一、引言
通过上篇推文,大家都熟悉了钛及钛合金的诸多优势,比如:
比强度高;
弹性模量低,钛合金产品植入人体后,利于骨骼的生长;
高温及低温性能优异;
钛合金的耐腐蚀性能强;
生物相容性好。
但是,钛合金的部分性能则十分特殊。钛在常温下性能十分稳定,表面会形成一层致密的氧化膜。但钛合金在高温时,它可以与空气中的氧气进行化学反应而氧化。
二、钛合金的氧化
3D打印钛合金零件中的氧主要来自三个方面:
钛合金粉末的中原本就含有的氧元素
3D打印过程中,零件和粉末吸收打印仓内的氧气
钛合金零件在退火过程中表面氧化
以上三个方面都会导致钛合金零件中的氧含量增高。
3D打印钛合金零件中氧含量增高后,到底会产生什么样的影响?通过一组钛合金氧化后测试的数据简单对比。
TC4钛合金的强度,塑性与氧含量的关系
从上图中可以看到,随着钛合金中氧含量的提升,钛合金的强度会提高,但塑性会降低。而这样的性能上的变化又会给钛合金的产品带来多大的影响呢?塑韧性对于钛合金的卡环而言,体现了卡环在受到外力时发生变形的角度大小,材料的塑性越好,则钛合金的卡环在受到外力时所能掰到的角度越大。
使用氧含量高的钛合金粉末或钛合金退火被氧化,这样的支架卡环会给口腔技师及临床医生带来两个问题:1. 卡环硬而难掰,就位难以调节;2. 卡环容易断,不敢过多的调整。
三、钛合金粉末的选择和存放
对于钛合金3D打印而言,控制粉末中的氧含量主要有以下2点:
钛合金粉末的选择
钛合金粉末的存放(吸尘器,筛粉,存储罐及3D打印机中)
钛合金粉末的选择
优先选择使用含氧量低的粉末。粉末本身含氧量低的话,可以保证打印件具有很好的韧性,同时可以保证粉末在打印很多次不断吸氧以后,粉末本身的氧含量仍然在标准范围以下。目前TC4钛合金有两种:
1.TC4标准钛合金
2.TC4 ELI 低氧含量钛合金
如下表所示
德普润生产的TC4钛合金粉末(型号DPR-M02),严格执行TC4 ELI标准,粉末氧含量控制在极低的水平,确保客户打印的钛合金零件具有很好的韧性,并支持客户循环打印更多次。
德普润同时提供TA1纯钛粉(型号DPR-M04),其中不含铝和钒等合金元素,同时氧含量更低,使TA1打印的零件具有更好的韧性,满足客户对卡环韧性的极致需要。
钛合金粉末的存放
钛合金粉末应存储在密闭的粉末罐内,要严格控制好存储环境的温度与湿度。如果钛合金粉末存储在开放的环境中,在室温下,空气中的水分会粘到每一个粉末的表面,粉末吸附的水量与表面积成正比。比如10公斤钛粉的表面积至少有200平方米。足以见得钛合金粉末能够吸收多少水分。所以需要严格控制钛合金的粉末存储条件!
钛合金的存放
【德普润建议】
1. 将钛粉储存在3D打印机中如果长期不使用,需要充保护气;
2. 操作粉末,戴手套,不要用手接触粉末;
3. 不要让钛合金粉末存储在开放的空间。如果以散装形式保存,使用时钛合金的粉末所需的干燥的时间应该更长;
4. 在所有处理粉末的区域保持尽可能低的湿度。环节的温度控制在20-25℃,小于40%相对湿度。存储环境建议使用除湿器;
5. 如果粉末储存在机器外,请将其保存在密闭容器中。
四、钛合金件的退火
打印过程我们只需要在打印过程中全程通氩气保护,并保证氧含量在0.1%即可。
最后要做的就是控制钛合金件的退
火。
钛合金的表面氧化状态与温度的高低有紧密的联系,随着氧化温度的变化,钛合金的表面会呈现出不同的颜色,这是因为不同温度时,钛合金的表面氧化物会有所不同。
TC4钛合金不同氧化态程度出
为了保证TC4钛合金具有很好的韧性,热处理工艺也是必须要严格控制的,加热到800-850℃保温2小时,可以使TC4钛合金支架具有很好的韧性。为了避免TC4钛合金在800度的高温发生氧化,应当:
1. 使用管式真空炉或气氛炉进行退火。使用管式真空炉时,真空值应低于5Pa以下。德普润提供金属管式真空炉,具有加热速度快,冷却速度快,真空度高的特点,可以实现钛合金的高温快速退火而不氧化的目的。
德普润不建议采用气氛炉,使用气氛炉给TC4退火需要全程通氩气,整体成本偏高。
2. 控制工件出炉的温度。退火后确保炉内温度在150℃以下的温度再将工件从炉子里面拿出来,在这之前,不要关闭氩气也不要关闭真空泵放气。 如果零件表面变成金黄色或者浅蓝色,说明工件在退火或出炉时氧化,应对退火过程进行检查,排查是保温过程出现问题还是冷却过程出现问题。
钛合金支架热处理后,表面氧化和无氧化对比
金属管式真空炉