鈦合金中Ti-6Al-4V（TC4）合金材料應用最為成熟，TC4鈦合金是一種典型的α+β兩相合金，其成分含有6%的穩(wěn)定α相元素Al及4%穩(wěn)定β相元素V，兼顧了α相和β相的優(yōu)點。因其具有密度低、耐熱和耐腐蝕性優(yōu)異、比強度高等特點，在航空航天、生物醫(yī)療等領域都得到廣泛應用。選區(qū)激光熔化技術(Selective Laser Melting，SLM)作為一種增材制造技術，可實現(xiàn)復雜結(jié)構金屬構件的材料-結(jié)構一體化凈成形，為航空航天、生物醫(yī)療高性能構件的設計與制造提供了新的工藝。

　　盤星新金屬 TC4粉末特性

　　盤星TC4粉末采用電極感應熔煉氣霧化EIGA技術進行制備，TC4粉末成分要求及測試值如表1所示。

△表1 TC4粉末化學成分

　　制粉過程中，通過控制關鍵參數(shù)，實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)。收粉后，通過篩分、氣流分級、合批等工序制備15-53μmTC4粉末。15-53μm粉末粒度分布見下表2所示，粉末粒度分布呈正態(tài)分布，符合技術要求。

△表2 TC4（15-53μm）粒度分布

　　TC4粉末具有優(yōu)異的綜合性能，流動性好，松裝密度高、振實密度高，見表3。

△表3 TC4（15-53μm）粉末綜合性能

　　經(jīng)過氣流分級處理，0-53μm粉末去除掉0-20μm細粉，粉末因物理吸附而產(chǎn)生的粘連情況和霧化過程中形成的衛(wèi)星粉情況得到改善，粉末具有較好球形度，且球形粉表面變形量小，見圖1。

△圖1 TC4（15-53μm）粉末形貌（×100、×200）

　　盤星新金屬TC4粉末選區(qū)激光打印

　　采用GE Concept Laser M2型打印機完成TC4標準試樣的打印，保護氣為高純度氬氣，成形前將基板預熱至200℃，參數(shù)設置見表4。采用NB 380M型真空熱處理爐完成TC4標準試樣的熱處理，熱處理制度為800℃，保溫時間4h，隨爐冷至室溫，如下圖2所示。

△表4 SLM打印主要工藝參數(shù)

△圖2 M2打印機與真空熱處理爐

　　TC4粉末以直接成形的方式打印成標準試樣，其尺寸如下圖3所示。

△圖3 標準試樣尺寸圖

　　在標準試樣的打印過程，粉末共計循環(huán)6次進行循環(huán)打印試驗。如下表5所示，6次循環(huán)打印試樣的抗拉強度極差值為22MPa、屈服強度的極差值為37MPa，每次強度之間的差異小于5%，無明顯差異。延伸率之間極差值1.2%，均值為14.4%，可判斷6次循環(huán)打印試樣的延伸率無明顯差異，見圖4。

△圖4 TC6循環(huán)6次力學性能穩(wěn)定性

　　因而，在6次循環(huán)打印過程中，打印試樣的力學性能無明顯差異，即TC4粉末至少可以循環(huán)打印6次而試樣性能不發(fā)生明顯變化。打印試樣抗拉強度的均值為1027MPa，屈服強度的均值為938MPa，延伸率的均值為14.4%。

△表5 循環(huán)打印試樣性能參數(shù)表

　　TC4粉末選區(qū)激光3D打印的應用

　　航空航天

　　有權威機構指出，航空航天是增材制造技術研發(fā)與工業(yè)應用最有望獲得突破的領域，其應用范圍已從零部件級（飛機、衛(wèi)星、高超飛行器、載人飛船的零部件打?。┌l(fā)展至整機級（發(fā)動機、無人機、微/納衛(wèi)星整機打?。?

　　隨著航空技術發(fā)展，飛機的設計越來越看重復雜大型整體化結(jié)構設計，這是飛機結(jié)構輕量化設計的重要發(fā)展方向。飛機傳統(tǒng)設計受限于傳統(tǒng)制造技術，一些創(chuàng)新存在“設計得出，造不出”的問題，而增材制造技術的發(fā)展為復雜創(chuàng)新結(jié)構制造的實現(xiàn)提供契機。選區(qū)激光熔化技術作為典型的增材制造技術，在輕量化高性能結(jié)構及結(jié)構一體化領域有明顯優(yōu)勢，為復雜創(chuàng)新型結(jié)構“設計得出，造得出”提供途徑。TC4材料作為典型的中溫鈦合金，可應用于制造發(fā)動機機匣、進氣口葉片、梁和承力結(jié)構件。

　　生物醫(yī)療

　　從20世紀80年代起，鈦合金就已經(jīng)逐漸被用于口腔修復、牙體種植、義齒支架等領域。時至今日，鈦合金作為生物醫(yī)用植入材料研究熱點，在醫(yī)療方面的應用已涉及到人工關節(jié)、血管支架、骨科器械等。TC4作為一種常用生物醫(yī)用鈦合金，已經(jīng)在我國臨床應用。傳統(tǒng)的鈦合金加工方法是鑄造法，操作復雜，精度差、成本高且污染環(huán)境。目前，選區(qū)激光打印鈦及鈦合金被廣泛應用于制作冠橋修復體、牙種種植、義齒支架、種植體基臺等牙科領域，以及人工關節(jié)假體（如髖、膝踝、肩、肘等）、骨結(jié)合產(chǎn)品、骨創(chuàng)傷產(chǎn)品和脊柱內(nèi)固定系統(tǒng)等骨科領域。

　　在牙科領域，SLM技術能夠進行定制化加工，可生產(chǎn)精密個性化修復體，臨床應用效果最佳，該技術在制作牙科支架、冠橋方面已經(jīng)較為成熟。

　　在骨科領域，多孔鈦合金抗腐蝕性能、生物相容性以及與人骨相匹配的力學性能優(yōu)異，是人體理想的骨科替代物植入體。多孔鈦材料設計獨特的多孔結(jié)構和粗糙的內(nèi)外表面，有利于成骨細胞的粘附、增值和分化，促使新骨組織生長，有利于植入體與骨之間形成一個整體。

△左：選區(qū)激光打印TC4在牙科領域的應用 。右：選區(qū)激光打印TC4在骨科領域的應用

　　選區(qū)激光打印技術模仿自然結(jié)構特定的復雜設計能力是傳統(tǒng)制造方法無法比擬的，同時能夠?qū)崿F(xiàn)對患者進行定制化服務，可滿足不同人群對精準醫(yī)療的需求。