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眾所周知,，3D打印技術(shù)的一個缺點就是對材料十分挑剔,，可打印材料的選擇余地并不大，Ti-6Al-4V是目前市面最常見,、最成熟的3D打印材料,。 為什么Ti-6Al-4V如此優(yōu)秀，廣大3D打印設(shè)備廠商對它情有獨鐘,。本期優(yōu)化講壇,，我們就來揭示Ti-6Al-4V集萬千寵愛于一身的秘密。隨著溫度的改變,，鈦原子晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化,。純鈦的組織轉(zhuǎn)變溫度為882℃。在882℃以下,，是密排六方晶體的α-Ti,，在882℃以上，是體心立方晶體的β-Ti,。由α-Ti向β-Ti轉(zhuǎn)變過程中,，其塑性變形的能力發(fā)生了變化。因為金屬塑性變形時,，首先是沿著晶體中原子排列最密的晶面和晶向優(yōu)先產(chǎn)生滑移,。這是因為原子密度最大的晶面原子間距小,，原子結(jié)合力強，但是晶面的間距就會增大,，晶面間結(jié)合力較弱,，滑移阻力當(dāng)然就小，易成為滑移面,。α-Ti是密排六方晶體,，其原子排列最密集的晶面只有1個，即{0001}面,。
β-Ti是體心立方晶體,，體心立方晶體原子排列最密的晶面有6個{001}，但滑移方向有2個,，所以滑移系數(shù)目6 X 2=12個,。![]()
純鈦的強度很低，只有250~300MPa,，一般用于科研,，沒有工業(yè)應(yīng)用價值。具有實際應(yīng)用價值的是各種鈦合金,。所謂鈦合金,，指人為地在純鈦中加入某些合金元素，提高或滿足某種機械性能,。
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退火后的基本組織是α相+β相,，但以α相為主的，稱為近α型鈦合金,。![]()
退火后的基本組織是（α+β）相,，稱為（α+β）型鈦合金，一般稱為兩相合金,。![]()
退火后的基本組織為β相,，但有一定α相的，稱為近β型鈦合金,。
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那么,，為什么退火狀態(tài)下會得到不同類型的鈦合金呢?決定因素是加入的合金元素不同，它們對鈦的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度的影響是不同的,。上述問題主要取決于加入元素的晶格類型,，電子層結(jié)構(gòu),，原子半徑大小，以及電子濃度等,。
前蘇聯(lián)的學(xué)者認(rèn)為,，對于熱強鈦合金來說，添加共析型β穩(wěn)定元素,，沒有發(fā)展前途,。原因是Cu、Ni,、Si等快共析元素不能將β相保留到室溫,；且Fe、Mn,，Cr等慢共析元素在一定條件下發(fā)生共析反應(yīng),，會使合金變脆。因此,，研制高溫鈦合金一般添加β同晶型元素,。但美國、日本等在90年代中后期,，開發(fā)含F(xiàn)e的鈦合金來降低材料的成本而用于汽車工業(yè),。（1）β同晶元素顧名思意，其晶格類型與β-Ti相同,，即體心立方晶格,。由于晶格相同，所以它們在β-Ti中無限互溶,，它們的加入是固溶強化β相,。（2）與Ti原子半徑相差不大，在置換式固溶時,，晶格畸變很小,。因此，隨著加入量的增加,，在提高強度的同時,，仍能保持高的塑性。（3）β同晶元素的加入量越多,，合金組織中的β相越穩(wěn)定,。當(dāng)β同晶元素含量達到某一臨界值時，即使空冷也能將合金中的β相保留到室溫,。這一臨界值稱為“臨界濃度”,。一個合金元素的臨界濃度反映其穩(wěn)定β相的能力，臨界濃度越小的元素,，穩(wěn)定β相的能力越大,。所以,，V（釩）是用來穩(wěn)定β相的，是開發(fā)高強鈦合金的主要合金元素,。
（1）它們的電子結(jié)構(gòu),、化學(xué)性能與鈦的差別很大；（2）在固態(tài)會發(fā)生包晶反應(yīng),，生成一個或幾個類型的金屬間化合物,；（4）AI（包括O,、C,、N在內(nèi)）是提高β轉(zhuǎn)變溫度的，稱為α穩(wěn)定元素,。所以,，AI（鋁）是用來穩(wěn)定α相的，所有鈦合金中幾乎沒有不加鋁元素的,。
α-Ti是密排六方晶體,，而AI的加入，使α-Ti的晶格發(fā)生彎扭,，從而阻礙了原子再結(jié)晶過程中的定向移動,，因而延遲了晶粒的聚集長大過程。這時要實現(xiàn)再結(jié)晶,，需要更大的能量一一提高溫度,。所以，AI的加入提高了再結(jié)晶溫度,，再結(jié)晶溫度高,，合金的熔化溫度就高。眾所周知,，決定金屬熱強性的基本因素是熔化溫度，提高金屬熔化溫度意味著提高工作溫度,。Ti-6Al-4V屬于（α+β）型鈦合金,。Al 通過固溶強化α相提高合金的室溫強度和熱強性能，而V既提高強度又改善塑性,，同時V還能抑制α2超結(jié)構(gòu)相的形成,，避免在長時間使用過程中出現(xiàn)合金脆化。相信讀者已經(jīng)明白為什么Ti-6Al-4V在3D打印界一枝獨秀了,。Ti-6Al-4V鈦合金的主要特點就是優(yōu)異的綜合機械性能和良好的工藝特性,。Ti-6Al-4V鈦合金在航空航天中主要用于制造飛機結(jié)構(gòu)中的各種梁、隔框,、滑軌,、起落架梁,，航空發(fā)動機的風(fēng)扇和壓氣機盤、葉片,，航天火箭的殼體,、壓力容器以及各種類型的緊固件。用Ti-6Al-4V鈦合金代替30CrMnSiA結(jié)構(gòu)鋼,，可以減輕零件重量約30%,。Ti-6Al-4V鈦合金在民用行業(yè)中也獲得了廣泛應(yīng)用。例如制造汽車車架,、曲柄軸,、連桿、螺栓,、進油閥和懸掛彈簧等,，電力工業(yè)中的燃?xì)廨啓C葉片，造船工業(yè)中的船舶推進器,，海洋工程中的近海油田鉆井平臺,，化學(xué)工業(yè)中的各種耐蝕泵，醫(yī)學(xué)中的人工植入物,，各種運動器材等,。 Ti-6Al-4V基本力學(xué)性能
熱穩(wěn)定性（試樣熱暴露后的室溫拉伸性能）
高溫持久性能
高溫蠕變性能
高周疲勞旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限
3D打印鈦合金和鍛件性能對比
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