研究表明：用“廉价”钛合金粗粉，也能3D打印出“好零件”

对于金属3D打印技术来说，导致使用成本高昂的重要原因来自原材料。尤其对于激光粉末床熔融工艺来说，粉末的粒径和球形度都有特定要求，这导致了用于3D打印的材料成本要高于MIM技术。

随着越来越多的传统加工企业开始使用3D打印技术，未来的材料使用范围很可能会打破高特征要求。

如能使用非标准粒径的Ti-6Al-4V粉末也能制造出具有较高性能的零件，将很有吸引力。

笔者注意到，加拿大滑铁卢大学在今年7月发布的一项研究得出了初步结论，使用这种“较差”的粉末和优化的工艺，完全可以得到与使用标准粒粉末的打印件相近甚至一致的密度和硬度，但材料的成本却明显更低。

➡️ 三种粉末，各自优化工艺，横向对比性能

研究对比了三种类型的钛合金粉末，分别为15-53μm的标准粉，15-106μm的宽分布粉，以及45-106μm的粗粉。

不同粒度分布的粉末如果使用同一组参数打印，就完全不具备对比的价值。研究人员对上述三种粉末分别以密度、硬度和粗糙度作为对比指标进行工艺优化，并分别得到了针对不同指标的最优参数组合。

影响制造效果的参数达到23个，研究筛选出了影响最显著的几个，涉及填充功率、扫描间距、扫描速度和层厚。其中，密度主要受填充参数的影响，硬度受填充及表面参数的共同影响，粗糙度主要表面参数的影响。

实验室用的三种粉末：（a）粉末 A [15–53 µm]，（b）粉末 B [15–106 µm]，（c）粉末 C [45–106 µm]

➡️ 密度、硬度、粗糙度对比

最终的结果是，45~106μm的粗粉最优致密度为99%，取得该致密度时的样品平均实测硬度为40HRC，表面粗糙度为19.4μm。

15-53μm的标准粉末的最优致密度为99.5%，硬度为37.9HRC，表面粗糙度为12.4μm；15-106μm的宽分布粉最优致密度为98.7%，硬度为40.6HRC，表面粗糙度为14μm

对孔隙的研究发现，三种粉末打印的零件孔隙率极低且相近（0.05%–0.07%）。然而，使用粗粉制成的零件孔隙率略高。但成型状态下观察到的孔隙呈球形，表明优化后的参数通过使材料进入稳定的熔化状态，成功防止了未熔合缺陷的产生。

在优化密度参数和限制填充功率下制备的样品的显微图像

研究人员给出的结论是，三种粉末无论粒径分布如何，均可在打印态下获得近乎完全致密的结构。而且，进一步的研究发现，剩余的大部分孔隙在热等静压后均得到了密封，零件致密度均超过了99.9%。

对微观组织的观察显示，三种粉末打印的零件微观组织均为α'马氏体，热等静压后均转变为α+β稳定相，晶粒大小无本质区别。

➡️ 应用启示

上述数据意味着粗粉打印出来的零件，在密度、孔隙率、硬度和微观组织方面与细粉相当。

文章并没有进一步测试拉伸性能和疲劳行为，并指出这是下一步的安排。但凭借已测试的数据已经能支撑部分引用，如只承受静压力的工装夹具、歧管、外壳等。

不过，采用粗粉的一个明显不足是粗糙度过高，这同样会限制一些应用，如薄壁、细杆、窄缝、小孔等。

狭缝测试

➡️ 对电子3C应用场景的分析

笔者认为，这项研究对钛合金的3D打印应用来说具有重要的启发意义，只要工艺优化的到位，再配合合适的后处理的工艺，粗粉在一些场景中将能够降低材料成本。

以表壳为例，其在3D打印完成之后仍要进行大量的CNC加工，只要余量留的够，那么粗粉在电子3C领域的应用劣势就不复存在，而成本优势会被彻底放大。

目前，3D打印表壳均要经历毛坯打印、热等静压、CNC精修、喷射和抛光，所以粗粉打印的粗糙外层切除掉是不是就可以了？

此外，笔者还注意到的粗粉打印的另一个优势——打印速度。这项研究中粗粉的优化工艺所采用的打印层厚为0.06mm。

这虽是粉末本身粒径偏大不得已而为之，但在该层厚下取得高致密度和高硬度，打印速度还快，这对于3C应用来说有很大的想象空间。

3D打印的更广泛应用还是需要大胆尝试，也许未来很多应用就不必固守标准粉末，使用成本的降低也会带动更多应用。

注：本文由3D打印技术参考创作，未经授权，谢绝转载。#增材制造 #3D打印