工藝中，優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)是提高鑄造質(zhì)量的關(guān)鍵。在實(shí)際工作過程中，利用拓?fù)鋬?yōu)化軟件對模型進(jìn)行優(yōu)化，能夠有效減少材料使用量并提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這可以通過去除不必要的材料來實(shí)現(xiàn)，從而降低鑄件的重量并提高其力學(xué)性能。在保證鑄件強(qiáng)度的前提下，優(yōu)化模型壁厚以減少材料消耗，因此，工作人員可以調(diào)整模型厚度的分布，以確保鑄件在承受載荷時(shí)具有足夠的強(qiáng)度。此外，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以提高鑄件冷卻效率，從而減少鑄造缺陷和變形，為實(shí)現(xiàn)這一效果，工作人員應(yīng)設(shè)計(jì)合理的冷卻通道，并在此基礎(chǔ)上。優(yōu)化冷卻劑的流量和溫度。
4.2 優(yōu)化打印材料的選擇
打印材料的選擇對鈦及鈦合金精密鑄造工藝的質(zhì)量和性能具有重要影響。因此，工作人員應(yīng)根據(jù)鑄造零件的性能要求，選擇具有高力學(xué)性能以及耐高溫性的打印材料，如Inconel718、Ti-6Al-4V等合金材料。此外，工作人員也可以通過添加合金元素（如鎳、鉬、鈮等）來改善材料的性能。為降低制造成本，提高企業(yè)的核心競爭力，工作人員應(yīng)在滿足性能要求的前提下，選擇成本較低的打印材料，才能為企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
4.3 優(yōu)化打印參數(shù)的設(shè)置
在實(shí)際工作過程中，工作人員應(yīng)根據(jù)模型的復(fù)雜程度來調(diào)整打印速度，因?yàn)樘斓拇蛴∷俣瓤赡軐?dǎo)致模型內(nèi)部的缺陷，而太慢的打印速度則會影響生產(chǎn)效率。據(jù)相關(guān)研究表明，對于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的Ti-6Al-4V合金模型，打印速度應(yīng)控制在20～40ｍｍ／ｓ，這樣才能獲得良好的成形質(zhì)量和效率。為確保良好的打印質(zhì)量，工作人員應(yīng)根據(jù)打印材料的特性和厚度對打印溫度進(jìn)行調(diào)整，過高的打印溫度可能導(dǎo)致材料變形或熔化，而過低的打印溫度則可能影響打印效果和效率。此外，工作人員應(yīng)合理設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)以支撐懸空部分，這樣能夠確保模型的穩(wěn)定性，優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)可以減少材料浪費(fèi)，提高制造效率，進(jìn)而促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)的長遠(yuǎn)發(fā)展。
5、3D打印技術(shù)在鈦及鈦合金精密鑄造工藝中的前景與挑戰(zhàn)
5.1 3D打印技術(shù)在鈦及鈦合金精密鑄造工藝中的應(yīng)用前景
3D打印技術(shù)在鈦及鈦合金精密鑄造工藝中的應(yīng)用前景非常廣闊。在未來，通過3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以更輕松地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高產(chǎn)品性能。如在航空航天領(lǐng)域，3D打印技術(shù)使得制造輕量化的飛行器部件成為可能，從而提高飛行效率和載荷能力。此外，在汽車制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以根據(jù)實(shí)際需求定制高強(qiáng)度的汽車部件，如底盤、車身和動(dòng)力系統(tǒng)等。3D打印技術(shù)也為開發(fā)新型鈦及鈦合金材料提供了新的途徑，工作人員可以通過調(diào)整打印參數(shù)和工藝，制備出具有特定力學(xué)性能、耐腐蝕性的鈦合金材料，擴(kuò)展其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，還可以根據(jù)實(shí)際需求精確控制材料的使用量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。
5.2 3D打印技術(shù)在鈦及鈦合金精密鑄造工藝中面臨的挑戰(zhàn)
與傳統(tǒng)鑄造方法相比，3D打印技術(shù)的前期投資和材料成本仍然較高，這可能限制了其在一些成本敏感領(lǐng)域的推廣。此外，現(xiàn)階段盡管已有一些適用于3D打印的鈦合金粉末和絲材，但與鑄造合金相比，其種類仍然有限，限制了其在特定領(lǐng)域的應(yīng)用。并且，這些材料的性能可能無法完全滿足特定應(yīng)用的需求，如高溫性能、耐腐蝕性等。3D打印技術(shù)的設(shè)計(jì)自由度較高，但制造精度尚不能完全達(dá)到傳統(tǒng)鑄造方法的水平，長此以往，會影響鑄造零件的最終性能。同時(shí)，3D打印零件的后處理工藝與傳統(tǒng)鑄造工藝有所不同，需要開發(fā)新的后處理方法以確保成品的質(zhì)量和性能。
6、結(jié)語
綜上所述，3D打印技術(shù)在鈦及鈦合金精密鑄造工藝中的應(yīng)用，不僅為傳統(tǒng)鑄造行業(yè)帶來了革命性的變革，也為鈦合金產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了新的技術(shù)路徑。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場的日益擴(kuò)大，3D打印技術(shù)有望在鈦及鈦合金精密鑄造領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并為全球制造業(yè)的進(jìn)步貢獻(xiàn)力量。
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