3D打印加工参数对电子束熔融钛合金孔隙率的影响

3D打印的钛金属物体有可能因为内部无数的细小孔隙出现裂缝，而这些孔隙主要是因为3D打印时钛金属粉末在融化后混入了气体。由于钛一直以来都被人们认为是最合适用来金属3D打印的材料之一，因此现在它的应用范围也是相当之大，比方说用来制造医疗行业的植入物和各种航空航天的零件。可是这种情况恐怖用不了多久就要改变了，因为出自卡内基·梅隆大学（CMU）的一项研究显示3D打印钛金属物体或将出现被称之为“相当致命缺陷”的结论。

这种糟糕的结果是CMU借助美国能源部下属阿贡国家实验室（ANL）的高强度同步辐射X射线和微断层摄影工具，通过分析由电子束熔融（EBM）和选择性激光熔融（SLM）技术3D打印的钛金属件后发现的。其中使用的钛金属是最常见Ti-6Al-4V（含6%的铝和4%的钒）。根据他们的观察，这些钛金属件中的孔隙大小不一，从几微米到几百微米不等，但数量众多而且分布随机，所以在受到一定程度的外力时就很有可能导致内部出现裂缝。 

另外，CMU的研究团队还发现了会影响孔隙率的因素，主要就是3D打印机的激光束功率、速度和间距。在使用EBM技术和钛合金Ti-6Al-4V进行的实验中，尽管他们在不断地调整了上面这些参数，但是始终没能完全消除打印件内部的孔隙。  “激光束功率不足也是出现孔隙的原因，因为这种情况下有些粉末可能会出现不融。但功率太高也不行，那会提高造成深孔的风险，也就是电子束留下的空隙。”CMU材料科学和工程教授Anthony Rollett表示，“这些孔隙会明显降低钛金属的抗疲劳能力。空隙越多，影响就越大。” 

这对于当前使用钛金属的3D打印行业来说无疑是一个沉重打击，要知道金属（尤其是钛）3D打印由于具有很多优点（如成型速度快、自由度高、更节省材料、能降低成本等）已经被许多行业寄予厚望了，而此次的研究却意味着相关的技术和材料（包括钛甚至其它金属）可能必须要改变了。不过，这也并不意味着世界末日的到来。因为CMU的研究者们发现，虽然完全消除3D打印钛金属件中的孔隙几乎是不可能的，但在不融粉末与太多粉末之间很可能存在着一个“甜点”，可以令3D打印钛金属的效果达到最佳。因此，他们现在已经将研究转向了钛金属处于粉末的初始状态了。