Ti-6Al-4V凭什么能集3D打印万千宠爱于一身：浅析Al和V作用
众所周知，3D打印技术的一个缺点就是对材料十分挑剔，可打印材料的选择余地并不大，Ti-6Al-4V是目前市面最常见、最成熟的3D打印材料。
为什么Ti-6Al-4V如此优秀，广大3D打印设备厂商对它情有独钟。本期优化讲坛，我们就来揭示Ti-6Al-4V集万千宠爱于一身的秘密。纯钛的组织转变温度为882℃。在882℃以下，是密排六方晶体的α-Ti，在882℃以上，是体心立方晶体的β-Ti。由α-Ti向β-Ti转变过程中，其塑性变形的能力发生了变化。因为金属塑性变形时，首先是沿着晶体中原子排列最密的晶面和晶向优先产生滑移。这是因为原子密度最大的晶面原子间距小，原子结合力强，但是晶面的间距就会增大，晶面间结合力较弱，滑移阻力当然就小，易成为滑移面。α-Ti是密排六方晶体，其原子排列最密集的晶面只有1个，即{0001}面。β-Ti是体心立方晶体，体心立方晶体原子排列最密的晶面有6个{001}，但滑移方向有2个，所以滑移系数目6 X 2=12个。
纯钛的强度很低，只有250~300MPa，一般用于科研，没有工业应用价值。具有实际应用价值的是各种钛合金。所谓钛合金，指人为地在纯钛中加入某些合金元素，提高或满足某种机械性能。
退火后的基本组织是α相 β相，但以α相为主的，称为近α型钛合金。
退火后的基本组织是（α β）相，称为（α β）型钛合金，一般称为两相合金。
退火后的基本组织为β相，但有一定α相的，称为近β型钛合金。
那么，为什么退火状态下会得到不同类型的钛合金呢?
决定因素是加入的合金元素不同，它们对钛的同素异晶转变温度的影响是不同的。上述问题主要取决于加入元素的晶格类型，电子层结构，原子半径大小，以及电子浓度等。前苏联的学者认为，对于热强钛合金来说，添加共析型β稳定元素，没有发展前途。原因是Cu、Ni、Si等快共析元素不能将β相保留到室温；且Fe、Mn，Cr等慢共析元素在一定条件下发生共析反应，会使合金变脆。因此，研制高温钛合金一般添加β同晶型元素。但美国、日本等在90年代中后期，开发含Fe的钛合金来降低材料的成本而用于汽车工业。（1）β同晶元素顾名思意，其晶格类型与β-Ti相同，即体心立方晶格。由于晶格相同，所以它们在β-Ti中无限互溶，它们的加入是固溶强化β相。（2）与Ti原子半径相差不大，在置换式固溶时，晶格畸变很小。因此，随着加入量的增加，在提高强度的同时，仍能保持高的塑性。（3）β同晶元素的加入量越多，合金组织中的β相越稳定。当β同晶元素含量达到某一临界值时，即使空冷也能将合金中的β相保留到室温。这一临界值称为“临界浓度”。一个合金元素的临界浓度反映其稳定β相的能力，临界浓度越小的元素，稳定β相的能力越大。所以，V（钒）是用来稳定β相的，是开发高强钛合金的主要合金元素。（2）在固态会发生包晶反应，生成一个或几个类型的金属间化合物；（4）AI（包括O、C、N在内）是提高β转变温度的，称为α稳定元素。所以，AI（铝）是用来稳定α相的，所有钛合金中几乎没有不加铝元素的。α-Ti是密排六方晶体，而AI的加入，使α-Ti的晶格发生弯扭，从而阻碍了原子再结晶过程中的定向移动，因而延迟了晶粒的聚集长大过程。这时要实现再结晶，需要更大的能量一一提高温度。所以，AI的加入提高了再结晶温度，再结晶温度高，合金的熔化温度就高。众所周知，决定金属热强性的基本因素是熔化温度，提高金属熔化温度意味着提高工作温度。Ti-6Al-4V属于（α β）型钛合金。Al 通过固溶强化α相提高合金的室温强度和热强性能，而V既提高强度又改善塑性，同时V还能抑制α2超结构相的形成，避免在长时间使用过程中出现合金脆化。相信读者已经明白为什么Ti-6Al-4V在3D打印界一枝独秀了。Ti-6Al-4V钛合金的主要特点就是优异的综合机械性能和良好的工艺特性。Ti-6Al-4V钛合金在航空航天中主要用于制造飞机结构中的各种梁、隔框、滑轨、起落架梁，航空发动机的风扇和压气机盘、叶片，航天火箭的壳体、压力容器以及各种类型的紧固件。用Ti-6Al-4V钛合金代替30CrMnSiA结构钢，可以减轻零件重量约30%。Ti-6Al-4V钛合金在民用行业中也获得了广泛应用。例如制造汽车车架、曲柄轴、连杆、螺栓、进油阀和悬挂弹簧等，电力工业中的燃气轮机叶片，造船工业中的船舶推进器，海洋工程中的近海油田钻井平台，化学工业中的各种耐蚀泵，医学中的人工植入物，各种运动器材等。
Ti-6Al-4V基本力学性能
热稳定性（试样热暴露后的室温拉伸性能）
高温持久性能
高温蠕变性能
高周疲劳旋转弯曲疲劳极限
3D打印钛合金和锻件性能对比
