高端制造领域对异型构件的技术要求显著提升，传统钛合金铸造工艺受制于成型精度不足与能耗偏高的技术制约｡增材制造技术依托复杂构型加工能力与近终形制造特性，推动精密铸造技术体系实现结构性变革｡现阶段，以 SLM (选择性激光熔化) 为代表的工艺已实现钛合金模具制造应用，但在微观组织调控､工艺重复性控制等方面仍存在优化空间｡医用植入物等特定应用场景中，材料表面活性与机械强度参数的统筹考量亟待突破｡系统探索增材制造与传统铸造的工艺融合路径，对我国突破高端装备核心部件制造壁垒具有战略价值｡
1、3D 打印技术的概述
相较于传统减材制造技术，增材制造技术展现出独特的工艺优势｡该技术通过逐层堆积方式突破传统加工限制，实现复杂构件直接成型，同时显著提升材料利用率｡自 20 世纪 80 年代技术萌芽至今，已发展出光固化成型､熔融沉积､粉末烧结等工艺类型｡ABS 与 PC 是两种典型工程塑料：前者在常规打印设备中具有良好的加工性能，但需基板恒温控制以避免热收缩导致的层间变形；后者在机械强度和耐温性能方面更为优异，其热塑特性使成品件可直接满足工程装配标准，不过材料韧性相对较弱｡三维成型技术基于逐层叠加原理构建物体｡设备喷头根据预设程序轨迹，在基板上分层沉积特定材料形成三维结构｡该技术按原料类型可分为塑料基､金属基和陶瓷基成型等类别｡航空航天领域已采用该工艺生产轻质高性能部件，例如，美国航天机构利用高强度镍基合金制造的液氢燃料容器，已应用于月球探测计划，其结构兼具强度优势与耐蚀特性｡在航空装备领域，增材制造技术已成功应用于飞行器关键部件的工业化生产｡某宽体客机采用新型合金增材制造工艺生产的承力部件，较传统工艺实现显著减重，有效提升整机燃油经济性｡医疗健康方面，3D 打印技术为个性化诊疗提供支持，科研机构基于生物材料构建的仿真器官模型已在药物测试中展现出高临床适配性｡汽车制造领域，国际厂商通过分层增材技术开发的轻量化轮毂组件实现突破性减重；采用新型合金制造的进气系统显著优化了动力性能｡当前该技术已拓展至精密仪器研发与工程教育领域，应用普及率位居行业前列｡
2、钛及钛合金材料特性
2.1 钛及钛合金的物理性能
钛合金凭借其独特的物理与化学特性，成为现代工业领域不可或缺的关键材料｡该材料的密度显著低于钢材及铝合金，因而被广泛应用于航空航天装备制造和生物医疗植入体等领域｡钛合金不仅具备高熔点特性，还拥有优异的热稳定性，可在高温工况下长期维持稳定的组织结构｡其弹性模量处于理想区间，既能有效抵抗塑性变形，又能避免脆性断裂风险｡在极端机械载荷条件下，钛合金仍能保持卓越的强度性能，材料表面自发形成的致密氧化钛保护膜，可有效阻隔海水介质及氯离子的渗透侵蚀｡相较于常规金属材料，钛合金相对较低的导热系数使其在热防护系统设计中展现出独特的技术优势｡
钛合金在医疗器械植入体及精密电子器件制造领域应用广泛，其无磁性特征能有效避免磁场干扰｡该材料在反复受力环境下仍具有良好的抗疲劳性能与抗蠕变特性，这种特性使其在长期服役过程中能维持稳定的机械性能｡兼具高强度与轻量化特质，同时具备优异的耐腐蚀和高温耐受性，特别适合在极端工况条件下使用｡该材料加工过程需使用特制刀具，配合高速切削或特种加工工艺才能完成精密成型｡当前焊接技术对设备专业性要求较高，制约了大规模工业化应用｡在航空航天等前沿科技领域，钛合金凭借其独特性能保持着重要地位｡
2.2 钛及钛合金的化学性能
钛金属在海水与含氯介质等严苛腐蚀环境下具有显著耐蚀特性，其表面形成的致密钝化膜可阻隔腐蚀介质渗透｡调控铬 - 钼合金元素的协同配比能有效提升材料耐蚀性能｡实验发现当温度 > 300 ℃时，材料发生氧化反应导致强度降低｡表面改性技术可增强钛合金高温环境下的抗氧化能力｡工程防护主要采用两种方式：通过表面涂层防护或添加铬铝等活性元素形成致密氧化膜，以阻断氧化链式反应｡该材料因优异生物相容性可实现与人体组织稳定结合，成为骨科植入体和牙科修复体的核心制备材料｡其化学稳定性优势保障了复杂工况下的可靠性，推动在精密装备及科研仪器制造领域的深度应用｡
3 3D 打印技术在钛及钛合金精密铸造工艺中的应用标准
在钛及钛合金精密铸造中，3D 打印技术的应用需遵循多项国际及行业标准以确保工艺可靠性和产品质量｡
《钛及钛合金铸件标准规范》(ASTM B36722) 明确规定了 C-2 至 C-38 等级钛合金铸件的化学成分､力学性能及耐腐蚀性要求，为 3D 打印铸件的材料选择及性能验证提供基准｡
针对增材制造粉末材料，《3D 打印用金属粉末规范》(ASTM F3049-14) 对钛合金粉末的粒度分布､氧含量､流动性等关键参数提出技术指标，要求粉末氧增量不超过母合金的 0.005%~0.015%, 以控制打印过程中的氧化风险｡
此外，《增材制造 资格原则 工业增材制造工艺和生产场地的要求》(ISO/ASTM 52920:2023) 系统规定了从建模､打印参数优化到后处理的全流程工艺验证方法，特别强调通过热等静压 (HIP) 消除内部缺陷并提升铸件致密度｡这些标准共同构建了涵盖材料､工艺及成品的标准化体系，为航空航天､医疗植入等领域的高精度钛铸件生产提供了技术支撑｡
4、3D 打印技术在钛及钛合金精密铸造工艺中的现状
4.1 3D 打印技术在钛及钛合金精密铸造工艺中的应用前景
钛合金精密铸造技术正成为先进制造领域的重要发展方向｡通过优化构件拓扑设计，工业界已显著提升制件的综合力学性能指标｡以航空装备制造为例，新型轻质构件的工程化应用使飞行器质量系数降低 12%~15%, 直接推动燃油效率与有效载荷的同步优化｡在汽车工业中，基于增材制造工艺的定制化生产模式，使底盘系统关键承力结构的抗疲劳性能提升至传统工艺的 1.8 倍｡该技术体系为钛基材料开发提供了创新解决方案，通过工艺参数的系统性优化，实现材料力学性能和抗腐蚀特性的定向调控，其应用边界已延伸至海洋工程等极端服役环境｡制造环节采用数字化余量补偿技术，在保证尺寸精度的同时将材料利用率提高至 92% 以上｡
4.2 3D 打印技术在钛及钛合金精密铸造工艺中面临的挑战
相比传统铸造工艺，增材制造技术因设备与耗材成本较高，在成本敏感领域的规模化应用面临经济性约束｡当前适配该技术的钛基合金粉末与线材种类虽逐步增加，但相比铸造合金体系仍相对有限，制约着特殊工况下的产业化应用｡现有材料体系在高温稳定性与耐蚀性等关键指标上存在技术瓶颈｡增材制造技术虽具有结构设计优势，但其成型精度较传统铸造存在技术代差，可能影响核心部件的服役性能｡该技术的后处理工序参数体系尚需针对其工艺特点进行专项开发，以确保最终产品的性能稳定性｡
5、3D 打印技术在钛及钛合金精密铸造工艺中的应用
5.1 在模具制造中的应用
制造业技术升级进程中，3D 打印技术为模具制造领域带来突破性变革｡这项技术聚焦快速原型开发与定制模具生产领域，展现出突破性技术优势｡其逐层成型加工方式突破了传统工艺对复杂结构的限制，成功实现随形冷却系统等创新模具结构制造，显著提升设计自由度｡在精密铸造领域，3D 打印技术特别适用于钛合金模具制造｡激光烧结工艺显著缩短生产周期，助力企业快速制备带有内部检测结构的模具原型｡浇铸测试验证显示，该快速验证方法能有效提升模具设计的可靠性｡实际应用表明，新型复合材料模具较传统工艺可显著缩短产品验证周期｡面向特殊构件的定制化需求，3D 打印技术可精准制造具有生物相容性的复杂模具结构，满足钛合金铸造对模具性能的严苛标准｡特定复合材料的应用使铸造模具的尺寸精度实现跨越式提升，使用寿命亦得到显著延长｡该技术使材料损耗率大幅降低，同时通过模具按需制造有效减少库存积压｡基于智能拓扑优化算法的新型制造体系，正推动模具向多功能集成方向升级，助力制造企业实现技术迭代｡
5.2 在铸造过程中的应用
本技术聚焦金属构件增材成型与铸造模具开发两大核心领域｡采用逐层堆积工艺直接成型金属结构件，融合热处理及精密加工技术优化材料性能指标｡其技术优势在制造几何构型复杂且尺寸公差严苛的金属部件时尤为突出，已在航空航天领域实现钛合金承力构件的高效制备，并在生物医疗领域完成个性化骨植入体的精准加工｡针对砂型铸造模具制造，集成 3D 打印技术实现工艺创新：通过数字化建模系统直接生成复杂模腔结构，有效克服传统工艺中生产周期冗长､工序繁复及成本偏高的技术瓶颈｡技术优势包含以下核心突破：首先通过单步成型工艺替代多工序加工流程，使生产效率实现倍增效应；其次攻克了传统技术难以加工薄壁件､精密微孔道等复杂构件的行业难题；最后通过精简模具试制流程，实现综合成本精准管控｡在精密微结构模具制造领域，其成型精度较传统工艺提升两个数量级｡
5.3 在铸件质量检测中的应用
在铸造过程中搭建多层次质量管控体系，重点完善工艺参数实时调节机制､缺陷成因分析方法及装备效能优化策略｡通过实时监测熔融金属温度分布变化并解析铸件内部应力状态，结合材料相变规律与模拟计算结果，动态调整浇铸工艺并优化凝固速度，显著降低缩孔､裂纹等缺陷发生率｡质量评估系统整合射线成像分析与声波衍射检测方法，前者可精确定位显微孔隙空间特征，后者有效识别近表面结构异常状态｡针对复杂结构件几何特性，配置自适应检测装置与智能路径规划系统，运用三维点云数据重建铸件实体结构模型，构建智能质量判定体系｡通过工业互联标准建立全流程追溯网络，基于工艺特征关联实现生产参数持续优化，形成包含前馈调节､过程监测与后处理强化的闭环管理系统，保障铸件几何精度稳定性｡
6、3D 打印技术在钛及钛合金精密铸造工艺中的应用策略
6.1 改进模型设计
钛合金精密铸造工艺优化需多维度技术协同｡结构设计方面，力学仿真与智能算法联合分析可识别主承力路径，拓扑优化技术可消除非必要材料堆积，在确保结构完整性基础上提升材料效能｡梯度壁厚设计借助参数化建模实现厚度平滑过渡，结合应力场分布进行材料梯度配置，在航空发动机叶片等复杂构件中达成轻量化目标｡冷却系统优化采用计算流体力学与相变热力学耦合分析，结合智能温控系统实现凝固过程精准调控｡集成自适应调控的智能铸造系统实时监测熔体流动与温度梯度，动态调整工艺参数组合，有效提升微观组织均匀性并降低残余应力｡
6.2 优选打印材料
钛及钛合金精密铸造工艺质量控制的核心在于打印材料的合理选型｡实际工艺实施中，应基于铸件服役条件选择力学性能突出且高温环境稳定的成型材料，优先采用特定牌号合金｡材料改性可通过镍､钼､铌等微量元素的精准添加实现性能提升｡在确保工艺规范达标的基础上，建议优选经济性打印耗材，实现降本增效目标，强化企业市场竞争优势｡
6.3 调整参数配置
在模型加工过程中，需结合模型复杂度调节打印速率｡速率过高易引发内部缺陷，过低则降低生产效率｡研究表明，Ti6Al4V 合金构件在 20 ~40 mm/s 速率区间可保障成型质量与加工效率平衡｡同步需依据材料属性及厚度调控温度，温度过高易造成形变或熔融，不足则影响成型效果与效率｡科学规划悬空部位的承重构造，是保障模型整体稳固的关键｡这一举措能有效节省原材料损耗，提升生产效率，助力企业实现可持续运营目标｡
7、结语
高端装备制造领域对异型构件的性能要求持续升级，传统钛合金铸造工艺在成型精度控制与能效管理方面明显不足｡增材制造技术凭借几何约束突破与近终形制造特性，驱动精密铸造体系发生技术重构｡现阶段，SLM (选择性激光熔化) 技术虽已实现钛合金模具成型应用，仍存在晶粒尺寸调控､工艺稳定性提升等技术完善空间｡医用植入物制造领域需重点解决材料界面特性与机械强度指标的协同优化问题｡探索增材成型与传统铸造的工艺耦合模式，对突破我国重大装备核心部件制造技术封锁具有工程实践价值｡
作者简介
王小龙 (1989-), 男，陕西宝鸡人，本科，助理工程师，研究方向为机械､材料；
党晨晨 (1994-), 男，陕西武功人，本科，助理工程师，研究方向为机械､材料｡
参考文献
[1] 乔书杰，孔春燕，李睿康。基于钛合金 (TC4) 材料的义齿逆向设计及 3D 打印技术分析 [J]. 科技与创新，2024 (9):52-54.
[2] 叶文辉，廖强，宋阳，等。基于 3D 打印技术的钛及钛合金精密铸造工艺 [J]. 有色金属加工，2022 (5):34-36,50.
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