3D打印加工參數(shù)對電子束熔融鈦合金孔隙率的影響

3D打印的鈦金屬物體有可能因?yàn)閮?nèi)部無數(shù)的細(xì)小孔隙出現(xiàn)裂縫，而這些孔隙主要是因?yàn)?D打印時(shí)鈦金屬粉末在融化后混入了氣體。由于鈦一直以來都被人們認(rèn)為是最合適用來金屬3D打印的材料之一，因此現(xiàn)在它的應(yīng)用范圍也是相當(dāng)之大，比方說用來制造醫(yī)療行業(yè)的植入物和各種航空航天的零件?？墒沁@種情況恐怖用不了多久就要改變了，因?yàn)槌鲎钥▋?nèi)基·梅隆大學(xué)（CMU）的一項(xiàng)研究顯示3D打印鈦金屬物體或?qū)⒊霈F(xiàn)被稱之為“相當(dāng)致命缺陷”的結(jié)論。

這種糟糕的結(jié)果是CMU借助美國能源部下屬阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（ANL）的高強(qiáng)度同步輻射X射線和微斷層攝影工具，通過分析由電子束熔融（EBM）和選擇性激光熔融（SLM）技術(shù)3D打印的鈦金屬件后發(fā)現(xiàn)的。其中使用的鈦金屬是最常見Ti-6Al-4V（含6%的鋁和4%的釩）。根據(jù)他們的觀察，這些鈦金屬件中的孔隙大小不一，從幾微米到幾百微米不等，但數(shù)量眾多而且分布隨機(jī)，所以在受到一定程度的外力時(shí)就很有可能導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)裂縫。 

另外，CMU的研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了會(huì)影響孔隙率的因素，主要就是3D打印機(jī)的激光束功率、速度和間距。在使用EBM技術(shù)和鈦合金Ti-6Al-4V進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，盡管他們在不斷地調(diào)整了上面這些參數(shù)，但是始終沒能完全消除打印件內(nèi)部的孔隙。  “激光束功率不足也是出現(xiàn)孔隙的原因，因?yàn)檫@種情況下有些粉末可能會(huì)出現(xiàn)不融。但功率太高也不行，那會(huì)提高造成深孔的風(fēng)險(xiǎn)，也就是電子束留下的空隙?！盋MU材料科學(xué)和工程教授Anthony Rollett表示，“這些孔隙會(huì)明顯降低鈦金屬的抗疲勞能力?？障对蕉?，影響就越大。” 

這對于當(dāng)前使用鈦金屬的3D打印行業(yè)來說無疑是一個(gè)沉重打擊，要知道金屬（尤其是鈦）3D打印由于具有很多優(yōu)點(diǎn)（如成型速度快、自由度高、更節(jié)省材料、能降低成本等）已經(jīng)被許多行業(yè)寄予厚望了，而此次的研究卻意味著相關(guān)的技術(shù)和材料（包括鈦甚至其它金屬）可能必須要改變了。不過，這也并不意味著世界末日的到來。因?yàn)镃MU的研究者們發(fā)現(xiàn)，雖然完全消除3D打印鈦金屬件中的孔隙幾乎是不可能的，但在不融粉末與太多粉末之間很可能存在著一個(gè)“甜點(diǎn)”，可以令3D打印鈦金屬的效果達(dá)到最佳。因此，他們現(xiàn)在已經(jīng)將研究轉(zhuǎn)向了鈦金屬處于粉末的初始狀態(tài)了。