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金属3D打印正以前所未有的速度革新制造业，将设计和工程师从传统的束缚中解放出来。从高性能航空航天部件到单个医疗设备，再到复杂轻量化的工业设备，精准的金属材料选择是解锁这些应用的关键。本文全面介绍了钛合金、铝合金、不锈钢、高温合金、工具钢和贵金属等顶级3D可打印金属，以及它们的特性、适用工艺和主要应用领域，从而释放了金属增材制造的无限潜力。

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钛合金：轻量化、高强度之王

Ti6Al4V（5级和23级）及其他钛合金的详细介绍

Ti6Al4V

又称TC4钛合金，是典型的α+β钛合金。其化学成分主要为：钛（Ti）为基体，铝（Al）（6%）用于提高合金的强度和热稳定性，钒（V）（4%）用于提高塑性和耐腐蚀性。Ti6Al4V兼具强度、韧性、耐热、耐腐蚀、密度低等优点，是世界上应用最广泛的钛合金，占全球钛合金使用量的50%以上。简而言之，它比铝硬、比钢轻、比不锈钢耐腐蚀。

5级（Ti-6Al-4V）

5级（Ti-6Al-4V）是主力牌号，也是应用最广泛的主力钛合金，因为它兼具抗拉强度（≥895 MPa）、屈服强度（≥830 MPa）和高延展性（伸长率≥10%）的最佳组合。低间隙原子含量的23级（Ti-6Al-4V ELI，超低间隙原子）在不降低强度（抗拉强度≥828 MPa）、断裂韧性和损伤容限的情况下，显著提高了强度。它特别适用于制造对可靠性、抗多轴应力或低温服务有严格要求的安全关键型承重结构部件，例如深海油井勘探立管、航空部件和关节假体。

钛合金家族除Grade 5、Grade 23系列外，还包含高强耐久性TC21（抗拉强度≥1100MPa）、耐高温TC11（可在500℃下使用）以及商用纯钛TA1/Ti Grade 2（具有良好的耐腐蚀性和成形性，广泛应用于化工和一般医疗领域），均严格控制Al、V、Ru及星际元素（O、N、C、Fe）的含量，以满足不同严苛服役环境对高强度、高韧性、高耐腐蚀性、良好焊接性和高生物相容性的要求。

特征

高强度重量比、高耐腐蚀性和良好的生物相容性。Ti -6Al-4V钛合金实现了机械性能、耐腐蚀性能和物理性能的理想平衡。

高强度重量比：尽管钛合金的密度仅为4.43 g/cm³，仅为钢的60%，但其比强度却与高强度合金钢相当，甚至更高。因此，在承受类似载荷的情况下，钛合金部件的重量可减轻40%以上。其屈服强度通常为800-880 MPa，即使在高应力下也能保持良好的延性变形，从而大大降低因脆性失效的可能性。

耐腐蚀性能好：在氢氟酸、醋酸、甲酸等腐蚀性介质中，其表面能附着一层极快的钝化氧化钛薄层，具有良好的耐腐蚀性能，可用于化学用途和水性环境中。

更高的生物相容性：钛合金，尤其是23级ELI钛合金，对人体组织无致敏性、无毒、无磁性。钛合金的弹性模量非常接近人体骨骼，可显著减少应力遮挡，从而实现更佳的骨整合。通过表面处理（例如氮化钛涂层），可进一步增强其耐磨性和生物活性，因此非常适合用于人工关节（髋关节和膝关节）、接骨板、接骨螺钉、牙种植体以及先进的颅颌面植入物。在全球首例“3D打印全颈椎体置换术”中使用的定制钛合金假体在该患者身上使用八年后，恢复了高标准的使用寿命，证明了其高水平的生物相容性和长期耐用性。

相关流程：钛合金在 3D 打印的情况下更加精确和高效，从而具有设计定制组件的潜力，例如SLM 、EBM 和 DED。

应用：由于其优异的性能，钛合金已成为一系列高性能应用的旗舰产品，从航空航天支架、发动机零件、医疗器械关节置换、颅颌面植入物、高性能赛车到运动器材。

不锈钢：耐腐蚀和工业应用的支柱

316L（耐腐蚀）、17-4PH/15-5PH（沉淀硬化）、304L、420等的详细描述。

316L不锈钢

316L 不锈钢是一种含钼不锈钢，与 304 不锈钢相比，它具有更佳的耐腐蚀性，因此是纸浆和造纸设备的理想材料。316 不锈钢还能耐受恶劣的工业和海洋环境。316L 不锈钢还能比 316 不锈钢更长时间地抵抗碳化物析出，因此适用于高温应用。作为 316 钢的低碳合金，316L 具有与 316 钢相同的属性，但具有增强的耐晶间腐蚀性。这是 316 钢应用的一项特殊要求，其中耐晶间腐蚀性是一项重要参数。在所有形式的不锈钢中，316L 和 17-4PH 通常被认为是 3D 打印的黄金组合。在所有这些形式的不锈钢中，316L 具有更好的耐腐蚀性和增强的生物相容性，在医疗应用中表现出色。

17-4PH / 15-5PH（沉淀硬化）

15-5不锈钢是一种用途广泛的马氏体不锈钢。它非常适合那些需要比其他马氏体不锈钢更优异的耐腐蚀性和横向性能的项目。根据具体项目，可以根据需要调整热处理温度，以达到所需的强度和硬度。

17-4PH 属于沉淀硬化型马氏体不锈钢系列，具有高硬度、高强度以及在高达 600°F（约 244°C）的温度下仍具有中等耐腐蚀性。它具有良好的加工性能，并且可以通过 900-1150°F（约 600-750°C）的单次退火进行时效硬化。该合金广泛应用于油田和石化加工设备、配件和五金件。

304L不锈钢

它是一种低碳含量的304合金钢。304L的碳含量低，可减少焊接过程中有害碳化物的析出。因此，304L无需退火即可在恶劣的腐蚀环境中进行焊接。该等级的机械性能略低于标准304等级，但由于其多功能性而得到广泛应用。与304不锈钢一样，它通常用于酿造和酿酒行业，但也可用于制造非食品工业产品，例如化学品储存容器、采矿和建筑。它非常适合用于制造暴露在海水中的金属部件，例如螺母和螺栓。

304L 因其成本竞争力而在原型制造等非应用用途中享有稳定的需求。420级钢是一种高碳马氏体不锈钢，铬含量至少为 12%。420 级钢和一般不锈钢一样，可以通过热处理从初始状态硬化。420 级钢在退火后具有相对的延展性，在抛光、表面磨削或淬火后具有极好的耐腐蚀性。420 级钢适用于任何类型的精密机器、轴承型用途、电气设备、仪器、仪表、车辆运输、厨房用具、食品服务和不锈钢医疗器械。

特性：极高的耐腐蚀性、优异的机械性能或可热处理至高强度，且成本相对较低。

应用工艺：由于其强度高、耐腐蚀、可热处理至高强度以及与 SLM、DED 和粘合剂喷射等大规模流行金属 3D 工艺的兼容性，不锈钢是众所周知的3D 打印金属材料。

应用：化工、食品、海洋工业管道阀门、医疗设备、工具或模具件、建筑五金和一般功能件。

高温合金：极端环境的守护者

广泛概述镍基和钴基合金，例如 Inconel 718、Inconel 625、Hastelloy X 和 Haynes 282。

因科镍合金 718

它是一种高性能镍合金，主要用于腐蚀和高温环境。它具有高强度、耐高温、耐腐蚀以及极佳的焊接性和机械加工性。其化学成分中镍、铬、铁和其他合金含量较高，具有极强的耐热性和抗氧化性。

因科镍合金 625

它是一种镍基合金，含有镍、铬、钼以及微量的钛和铝。它具有良好的耐腐蚀性和高温特性。由于其具有很强的抗腐蚀和抗氧化性能，因此足以在各种恶劣环境下使用。
Hastelloy X 是一种含铁量较高的钼铬高温合金，属于固溶强化合金。

哈氏合金 X

它具有抗氧化和腐蚀性能，即使在高温（例如低于 900°C）下以及在渗碳和氮化气氛以及中性和还原气氛中也具有高蠕变强度和韧性。

Haynes 282合金

它是一种先进的Y级强化高温合金，专为高温结构服务而开发，尤其适用于航空航天领域的地面发动机和涡轮发动机。与商用合金相比，它在焊接性、热稳定性、蠕变强度和可加工性方面实现了卓越的平衡。

特性：优异的高温强度、高抗氧化、抗蠕变和抗腐蚀性能。

适用工艺： SLM、EBM，尤其擅长DED

应用：航空发动机应用、热段燃气轮机部件（涡轮叶片、燃烧室）、火箭发动机部件、核电部件、高温炉。

工具钢和模具钢：耐磨耐用

详细介绍：H13（热作）、马氏体时效钢300/350（时效硬化）、18Ni300、M2（高速钢）、Toolox 33/44等。

H13

它是一种合金工具钢和高速加工钢，主要用于高温高压模具，例如热锻模具、铝合金铸造模具和热挤压模具。H13具有较高的热强度、红硬性和韧性以及优异的抗热疲劳性能，因此在高温下具有非常良好的性能。

特性：硬度大、耐磨性好、耐高温性好（热作钢）；热处理后强度极高（马氏体时效钢）。

马氏体时效钢 300/350（时效硬化）

时效硬化钢，又称马氏体时效钢 300/350，是一种高强度钢，由低碳或无碳马氏体基体组成，其硬度通过时效过程中金属间化合物的析出而获得。与传统高强度钢不同，马氏体时效硬化钢并非通过碳元素获得硬度，而是通过金属间化合物的析出和弥散获得硬度，因此在多个方面与传统钢材有所不同。其特点包括：强度高、韧性好、淬硬性低、成形性好、易于热处理、时效过程中无变形以及良好的焊接性。

18Ni300

它是马氏体时效300系列的合金，具有其独特的成分和特性。其主要优点是低温时效时变形最小，从而实现精密部件的尺寸稳定性；其冷加工硬化性较低，使其成为复杂冲压和成型的理想选择。其应用领域包括导弹壳体、高输出赛车连杆以及精密铸造压射模具。

M2（高速钢）

它是一种以钼为基础的高速工具钢，主要成分为碳、钼、钨、铬和钒。该钢具有优异的耐磨性、抗冲击性和耐高温性（在600°C下仍能保持优异的韧性），可用于制造切削刀具、模具和高强度部件。该钢具有碳化物分布均匀、韧性好等特点，但容易过热，需要严格控制热处理参数。添加稀土元素铈，可使碳化物晶粒细化，减少合金偏析，并提高高温性能和加工性能。

Toolox 33/444

Toolox 33/44 是一款革命性的可热处理钢材，可在铣削过程中预硬化至 HRC 33（Toolox 33）和 HRC 44（Toolox 44），从而节省了热处理成本和周期时间。该钢材具有加工效率高、直接切削速度快、EDM 性能好和抛光性能佳等特点，可将抛光时间缩短三分之一，从而具有极高的加工效率。兼容的表面处理进一步优化了耐磨性。大尺寸产品常用于注塑模具、汽车冲压模具和机器人夹具，从而缩短了交货周期。

适用工艺： SLM、EBM，尤其擅长DED。

应用：注塑/压铸模具镶件，特别是带有共形冷却通道的镶件、冲压/成型模具、切削工具和耐磨部件。

贵金属和特种合金：满足独特需求

黄金、白银和铂金

它们是满足3D打印独特需求的贵金属。
珠宝：珠宝在标准室温和压力下必须具有化学惰性，并且能够抵御水和空气中主要成分的腐蚀。黄金的化学稳定性极佳。银呈银白色金属光泽，易于获取且价格低廉，已成为珠宝的首选。铂金，即白金，呈银白色金属光泽，延展性极佳，能够抵御强酸强碱的腐蚀，熔点极高。

特殊电子触点：在电子微触点中，金具有抗电弧腐蚀性能；银具有抑制电迁移性能；铂具有抗高温氧化性能。这些贵金属也被用于航空航天继电器触点和核磁共振成像仪中的铂超导连接器。

用于研究的生物医学设备：植入式传感器（金）、铂抗癌药物释放装置和抗菌银表面。

铜合金（纯铜、CuCrZr）

导电导热性能优异，可用于制造电机部件、散热器、热交换器和感应线圈。钴铬合金 (CoCrMo) 具有极佳的耐磨性和生物相容性，可用于制造牙科修复材料以及某些骨科植入物。

适用工艺： SLM（需要特殊参数）、BJ（贵重金属）和DED（铜）。

常见问题解答

1. 3D打印金属部件的强度是否与锻造部件相似？

是的。通过适当的后处理优化（例如热处理），可以使SLM或EBM等工艺生产的金属零件的强度和疲劳强度达到甚至超过传统锻造零件的水平。

2. 金属3D打印能完全取代传统制造（例如铸造和CNC ）吗？

目前还不行。它更适合复杂形状、短时间定制生产以及加工难度较高的合金。然而，使用传统方法批量生产普通零件成本更低、速度更快，而且两种工艺是互补的。

3.3D打印金属需要后处理吗？

是的，除极少数例外，所有金属3D打印部件都需要后处理。金属3D打印的常见工艺包括：去除支撑结构、消除应力、热处理、表面精加工（机加工、抛光、喷砂）以及热等静压（HIP）（旨在提高密度并消除孔隙）。

4.金属3D打印是否因为材料成本而成本更高？

它的成本通常比制造它的金属条或金属块高得多。它给金属3D打印的成本增加了不可忽略的一笔费用，但其整体性价比需要与其设计自由度和节省材料的作用结合起来评估。

概括

金属3D打印材料库持续呈指数级增长，涵盖了从传统的钛合金、铝合金、不锈钢和高温合金，到稀有工具钢、贵金属以及铜合金等各种材料。每种材料都以其独特的组合，为特定的高科技应用提供了一系列特性，例如强度、轻量化、耐高温、耐腐蚀、导电性、热性能和生物相容性。突破性技术能够高效地将这些材料加工成传统工艺无法实现的高度复杂的几何形状，从而改变设计、制作原型，并制造出高性能组件。

当您需要突破设计限制、追求轻量化、缩短交付周期或加工难切削材料时，金属 3D 打印和材料选择将为您提供强大的解决方案。深入了解材料特性和应用，是解锁这项颠覆性创新和差异化技术的关键。选择合适的金属，将开启无限的增材制造能力！

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