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為內(nèi)部無數(shù)的細小孔隙出現(xiàn)裂縫，而這些孔隙主要是因為3D打印時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。可是這種情況恐怖用不了多久就要改變了，因為出自卡內(nèi)基·梅隆大學（CMU）的一項研究顯示3D打印鈦金屬物體或?qū)⒊霈F(xiàn)被稱之為“相當致命缺陷”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驗室（ANL）的高強度同步輻射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，所以在受到一定程度的外力時就很有可能導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)裂縫。 

另外，CMU的研究團隊還發(fā)現(xiàn)了會影響孔隙率的因素，主要就是3D打印機的激光束功率、速度和間距。在使用EBM技術(shù)和鈦合金Ti-6Al-4V進行的實驗中，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，因為這種情況下有些粉末可能會出現(xiàn)不融。但功率太高也不行，那會提高造成深孔的風險，也就是電子束留下的空隙。”CMU材料科學和工程教授Anthony Rollett表示，“這些孔隙會明顯降低鈦金屬的抗疲勞能力。空隙越多，影響就越大。” 

這對于當前使用鈦金屬的3D打印行業(yè)來說無疑是一個沉重打擊，要知道金屬（尤其是鈦）3D打印由于具有很多優(yōu)點（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。因為CMU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“甜點”，可以令3D打印鈦金屬的效果達到最佳。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。