钛合金与铝合金 3D 打印对比

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  钛合金与铝合金 3D 打印：快速对比
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  强度与耐久性：钛合金的优势所在
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  耐腐蚀性：两种不同的氧化层
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  热性能与增材制造打印行为
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  材料成本、粉末回用与交期
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  如何决策：下单前的五项检查

SLM 成形的 Ti-6Al-4V 抗拉强度约 1,000-1,200 MPa，屈服强度接近 900 MPa。热处理和热等静压可将延伸率恢复到约 10-14%。正因如此，钛合金零件在逐克审核的支架和铰链中替代了锻钢。

AlSi10Mg 打印后抗拉强度约 380-450 MPa，去应力后延伸率 6-9%。铸造 6061 更弱，约 300 MPa。铝的密度仅 2.67 g/cm³，钛为 4.43 g/cm³，因此弯曲工况下铝的单位重量刚度更优。

所以耐久性取决于零件受力方式。承受拉伸载荷的支架选钛合金。低应力弯曲载荷的板材选铝合金，还可加厚加强筋而不增加重量负担。

疲劳是隐性失效模式。未做 HIP 的铝增材零件疲劳极限约 60-90 MPa，表面粗糙度的影响大于合金选择。钛合金能容忍更尖锐的缺口，但低激光功率造成的气孔仍会导致失效。若零件承受超过 100 万次循环，两者都应做 HIP。

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  选钛合金高拉伸载荷、薄壁、高温工况
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  选铝合金弯曲刚度、大尺寸结构、成本敏感批量
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  关注疲劳表面处理和孔隙率对两种金属都起决定作用

钛合金暴露在空气中几毫秒内即形成稳定钝化膜。划伤后该膜会重新生成，因此钛合金能耐受海水、氯化物和大多数医疗清洗循环。在 3.5% 盐雾中，Ti-6Al-4V 数千小时后无可测腐蚀。

铝也会钝化，但其氧化层是两性的。在中性 pH 和干燥空气中表现良好，低于 pH 4 或高于 pH 9 时即破坏，在富氯环境中快速点蚀。阳极氧化可改善。Type III 硬质氧化增加 25-50 μm 氧化层，表面硬度提升至约 400-500 HV。

电偶腐蚀是混合装配的陷阱。钛在电偶序中电位高，与铝紧固件和嵌件处于潮湿接头时会加速铝的腐蚀。铝与不锈钢接触较温和，但仍需绝缘垫圈。

海洋或医疗壳体，钛合金是更安全的选择。干燥室内壳体，阳极氧化铝通常足够，成本仅为前者的一小部分。

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  钛合金海水、氯化物、体液、反复灭菌
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  铝合金干燥室内使用，阳极氧化应对轻度潮湿
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  避免潮湿工况下裸铝与钛直接螺栓连接

钛合金熔点约 1,650 °C，在约 400 °C 以下保持有效强度。铝熔点 570-660 °C，超过 150 °C 即开始失强。若零件靠近排气歧管或电机绕组，这一差距先于其他因素决定选材。

两种金属都需要惰性气氛，但容差不同。钛在约 400 °C 以上吸氧吸氮，形成硬质 α 层，受载时开裂。打印机使用氩气，氧含量控制在 100 ppm 以下，粉末需谨慎回用。铝更宽容，氧含量低于 1,000 ppm 是常见做法。

导热性则相反。铝导热约 150-180 W/m·K，钛仅 7 W/m·K。散热器、冷板和电机壳体应选铝。需要将热量保持在某一区域时，钛是更好的隔热材料。

打印准备也不同。钛需要坚固支撑，因为残余应力会使薄壁变形，去支撑常需带锯加线切割。铝支撑可手工掰断。仅此一项差异就可能让钛打印多花数天。

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  钛合金高温部位、低导热、严格氧控
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  铝合金散热器、中等温度、支撑易去除
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  设计规则钛合金壁厚保持在 0.8 mm 以上以限制变形

Ti-6Al-4V 粉末每公斤成本是 AlSi10Mg 的数倍，计入机时后差距更大。钛打印速度更慢、需要更多支撑，且昂贵粉末只能有限次回用，吸氧超标后即报废。

铝粉更便宜且更易回收，单件有效材料成本低。因此大批量支架、壳体和低应力工装默认选铝，尤其是 10,000 件级别的批量。

供应情况同样重要。6061、7075、6082 等铝合金牌号的棒料和板材几乎各地都有现货，这意味着机加工版本往往一个电话就能安排。钛合金库存较少，交期取决于钢厂供应。

一个实用要点：如果几何形状简单，对这两种金属而言，CNC 加工在成本和表面处理上通常都优于打印。当零件有刀具无法触及的内部流道、点阵芯部或有机加强筋时，打印才占优势。

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  粉末成本钛合金比铝合金高出数倍
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  复用限制钛合金因吸氧劣化更快
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  经验法则几何简单就机加工，几何复杂就打印

先看载荷和温度。如果零件服役时承受约 500 MPa 以上载荷或运行温度高于 200 °C，钛合金是现实选择。低于此值，铝合金通常就能满足，且成本更低。

再看环境。氯化物、体液和反复蒸汽灭菌会把你推向钛合金。干燥空气和受控室内湿度下，阳极氧化铝即可胜任。

然后看几何。内部冷却流道、随形通道和点阵芯部适合用任一金属打印。带简单型腔的厚实块体适合 CNC，公差可达 ±0.005 mm，表面处理可达 Ra 0.2-0.8 μm，无需额外工序。

最后权衡重量和体积。2.67 g/cm³ 的密度让铝件可以加大截面而不增加重量代价，这常使它们比薄壁钛合金设计更刚。只有当截面厚度受包络限制时，钛合金才占优。

按顺序做完这五项检查，材料选择通常自然明朗。若两项检查冲突，温度和腐蚀永远优先于成本。

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  载荷高于 500 MPa 或 200 °C，选钛合金
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  环境盐、体液或灭菌，选钛合金
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  几何内部流道适合两种金属打印
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  成本除非上述检查迫使选钛合金，否则铝合金胜出