選區(qū)激光熔化鎳鉻鉬合金(NiCrMo)和純鈦(TA1)的性能對比

3D 打印因其三維變二維的離散化加工方式，作為快速原型制造技術(shù)，近年來受到學(xué)者和行業(yè)人員的研究。其中，選區(qū)激光熔化（ selective laser melting ， SLM ）作為金屬 3D 打印重要的方向，因具有快速原型制造、個性化、精度高和復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化等優(yōu)點，而被應(yīng)用在航空航天、汽車行業(yè)、醫(yī)療植入物等結(jié)構(gòu)件和功能件的制造。

可供選區(qū)激光熔化使用的金屬材料有很多種，其中鎳基和鈦基是常見的3D打印材料。本文將以鎳鉻鉬(NiCrMo)和純鈦(TA1)為例，對比兩者在選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)的性能差異。其中鎳鉻鉬是一種常見的耐腐蝕合金，由于其低成本，良好機械性能，高耐腐蝕性和良好生物相容性等特點，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療及化工行業(yè)。而純鈦密度小、比強度高、強塑性良好和高溫變形能力強等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機、火箭發(fā)動機及導(dǎo)彈殼體等方面。

1.選區(qū)激光熔化成型性能對比

從表格數(shù)據(jù)可以看出，純鈦的成型件密度更低，延伸率更高，適合輕量化和對韌性有要求的的工件制造。鎳鉻鉬具有更高的機械性能（屈服強度，抗拉強度，硬度），適合應(yīng)用在對材料強度更高的場景。

2.生物相容性對比

鎳鉻鉬是常見的生物應(yīng)用合金，具有一定的生物相容性，其彈性模量也與人體骨骼（約160GPa）相接近。據(jù)過往研究顯示，鎳基合金長期的體液環(huán)境下存在，容易出現(xiàn)鎳離子析出，導(dǎo)致人體過敏或發(fā)炎等癥狀。而近年的研究表明，選區(qū)激光熔化制造的鎳鉻鉬合金樣品，其鎳離子析出量遠遠低于傳統(tǒng)鑄造加工的樣品，這與增材制造的高致密度有關(guān)。而純鈦是一種生物相容性很好的金屬，鈦的表面活性好，組織反應(yīng)輕微，容易與氧發(fā)生反應(yīng)建立致密氧化膜，鈦的氧化層比較穩(wěn)定。臨床上廣泛采用金屬鈦制造人工關(guān)節(jié)部件、接骨板和螺釘?shù)?/span>。整體上看，純鈦比鎳鉻鉬合金具有更好的生物相容性。

3.耐腐蝕性對比

鎳鉻鉬是一種典型的Ni-Cr體系的耐蝕合金，高含量的Cr改進了材料在氧化性腐蝕介質(zhì)中的耐蝕性，而Mo元素可提高耐局部腐蝕和耐氧化物晶間腐蝕（SCC）的性能。鎳鉻鉬既耐硝酸又耐硫酸腐蝕，同時耐氫氧化物（NaOH、KOH）和應(yīng)力腐蝕。純鈦表面容易形成一層致密的惰性氧化膜，因而對純鈦起到保護作用，能在一定程度上抵御酸的腐蝕。對于還原性酸（如較純的硫酸、鹽酸等），鈦及鈦合金并不耐蝕，腐蝕速率隨溫度、濃度的增加而增加。當(dāng)有氧存在時,鈦的腐蝕速度就會加快,并在鈦的表面形成黑色的氧化膜在高濃度堿液中生成的氧化膜特別厚而且疏松。綜上所述，鎳鉻鉬比純鈦具有更好的耐腐蝕性能。

4.使用成本對比

鎳鉻鉬合金的主要構(gòu)成元素為鎳，較純鈦的原材料成本較低，加之鎳鉻鉬合金粉末可以通過真空氣霧化（VIGA）方式生產(chǎn)，其生產(chǎn)效率和收得率比純鈦使用電極感應(yīng)熔煉氣霧化制粉（EIGA）和等離子球化等方式要高。因此，鎳鉻鉬粉末的價格較純鈦粉末要低。同時，鎳鉻鉬粉末耐高溫性能較好，3D打印及儲存過程不易被氧化，循環(huán)使用的次數(shù)更高，一般可重復(fù)達到18次以上；而純鈦是易氧化材料，打印過程中需通成本更高的氬氣保護，且循環(huán)打印約10次左右，粉末就會因氧化嚴重導(dǎo)致成型件力學(xué)性能受影響。為了保證打印件的使用性能，需對整批純鈦粉報廢處理。因此可以判斷，鎳鉻鉬合金粉末的綜合使用成本明顯低于純鈦粉末。

5.挑選合適的材料

鎳鉻鉬合金與純鈦具有不同特點，可根據(jù)應(yīng)用端的具體需求來選擇合適的金屬3D打印材料。針對一些輕量化設(shè)計，或是對材料韌性有高要求的產(chǎn)品，應(yīng)該選擇純鈦，而針對高強度，尤其是高溫工作環(huán)境下的工件，更適合選擇鎳鉻鉬合金。在生物相容性要求更高的場合，純鈦更有優(yōu)勢，而在耐酸堿腐蝕的環(huán)境下工作，鎳鉻鉬合金制品更有競爭力。而考慮到綜合使用成本方面，如果對使用需求要求不是特別嚴苛，使用鎳鉻鉬合金進行金屬3D打印更具性價比。