Введение в выбор материалов для SLM
Технология селективного лазерного плавления (SLM) позволяет создавать высокоточные металлические детали для аэрокосмоса, оборонной промышленности, медицины и других высокотехнологичных отраслей. Титановый сплав Ti6Al4V и нержавеющая сталь 316L — два наиболее популярных материала для SLM благодаря их прочности, коррозионной стойкости и универсальности. Выбор между ними зависит от требований к эксплуатации деталей. Данная статья сравнивает Ti6Al4V и 316L по их свойствам, устойчивости к внешним факторам и биосовместимости, чтобы помочь инженерам и разработчикам выбрать оптимальный материал для конкретных задач.
Технические характеристики материалов
Плотность и механические свойства
- Ti6Al4V: Плотность составляет 4,43 г/см³, что делает его на 44% легче нержавеющей стали. Предел прочности на разрыв достигает 900–1000 МПа, модуль упругости — около 110 ГПа, что близко к костной ткани (10–30 ГПа). Удлинение при разрыве — 10–14%, что указывает на умеренную пластичность.
- Преимущество: Легкость и высокая прочность делают Ti6Al4V идеальным для деталей, где важна минимизация веса при сохранении прочности, например, в аэрокосмических кронштейнах.
- 316L: Плотность — 7,98 г/см³, предел прочности на разрыв — 520–680 МПа, модуль упругости — 190 ГПа, удлинение при разрыве — 40–50%, что обеспечивает высокую пластичность.
- Преимущество: Высокая пластичность и устойчивость к ударным нагрузкам подходят для деталей, требующих деформации без разрушения, например, механических зажимов.
Химический состав
- Ti6Al4V: Содержит Ti (титан) 86,45-90,9%; Fe (железо) до 0,6%; C (углерод) до 0,1%; Si (кремний) до 0,1%; V (ванадий) 3,5-5,3%; N (азот) до 0,05%; Al (алюминий) 5,3-6,8%; Zr (цирконий) до 0,3%; O (кислород) до 0,2%; H (водород) до 0,015%. Алюминий повышает прочность, а ванадий стабилизирует структуру, улучшая коррозионную стойкость.
316L: Содержит Fe – 66%; Cr – 16%; Ni – 12%; С – 0,03%; Ni – 12%; Mn – 2%; Mo – 3%; Примеси: 0,92%, что обеспечивает коррозионную стойкость в слабокислых средах. Низкое содержание углерода (≤0,03%) минимизирует риск межкристаллитной коррозии.
Устойчивость к внешним факторам
Коррозионная стойкость
- Ti6Al4V: Образует плотную оксидную пленку (TiO₂), обеспечивающую исключительную устойчивость к коррозии в агрессивных средах, включая морскую воду (скорость коррозии 0,001 мм/год в 3,5%-ном растворе NaCl) и сильные кислоты (например, серная кислота). Это делает Ti6Al4V предпочтительным для морских и химических приложений, таких как корпуса подводных роботов Leyens.
- 316L: Хромированная оксидная пленка защищает от коррозии в слабокислых и нейтральных средах (например, влажный воздух, слабые щелочи), но в сильных кислотах (соляная) или высокосолевых средах (морская вода) коррозия достигает 0,1–0,5 мм/год. Подходит для пищевого оборудования и деталей в сухих условиях.
Термостойкость
- Ti6Al4V: Сохраняет прочность до 300 °C, но выше 600 °C теряет механические свойства из-за фазовых изменений. Низкая теплопроводность (6,7 Вт/м·К) делает его подходящим для изоляционных компонентов, таких как тепловые экраны двигателей.
- 316L: Устойчива до 430°C. Высокая теплопроводность (16 Вт/м·К) и стабильность делают её предпочтительной для высокотемпературных деталей, таких как компоненты печей.
Устойчивость к окружающей среде
- Ti6Al4V: Устойчиво к атмосферной коррозии и ультрафиолетовому излучению, не теряет свойств в условиях высоких перепадов температур (–50 °C до +300 °C). Подходит для наружных деталей в экстремальных климатах, например, спутниковых антенн.
- 316L: Хорошо выдерживает умеренные климатические условия, но в прибрежных зонах с высокой влажностью и соленостью подвержена точечной коррозии. Рекомендуется для внутренних конструкций или защищенных сред.
Биосовместимость
- Ti6Al4V: Высокая биосовместимость благодаря инертности и близкому к костной ткани модулю упругости (110 ГПа против 10–30 ГПа для кости), что минимизирует «стресс-шилдинг» (потерю костной массы из-за неравномерного распределения нагрузки). Широко используется для 3D-печатных имплантатов (например, тазобедренных суставов), сокращая время восстановления на 30%.
- 316L: Умеренная биосовместимость, применяется в медицинских инструментах и временных имплантатах (винты, пластины). Однако высокое содержание никеля (10–14%) может вызывать аллергические реакции у 10–15% пациентов, а модуль упругости (190 ГПа) менее близок к кости.
Технологические аспекты SLM-печати
- Ti6Al4V: Требует строгого контроля среды (аргон, содержание кислорода ≤0,01%) для предотвращения окисления, которое делает материал хрупким.
- 316L: Менее требовательна, печать возможна в азотной среде, лазер 300-1000 Вт, толщина слоя 50–100 мкм, что повышает производительность. Постобработка включает полировку для зеркальной поверхности.
Сравнение затрат
- Ti6Al4V: Порошок стоит 20 000 – 45 000 руб/кг. Высокая мощность лазера и сложная постобработка увеличивают затраты на 30–50% по сравнению с 316L.
- 316L: Порошок стоит 2 000 – 9 000 руб/кг в зависимости от производителя, а простая постобработка (шлифовка, полировка) снижает общие затраты вдвое. Подходит для массового производства.
- Пример: Для детали весом 1 кг материал Ti6Al4V обходится в 7-10 раз дороже, чем 316L, но в аэрокосмосе легкость окупает затраты за счет экономии топлива.
Рекомендации по выбору материала
Когда выбрать Ti6Al4V
- Легкие и высокопрочные детали: Аэрокосмические компоненты (кронштейны, турбинные лопатки), где снижение веса на 40% сокращает энергозатраты. Например, титановый кронштейн для самолета снижает массу детали на 45% по сравнению со стальным.
- Медицинские имплантаты: Индивидуальные протезы (тазобедренные суставы, черепные пластины) благодаря биосовместимости и низкому модулю упругости.
- Агрессивные среды: Морские и химические компоненты, выдерживающие коррозию в морской воде 10+ лет.
Когда выбрать 316L
- Массовое производство: Стандартные детали (шестерни, зажимы, фитинги), где низкая стоимость обеспечивает экономию.
- Умеренные среды: Пищевое оборудование и инструменты в сухих или слабокислых условиях, где коррозия минимальна.
Практическое руководство
| Критерий | Ti6Al4V | 316L |
| Легкость | ✅ Легкие детали (аэрокосмос) | ❌ Тяжелые детали |
| Стоимость | ❌ Высокая, для специальных задач | ✅ Низкая, для массового производства |
| Коррозионная стойкость | ✅ Морская вода, сильные кислоты | ✅ Слабокислые, нейтральные среды |
| Термостойкость | ✅ До 300 °C | ✅ До 430 °C |
| Биосовместимость | ✅ Имплантаты, протезы | ✅ Инструменты, временные имплантаты |
Заключение
Выбор между Ti6Al4V и 316L для SLM-печати зависит от требований проекта. Ti6Al4V оптимален для легких, коррозионно-стойких и биосовместимых деталей в аэрокосмосе и медицине, несмотря на высокую стоимость. 316L предпочтительна для массового производства, высокотемпературных и экономичных деталей в умеренных средах. Для подтверждения выбора рекомендуется проводить тестовую печать образцов, чтобы оценить производительность и затраты.
Примечание:
В статье использованы фотографии, предоставленные СПИН, если не указано другое. Деталь на главной фотографии напечатана на 3D-принтере AM.TECH AMT-16.
