钛(tai)合(he)金凭借(jie)高(gao)强(qiang)度、低密(mi)度(du)、优良(liang)耐(nai)腐(fu)蚀性(xing)与(yu)生(sheng)物(wu)相容(rong)性等特性，在(zai)多(duo)领(ling)域备(bei)受(shou)青(qing)睐(lai)。早(zao)期受限于加(jia)工(gong)技术(shu)，应(ying)用拓(tuo)展(zhan)缓慢(man)。3D 打印(yin)技术(shu)兴起后，为钛(tai)合金(jin)加(jia)工(gong)开辟(pi)新(xin)路(lu)径(jing)，其能(neng)将(jiang)钛合(he)金材(cai)料按数字化(hua)模(mo)型(xing)逐(zhu)层(ceng)堆积(ji)，制(zhi)造(zao)复(fu)杂(za)形(xing)状(zhuang)部(bu)件(jian)，突(tu)破传(chuan)统(tong)加(jia)工(gong)局限。近(jin)年(nian)来，科(ke)研(yan)人员(yuan)持续攻克难题，如中(zhong)国科学(xue)院(yuan)金属研(yan)究所(suo)张(zhang)哲(zhe)峰(feng)研究(jiu)员(yuan)团队(dui)针对(dui)3D打印钛合(he)金(jin)疲劳性能差(cha)的(de)问题，发现(xian)打印(yin)态组(zu)织(zhi)自身抗(kang)疲劳(lao)优点(dian)被气孔(kong)等(deng)缺(que)陷(xian)掩(yan)盖(gai)，进(jin)而(er)发明缺(que)陷(xian)与(yu)组织分步调控新工艺，大(da)幅(fu)提(ti)升钛(tai)合金(jin)疲(pi)劳强度(du)，推动(dong)其在航(hang)空(kong)航(hang)天等(deng)领域的(de)应(ying)用进程 。
在(zai)3D打(da)印(yin)耗材(cai)中，Ti6Al - 4V（TC4）是(shi)极(ji)为常(chang)见的钛合(he)金材质。它(ta)以(yi)钛为(wei)基体，融(rong)入(ru) 6% 铝(lv)和 4% 钒，铝可增(zeng)强耐热(re)性与强度(du)，钒能(neng)改(gai)善(shan)韧性与加(jia)工(gong)性(xing)。该(gai)合金密(mi)度(du)约为钢(gang)的(de) 60%，比(bi)强(qiang)度(du)高(gao)，可(ke)制造(zao)出高(gao)强(qiang)度(du)、轻(qing)量(liang)化零(ling)部件，像飞机发动(dong)机(ji)部件(jian)、起(qi)落(luo)架等多有(you)应(ying)用(yong)。除(chu) TC4 外，Ti6Al - 4V ELI（低间(jian)隙元素(su)型(xing)）也用(yong)于(yu)对(dui)杂(za)质(zhi)敏感(gan)场(chang)景(jing)，如医(yi)疗植入(ru)物(wu)；Ti - 5Al - 2.5Sn 等材(cai)质则因(yin)自身特(te)性，适(shi)配(pei)不(bu)同(tong)特殊(shu)需(xu)求。北(bei)京(jing)科技(ji)大学(xue)团(tuan)队还创新研(yan)发(fa)出未使用传统(tong)金属合(he)金(jin)化(hua)元素(su)，仅(jin)靠(kao)氧(yang)元(yuan)素(su)调控(kong)组织的(de) HCP + FCC 双(shuang)相钛(tai)合金，打(da)破强度(du)与(yu)塑性(xing)制衡关(guan)系 。
3D打(da)印钛合金常采(cai)用(yong)粉末床熔融(rong)、直接能(neng)量(liang)沉(chen)积、粘结剂(ji)喷(pen)射加工(gong)等(deng)工艺(yi)。以(yi)粉(fen)末床熔融为例，先通过(guo)计(ji)算机辅助设(she)计（CAD）构(gou)建(jian)产品(pin)三维模(mo)型，接着将(jiang)模型(xing)切片(pian)成(cheng)薄(bao)层，生成(cheng)打(da)印路径数据(ju)。打印(yin)时(shi)，设(she)备均匀(yun)铺(pu)展(zhan)钛合(he)金粉末(mo)，高能量(liang)激光(guang)或(huo)电子(zi)束(shu)按(an)路(lu)径逐(zhu)层(ceng)熔(rong)化粉(fen)末，使其凝(ning)固成型。打(da)印(yin)完成(cheng)后(hou)，需(xu)进行(xing)后处(chu)理，如去除(chu)支撑(cheng)结构、热处(chu)理(li)优化组(zu)织性能(neng)、表(biao)面处理提(ti)升(sheng)表(biao)面质量等。在航空航天领(ling)域(yu)制(zhi)造(zao)复(fu)杂(za)空心结(jie)构(gou)航(hang)空(kong)零部件(jian)时(shi)，该(gai)工(gong)艺(yi)能一(yi)次(ci)性成(cheng)型，减少(shao)加工工序与成(cheng)本(ben) 。
行(xing)业(ye)内(nei)已建立一系(xi)列(lie)规(gui)范(fan)3D打印(yin)钛合金材料(liao)与制品的标准(zhun)。国(guo)内有(you)相关(guan)国(guo)家标准(zhun)对钛合(he)金粉末(mo)粒(li)度(du)分(fen)布、氧含量、松(song)装(zhuang)密(mi)度(du)等(deng)关(guan)键指标明(ming)确(que)规(gui)定(ding)，确保粉末质(zhi)量稳定；对(dui)打(da)印(yin)制品(pin)的(de)尺寸(cun)精度(du)、内(nei)部(bu)缺陷(xian)、力(li)学性能等(deng)也(ye)有对(dui)应(ying)检(jian)测与评(ping)判标准。国(guo)际(ji)上(shang)，如(ru) ASTM 等(deng)标准组织制(zhi)定(ding)的标准(zhun)在(zai)全(quan)球广泛(fan)应用(yong)，涵盖(gai)从材(cai)料(liao)特(te)性(xing)测试(shi)方(fang)法(fa)到(dao)不(bu)同行业(ye)应用(yong)规范等(deng)多方(fang)面(mian)。在(zai)医疗植入(ru)物制造中(zhong)，严(yan)格遵(zun)循(xun)标准(zhun)才(cai)能(neng)保障(zhang)产(chan)品安全(quan)性与有(you)效性，满(man)足人体使用要求 。
未来，3D 打(da)印(yin)钛(tai)合金(jin)技术将聚(ju)焦(jiao)降(jiang)本增(zeng)效(xiao)与性(xing)能(neng)提升。一(yi)方(fang)面(mian)，研(yan)发新(xin)型(xing)打(da)印(yin)设备与工艺，提(ti)高(gao)打印速(su)度与精度，降(jiang)低设(she)备与(yu)材(cai)料(liao)成(cheng)本(ben)；另一(yi)方面(mian)，深入(ru)探(tan)索材(cai)料(liao)微(wei)观结(jie)构与(yu)性能(neng)关(guan)系，开发高(gao)性能(neng)、多功(gong)能(neng)钛(tai)合(he)金(jin)材(cai)料，如兼(jian)具(ju)超高温稳定性(xing)与高(gao)韧(ren)性的(de)合金。随着技术进步，其(qi)应用领域将(jiang)不断拓宽(kuan)，在消费(fei)电子(zi)领域，苹果(guo)、三(san)星(xing)等(deng)企业(ye)已(yi)尝(chang)试采(cai)用钛(tai)合(he)金3D打印(yin)技(ji)术(shu)制(zhi)造手(shou)机中(zhong)框等(deng)部件(jian)，未来有(you)望在更(geng)多产品类(lei)型中(zhong)普及；在(zai)医疗(liao)领域，个(ge)性化定制(zhi)植入物(wu)将更加(jia)精(jing)准高(gao)效(xiao)，为患者(zhe)带(dai)来(lai)更好(hao)治疗体验(yan) 。
1. 主(zhu)流钛合金(jin)牌(pai)号与性(xing)能(neng)对比(bi)
| 合(he)金牌号 | 材料(liao)类型(xing) | 适用工艺 | 关键性能参数 | 成(cheng)本 ($/kg) |
| Ti-6Al-4V (Gr.5) | α+β型(xing) | SLM/EBM | 抗拉强(qiang)度(du): 1100-1300 MPa | 120-150 |
| 延伸(shen)率(lv): 8-12% |
| Ti-6Al-4V ELI | 低(di)间(jian)隙(xi)元素(su) | EBM/DED | 断(duan)裂(lie)韧性: 70-90 MPa√m | 160-200 |
| 疲劳(lao)强度(du): 550 MPa |
| Ti-5553 | 近(jin)β型(xing) | LPBF | 强(qiang)度(du): 1300-1450 MPa | 220-280 |
| 深淬透性(xing): 150mm |
| Ti-6242 | 高温型 | DED | 耐温(wen): 550℃/100h | 300-350 |
| 蠕变(bian)强度: 450 MPa |
| Ti-Cu | 新(xin)型(xing)合(he)金(jin) | SLM | 抗菌(jun)率(lv)＞99.9% | 180-240 |
| 导电(dian)率: 15% IACS |
2. 粉(fen)末制备关键技(ji)术(shu)指标(biao)
| 参(can)数(shu) | 激(ji)光(guang)粉末床熔(rong)融（SLM） | 电子(zi)束熔(rong)融(rong)（EBM） | 等(deng)离子(zi)弧增材(cai)（WAAM） |
| 粒(li)度(du)分(fen)布(bu) (μm) | 15-45 | 45-106 | 50-150 |
| 球(qiu)形(xing)度 (%) | ＞98 | ＞95 | ＞85 |
| 氧(yang)含量(liang) (ppm) | ＜800 | ＜1200 | ＜1500 |
| 流(liu)动性(xing) (s/50g) | ＜25 | ＜30 | ＜35 |
| 空(kong)心(xin)粉率(lv) (%) | ＜0.3 | ＜0.5 | ＜1.0 |
创新(xin)工艺：
等(deng)离(li)子(zi)旋(xuan)转电(dian)极(ji)法（PREP）：制(zhi)备15-53μm细(xi)粉，空(kong)心粉(fen)率＜0.1%
超声雾化技术：实现(xian)5-20μm超细粉(fen)，适(shi)用于(yu)微(wei)尺(chi)度打(da)印(yin)
3. 工艺(yi)-组(zu)织-性能(neng)调(diao)控(kong)
| 工(gong)艺(yi)参数(shu) | 微(wei)观(guan)结(jie)构特征 | 力(li)学性能优(you)化(hua)方向 |
| 激光功率(lv)（200-400W） | 柱状(zhuang)晶(jing)/等轴晶(jing)比(bi)例 | 强度-韧性平衡调(diao)控 |
| 扫描(miao)速度（700-1400mm/s） | β晶粒尺(chi)寸(cun)（50-200μm） | 各向异(yi)性消(xiao)除 |
| 层厚(hou)（20-60μm） | 孔(kong)隙率(lv)（0.01-0.5%） | 疲劳寿命(ming)提升 |
| 热(re)等静(jing)压(ya)（HIP） | α相层(ceng)片(pian)厚度(du)（0.2-1μm） | 延伸率(lv)提升(sheng)至15% |
典(dian)型案(an)例(li)：
GE航(hang)空(kong)LEAP发动(dong)机燃(ran)油喷嘴(zui)：采用EBM Ti-6Al-4V，致密度＞99.7%，减重(zhong)25%，成本(ben)降低30%
史(shi)赛(sai)克骨科植(zhi)入(ru)物(wu)：SLM Ti-6Al-4V ELI，孔(kong)隙率(lv)65%的(de)多孔结构，弹(dan)性(xing)模量(liang)3GPa（接(jie)近(jin)松质(zhi)骨）
4. 行业(ye)标(biao)准(zhun)与认证(zheng)体系(xi)
| 标(biao)准(zhun)体系(xi) | 核(he)心要(yao)求(qiu) | 认证(zheng)难(nan)点(dian) |
| ASTM F3001 | 医(yi)用(yong)钛(tai)粉(fen)杂(za)质控(kong)制(zhi)（Al/V溶出(chu)量＜1μg/cm²） | 生物相容性动(dong)物(wu)实(shi)验 |
| AMS 4999 | 航(hang)空(kong)件缺陷尺(chi)寸(cun)＜50μm | CT检测分辨率要求(qiu)＜10μm |
| ISO/ASTM 52900 | 粉(fen)末可(ke)追(zhui)溯性(xing)（批(pi)次DNA编(bian)码） | 区(qu)块链(lian)存(cun)证(zheng)系统(tong)建(jian)设(she) |
| NADCAP AC7113 | 工艺(yi)稳(wen)定(ding)性（CPK＞1.33） | 2000小时连(lian)续生(sheng)产(chan)验证 |
5. 技术(shu)挑战与(yu)前沿(yan)突破
| 技(ji)术瓶颈 | 传统方案(an) | 2023年创(chuang)新技术 | 效益(yi)提升 |
| 粉(fen)末成(cheng)本高 | 气雾(wu)化(hua)法（GA） | 短流(liu)程氢(qing)化脱(tuo)氧(yang)（HDH） | 成(cheng)本(ben)降低(di)40% |
| 残余(yu)应(ying)力大 | 基(ji)板预热(re)（200℃） | 激光(guang)冲(chong)击强化（LSP） | 变(bian)形(xing)量减(jian)少70% |
| 表面粗(cu)糙(cao)度 | 喷(pen)砂(sha)处理（Ra 8-10μm） | 电化学(xue)抛光(guang)（ECP） | Ra达(da)0.8μm |
| 成分(fen)偏(pian)析(xi) | 机械混(hun)合(he) | 纳(na)米(mi)包覆技(ji)术（TiB₂增强） | 组(zu)织(zhi)均匀(yun)性(xing)提(ti)升50% |
6. 应(ying)用(yong)场(chang)景与市(shi)场数(shu)据
| 领(ling)域(yu) | 典型部(bu)件 | 材料用(yong)量（吨(dun)/年(nian)） | 增长(zhang)率 |
| 航(hang)空航(hang)天 | 发动(dong)机叶(ye)片/舱门铰(jiao)链(lian) | 520 | 28% |
| 医(yi)疗 | 多(duo)孔椎间融(rong)合器/颅(lu)骨修(xiu)复(fu)体(ti) | 380 | 35% |
| 能源(yuan) | 燃料电池(chi)双(shuang)极板/核聚(ju)变(bian)部件 | 150 | 45% |
| 汽车 | 轻量(liang)化底盘(pan)结构件(jian) | 90 | 18% |
标杆(gan)案例(li)：
波音(yin)787机(ji)舱支架：WAAM工(gong)艺(yi)制造(zao)Ti-6Al-4V，生(sheng)产(chan)周期缩短(duan)60%，材料(liao)利(li)用(yong)率达85%
西门子(zi)燃气(qi)轮机燃烧室：SLM Ti-6242，耐温(wen)能(neng)力(li)提升(sheng)至600℃，热效率(lv)提高(gao)3%
7. 国内外(wai)产(chan)业化对(dui)比(bi)
| 维(wei)度(du) | 中(zhong)国（2023） | 国际先(xian)进(jin)水平(ping) | 差距分(fen)析(xi) |
| 粉(fen)末(mo)产(chan)能 | 800吨/年（主要＜53μm） | 2500吨(dun)/年(nian)（美(mei)国(guo)AP&C） | 细(xi)粉率低(di)15% |
| 打(da)印(yin)效(xiao)率 | SLM 20cm³/h | EBM 150cm³/h（Arcam Q20+） | 能量利用(yong)率差(cha)3倍(bei) |
| 认(ren)证(zheng)体系 | 3项国军(jun)标(biao) | 22项FAA/EASA认(ren)证(zheng) | 适航经(jing)验(yan)不(bu)足 |
| 回(hui)收(shou)技(ji)术(shu) | 50%粉(fen)末再利(li)用 | 85%闭环回(hui)收(shou)（德(de)国EOS） | 氧增量(liang)控制差 |
8. 未来技(ji)术路(lu)线图(tu)
| 时间节点 | 技(ji)术(shu)方向 | 目(mu)标参数(shu) | 产业(ye)化(hua)前景(jing) |
| 2025 | 纳米(mi)钛(tai)合(he)金(jin)粉(fen) | 粒径(jing)＜10μm | 微(wei)纳器(qi)件(jian)打印 |
| 流动(dong)性＜15s/50g |
| 2028 | 梯(ti)度功能(neng)材料(liao) | 成(cheng)分(fen)连(lian)续(xu)渐(jian)变（Ti-6Al-4V→Ti-Cu） | 仿(fang)生结构(gou)制(zhi)造 |
| 2030 | 太(tai)空(kong)原位打印 | 月壤(rang)钛(tai)铁(tie)矿(kuang)直接(jie)制(zhi)粉(fen) | 地(di)外基(ji)地建设(she) |
| 2035 | 智(zhi)能响应(ying)材(cai)料(liao) | 形状(zhuang)记忆(yi)钛(tai)合(he)金(jin)（应(ying)变恢复率(lv)＞95%） | 自适应结构体 |
3D打印钛(tai)合金(jin)耗(hao)材(cai)正向超细(xi)粉(fen)体(ti)化(hua)、功(gong)能(neng)梯(ti)度(du)化、智能(neng)响应(ying)化演(yan)进，建议优先(xian)布局(ju)氢能(neng)/核(he)聚(ju)变领域专用(yong)合金(jin)开(kai)发，攻克粉(fen)末(mo)低(di)成本(ben)制备与(yu)缺陷(xian)智(zhi)能(neng)检测技(ji)术，同时(shi)构建(jian)数字孪生(sheng)工艺(yi)库(ku)实(shi)现know-how沉(chen)淀(dian)。短(duan)期内可(ke)重点(dian)突(tu)破医(yi)疗(liao)植(zhi)入(ru)物(wu)市场(chang)（CAGR＞30%），长(zhang)期需(xu)向(xiang)太空(kong)制造等战(zhan)略(lve)领域延(yan)伸(shen)。
相关链(lian)接(jie)
