在增材制造领域，金属材料凭借其卓越的性能成为高要求应用场景的首选，尤其适用于对机械强度和功能特性有严格标准的领域。本文聚焦3D打印中最常用的两种金属钛与铝，系统解析其生产流程、材料特性、工艺适配性及后处理技术，旨在为高精度制造提供选材参考。
一、钛与铝的生产工艺及核心特性
1. 钛的生产与特性
钛在自然界中不以单质形式存在，需从金红石（TiO₂）或钛铁矿（FeTiO₃）等矿物中提取。纯钛的制备涉及多步复杂工艺，其中最主流的方法为1940年由美国化学家威廉·J·克罗尔开发的Kroll法：通过氯气（Cl₂）还原二氧化钛生成四氯化钛（TiCl₄），再经镁（Mg）还原得到纯钛。尽管Kroll法能有效生产纯钛，但其能耗高、成本高昂，且钛的高反应性导致纯度达99.9%的样品即被定义为商业纯钛。因此，钛通常以合金形式应用。
钛的典型特性包括：高机械强度、低密度、优异耐腐蚀性及高刚性。其中，纯钛因生物相容性突出，在医疗领域（如植入物）中广泛应用；合金钛则通过调整成分，进一步优化其综合性能。
2. 铝的生产与特性
铝以轻质与强度的平衡著称，除耐腐蚀外，还具备良好的焊接性能。纯铝需通过两步法提取：首先用Bayer法从铝土矿中制取氧化铝（矿石经破碎、烧碱溶解、过滤得到氢氧化铝，再加热生成氧化铝粉末）；随后通过Hall-Heroult工艺对氧化铝进行电解还原，获得纯铝。实际应用中，铝合金比纯铝更常见，通过添加硅、镁等元素，可显著提升其物理与机械性能。
铝合金的核心优势包括：高强度重量比、抗疲劳性能、耐腐蚀性、可回收性、导热/导电性及低毒性，使其成为工业领域的多功能材料。
二、钛与铝的关键差异解析
1. 力学与热性能对比
钛以高强度和刚性见长，适用于需承受极端应力或高温环境的场景（如医疗部件、卫星结构件），其熔点达1600°C，在高温应用中表现优异。铝则以轻量化与经济性取胜，尽管强度低于钛，但密度更低、成本更亲民，且导热性能突出，适合需要高效热管理的场景（如散热组件）。
2. 生物相容性与耐腐蚀性
钛的生物相容性显著优于铝，这是其成为医疗领域首选材料的关键原因。两者均具备优异耐腐蚀性，但钛在极端环境下的稳定性更胜一筹。
三、材料形式与3D打印技术适配性
钛与铝在3D打印中主要以粉末形式应用，也可通过特殊工艺（如Virtual Foundry或Nanoe提供的线材）实现丝材打印。金属粉末的制备主要通过两种技术：
- 等离子雾化：利用高温等离子体（电离气体）在惰性介质（如氩气）中高速破碎熔融金属，生成耐磨性优异的球形粉末；
- 气体雾化：通过空气、氩气或氦气破碎熔融金属流，广泛用于生产细小球形粉末，效率高且成本可控。
适配的3D打印技术
- 钛：常用工艺包括激光粉末床熔化（L-PBF）、定向能量沉积（DED）及粘合剂喷射（BJ）。其中，L-PBF需应对钛的高熔点（1600°C），需精确控制热效应；DED通过喷嘴沉积并熔化材料（粉末或线材），生产速度更快、单位成本更低。
- 铝：除上述技术外，还可采用冷喷涂工艺。冷喷涂通过高速喷射金属粉末（无需熔化）实现沉积，避免热变形且无需保护气氛，尤其适合对热敏感的铝材加工。
工艺特性差异
- L-PBF中，铝的高反射率和导热性需特殊参数调整；其表面自然形成的氧化层可能影响打印质量。
- BJ工艺中，金属粉末通过粘合剂粘附成型，打印后需经烧结或热处理以提升机械性能，但初始部件多孔且脆弱。
四、后处理技术：通用流程与优化目标
钛与铝的后处理步骤基本一致，核心目标包括提升表面质量、调整机械性能及满足功能需求：
1. 喷丸处理
通过喷射小金属或陶瓷珠，使零件表面产生受控变形，提高涂层附着力并降低裂纹风险。该工艺可改善零件外观、去除污垢/腐蚀，并为后续涂层制备表面。
2. CNC加工
尤其适用于DED工艺生产的粗糙表面部件。通过机械加工可实现严格公差控制及高表面光洁度，是间接3D打印工艺（如FDM或粉末粘合）的关键后处理步骤。
3. 退火处理
将部件加热至高温后快速冷却，以优化材料微观结构，提升铝制零件的延展性及综合机械性能。
4. 烧结与脱脂
针对间接工艺（如粉末粘合），打印后需通过脱脂去除聚合物粘合剂，再经烧结炉加热至熔点以下温度，压缩空腔以降低孔隙率，最终获得致密部件。
综上，钛与铝在3D打印中各有优势：钛以高强度和耐高温性适用于极端环境，铝则以轻量化和经济性成为通用型材料。通过适配的打印技术与后处理流程，两者可满足从航空航天到医疗领域的多元化需求。