钛合金凭借高强度、低密度、优良耐腐蚀性与生物相容性等特性，在多领域备受青睐。早期受限于加工技术，应用拓展缓慢。3D 打印技术兴起后，为钛合金加工开辟新路径，其能将钛合金材料按数字化模型逐层堆积，制造复杂形状部件，突破传统加工局限。近年来，科研人员持续攻克难题，如中国科学院金属研究所张哲峰研究员团队针对3D打印钛合金疲劳性能差的问题，发现打印态组织自身抗疲劳优点被气孔等缺陷掩盖，进而发明缺陷与组织分步调控新工艺，大幅提升钛合金疲劳强度，推动其在航空航天等领域的应用进程 。
在3D打印耗材中，Ti6Al - 4V（TC4）是极为常见的钛合金材质。它以钛为基体，融入 6% 铝和 4% 钒，铝可增强耐热性与强度，钒能改善韧性与加工性。该合金密度约为钢的 60%，比强度高，可制造出高强度、轻量化零部件，像飞机发动机部件、起落架等多有应用。除 TC4 外，Ti6Al - 4V ELI（低间隙元素型）也用于对杂质敏感场景，如医疗植入物；Ti - 5Al - 2.5Sn 等材质则因自身特性，适配不同特殊需求。北京科技大学团队还创新研发出未使用传统金属合金化元素，仅靠氧元素调控组织的 HCP + FCC 双相钛合金，打破强度与塑性制衡关系 。
3D打印钛合金常采用粉末床熔融、直接能量沉积、粘结剂喷射加工等工艺。以粉末床熔融为例，先通过计算机辅助设计（CAD）构建产品三维模型，接着将模型切片成薄层，生成打印路径数据。打印时，设备均匀铺展钛合金粉末，高能量激光或电子束按路径逐层熔化粉末，使其凝固成型。打印完成后，需进行后处理，如去除支撑结构、热处理优化组织性能、表面处理提升表面质量等。在航空航天领域制造复杂空心结构航空零部件时，该工艺能一次性成型，减少加工工序与成本 。
行业内已建立一系列规范3D打印钛合金材料与制品的标准。国内有相关国家标准对钛合金粉末粒度分布、氧含量、松装密度等关键指标明确规定，确保粉末质量稳定；对打印制品的尺寸精度、内部缺陷、力学性能等也有对应检测与评判标准。国际上，如 ASTM 等标准组织制定的标准在全球广泛应用，涵盖从材料特性测试方法到不同行业应用规范等多方面。在医疗植入物制造中，严格遵循标准才能保障产品安全性与有效性，满足人体使用要求 。
未来，3D 打印钛合金技术将聚焦降本增效与性能提升。一方面，研发新型打印设备与工艺，提高打印速度与精度，降低设备与材料成本；另一方面，深入探索材料微观结构与性能关系，开发高性能、多功能钛合金材料，如兼具超高温稳定性与高韧性的合金。随着技术进步，其应用领域将不断拓宽，在消费电子领域，苹果、三星等企业已尝试采用钛合金3D打印技术制造手机中框等部件，未来有望在更多产品类型中普及；在医疗领域，个性化定制植入物将更加精准高效，为患者带来更好治疗体验 。
1. 主流钛合金牌号与性能对比
| 合金牌号 | 材料类型 | 适用工艺 | 关键性能参数 | 成本 ($/kg) |
| Ti-6Al-4V (Gr.5) | α+β型 | SLM/EBM | 抗拉强度: 1100-1300 MPa
延伸率: 8-12% | 120-150 |
| Ti-6Al-4V ELI | 低间隙元素 | EBM/DED | 断裂韧性: 70-90 MPa√m
疲劳强度: 550 MPa | 160-200 |
| Ti-5553 | 近β型 | LPBF | 强度: 1300-1450 MPa
深淬透性: 150mm | 220-280 |
| Ti-6242 | 高温型 | DED | 耐温: 550℃/100h
蠕变强度: 450 MPa | 300-350 |
| Ti-Cu | 新型合金 | SLM | 抗菌率＞99.9%
导电率: 15% IACS | 180-240 |
2. 粉末制备关键技术指标
| 参数 | 激光粉末床熔融（SLM） | 电子束熔融（EBM） | 等离子弧增材（WAAM） |
| 粒度分布 (μm) | 15-45 | 45-106 | 50-150 |
| 球形度 (%) | ＞98 | ＞95 | ＞85 |
| 氧含量 (ppm) | ＜800 | ＜1200 | ＜1500 |
| 流动性 (s/50g) | ＜25 | ＜30 | ＜35 |
| 空心粉率 (%) | ＜0.3 | ＜0.5 | ＜1.0 |
创新工艺：
等离子旋转电极法（PREP）：制备15-53μm细粉，空心粉率＜0.1%
超声雾化技术：实现5-20μm超细粉，适用于微尺度打印
3. 工艺-组织-性能调控
| 工艺参数 | 微观结构特征 | 力学性能优化方向 |
| 激光功率（200-400W） | 柱状晶/等轴晶比例 | 强度-韧性平衡调控 |
| 扫描速度（700-1400mm/s） | β晶粒尺寸（50-200μm） | 各向异性消除 |
| 层厚（20-60μm） | 孔隙率（0.01-0.5%） | 疲劳寿命提升 |
| 热等静压（HIP） | α相层片厚度（0.2-1μm） | 延伸率提升至15% |
典型案例：
GE航空LEAP发动机燃油喷嘴：采用EBM Ti-6Al-4V，致密度＞99.7%，减重25%，成本降低30%
史赛克骨科植入物：SLM Ti-6Al-4V ELI，孔隙率65%的多孔结构，弹性模量3GPa（接近松质骨）
4. 行业标准与认证体系
| 标准体系 | 核心要求 | 认证难点 |
| ASTM F3001 | 医用钛粉杂质控制（Al/V溶出量＜1μg/cm²） | 生物相容性动物实验 |
| AMS 4999 | 航空件缺陷尺寸＜50μm | CT检测分辨率要求＜10μm |
| ISO/ASTM 52900 | 粉末可追溯性（批次DNA编码） | 区块链存证系统建设 |
| NADCAP AC7113 | 工艺稳定性（CPK＞1.33） | 2000小时连续生产验证 |
5. 技术挑战与前沿突破
| 技术瓶颈 | 传统方案 | 2023年创新技术 | 效益提升 |
| 粉末成本高 | 气雾化法（GA） | 短流程氢化脱氧（HDH） | 成本降低40% |
| 残余应力大 | 基板预热（200℃） | 激光冲击强化（LSP） | 变形量减少70% |
| 表面粗糙度 | 喷砂处理（Ra 8-10μm） | 电化学抛光（ECP） | Ra达0.8μm |
| 成分偏析 | 机械混合 | 纳米包覆技术（TiB₂增强） | 组织均匀性提升50% |
6. 应用场景与市场数据
| 领域 | 典型部件 | 材料用量（吨/年） | 增长率 |
| 航空航天 | 发动机叶片/舱门铰链 | 520 | 28% |
| 医疗 | 多孔椎间融合器/颅骨修复体 | 380 | 35% |
| 能源 | 燃料电池双极板/核聚变部件 | 150 | 45% |
| 汽车 | 轻量化底盘结构件 | 90 | 18% |
标杆案例：
波音787机舱支架：WAAM工艺制造Ti-6Al-4V，生产周期缩短60%，材料利用率达85%
西门子燃气轮机燃烧室：SLM Ti-6242，耐温能力提升至600℃，热效率提高3%
7. 国内外产业化对比
| 维度 | 中国（2023） | 国际先进水平 | 差距分析 |
| 粉末产能 | 800吨/年（主要＜53μm） | 2500吨/年（美国AP&C） | 细粉率低15% |
| 打印效率 | SLM 20cm³/h | EBM 150cm³/h（Arcam Q20+） | 能量利用率差3倍 |
| 认证体系 | 3项国军标 | 22项FAA/EASA认证 | 适航经验不足 |
| 回收技术 | 50%粉末再利用 | 85%闭环回收（德国EOS） | 氧增量控制差 |
8. 未来技术路线图
| 时间节点 | 技术方向 | 目标参数 | 产业化前景 |
| 2025 | 纳米钛合金粉 | 粒径＜10μm
流动性＜15s/50g | 微纳器件打印 |
| 2028 | 梯度功能材料 | 成分连续渐变（Ti-6Al-4V→Ti-Cu） | 仿生结构制造 |
| 2030 | 太空原位打印 | 月壤钛铁矿直接制粉 | 地外基地建设 |
| 2035 | 智能响应材料 | 形状记忆钛合金（应变恢复率＞95%） | 自适应结构体 |
3D打印钛合金耗材正向超细粉体化、功能梯度化、智能响应化演进，建议优先布局氢能/核聚变领域专用合金开发，攻克粉末低成本制备与缺陷智能检测技术，同时构建数字孪生工艺库实现know-how沉淀。短期内可重点突破医疗植入物市场（CAGR＞30%），长期需向太空制造等战略领域延伸。
相关链接
