科学家发现钛金属3D打印部件内部有重大缺陷

 迄今为止，钛金属被认为是最适合于3D打印技术的金属材料之一，因此它在金属3D打印领域里的应用也相当广泛，无论是3D打印医用植入物还是飞机部件，钛金属的身影无处不在。但是，卡内基·梅隆大学最近进行的一项研究表明，当前的3D打印钛金属部件有可能存在着“致命缺陷”。

在对3D打印钛金属进行深度X射线探测之后，研究人员们揭开了该材料内部的孔隙度状况。使用最流行的钛金属，即Ti-gAI-4V（含6%的铝和4%的钒），卡耐基梅隆大学的科学家们找到了美国能源部下属的阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory），用后者的高强度同步辐射X射线和一种被称为微断层摄影的快速成像工具来帮助分析这种材料。他们的研究结果表明，当在一种选择性激光熔化（SLM）3D 打印机或电子束熔融（EBM）3D打印机中使用钛金属粉末时，气体会被困在液态的金属层中，从而在3D打印金属内部生成诸多泡沫孔隙。

根据科学家们观察到的结果，这些微小的孔隙小到几微米，大到几百微米不等，而且随机分布，导致使用钛材料3D打印的金属对象内部有可能出现裂纹线。这是一个令人震惊的消息，尤其是现在3D打印钛金属部件在医疗和航空航天领域的使用越来越普遍的时候。

虽然像SLM这样的技术被证明在很多方面都有优势，但是这项研究有可能改变钛金属以及其他金属基材料的3D打印方式。研究团队发现，3D打印机激光束的功率、速度和间距会对钛金属3D打印的孔隙率产生影响。研究人员观察了几个Ti-gAI-4V样品的孔隙率，所有这些部件都是用EBM技术以不同的参数3D打印出来的，尽管他们调整了参数来帮助减少3D打印钛金属部件的孔隙率，但是始终没能完全消除内部的孔隙。

“相对于打印速度和间距，如果你减少功率级别，金属熔池就会变得太小，甚至可能出现不熔的粉末，这也是孔隙度的来源之一。”CMU材料科学和工程教授Anthony Rollett说：“但是，如果你把功率级别增加得太多，就会有形成深孔，即所谓的钥匙孔，的风险，这是电子束留下的空隙。”

通过微断层扫描重建的使用不同的功能参数3D打印的Ti-6Al-4V样品

据了解，科学家们研究发现，完全消除3D打印钛金属部件中的孔隙度几乎是不可能的。但是他们认为在介于不熔的粉末与太多粉末之间肯定存在一个最佳点，可以优化3D打印钛金属的方式。为此，该研究团队现在转而研究起粉末阶段的钛金属来了，Rollett认为这可能正是孔隙开始的阶段。

此项结果被发表在《Journal of Minerals, Metals, and Materials Society》杂志上，标题为《通过同步辐射X射线微断层扫描评估处理参数对于电子束熔融Ti-6Al-4V的孔隙率影响（Evaluating the Effect of Processing Parameters on Porosity in Electron Beam Melted via Synchrotron X-ray Microtomography）》。