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ALD 技术加持，Ti64 粉末实现高流动、高强度、抗氧化三重进阶！
作者：复纳科技
产品： Pandora, Prometheus, PROMETHEUS XL
关键词：ALD，原子层沉积，3D打印，金属粉末，Ti64
日期：2025-06-06
在当今增材制造领域，Ti-6Al-4V（即Ti64）合金因其卓越的高断裂韧性、耐腐蚀性以及生物相容性，成为最受欢迎的合金材料之一。它广泛应用于承载部件的制造，其打印部件的高强度性能至关重要。
然而，随着 Ti64 使用量的增加，如何降低其使用成本成为制造商们关注的焦点，其中一种方式便是回收利用已使用过的粉末。但氧化和其他打印过程中的降解现象限制了可回收使用的旧粉末比例，因为这些因素会导致粉末的流动性和密度等表面特性发生变化，进而影响打印部件的机械性能，增加产品出现缺陷、强度降低甚至失效的风险。
为了解决这一难题，材料公司 Elementum 3D 与表面改性专家 Forge Nano 展开合作，利用其 Atomic Armor™ 平台对 Ti64 粉末进行原子层沉积（ALD）改性，开发出一种超薄纳米涂层，提升 Ti64 粉末的重复使用性能和打印部件的力学表现。
01 Atomic Armor™平台：精准纳米级涂层技术
Forge Nano 的专利 Atomic Armor™ 是通过一种称为原子层沉积（ALD）的精密涂层方法制造的。ALD 工艺能够精确控制材料厚度，并且能够在纳米级别高度调节材料性能。
ALD 工艺被称为“自限制”工艺，意味着沉积反应总是完全进行，形成无缺陷、致密且化学键合的薄膜。它非常适合用于改善增材制造原料粉末，因为该工艺易于扩展，并且能够在不影响粉末主体性能的情况下，通过比颗粒尺寸小得多的涂层来提升原材料的性能，确保仅影响粉末表面。
原子层沉积技术（ALD）原理图示
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02 改性效果显著：粉末性能全面提升
研究结果显示，经过 Atomic Armor™ 处理的Ti64 粉末，在流动性和密度等方面表现出显著改善。具体而言，仅包覆不到 10 纳米的 Al₂O₃ 涂层，Ti64 粉末的霍尔流动时间就提高了 17%，这意味着粉末在激光床中的铺展性更好，能够形成更均匀的粉末床，从而减少最终打印产品中出现缺陷的可能性，避免因不均匀性导致的机械性能差异和潜在弱点。
此外，Ti64 粉末的密度略有增加，从 2.52 g/cc 提升至 2.60 g/cc，这表明 Atomic Armor™ 并未大幅改变粉末的主体性质。
未包覆涂层的Ti64与通过 Atomic Armor™ 技术包覆涂层的Ti64的霍尔流动时间对比
未包覆涂层的Ti64与通过 Atomic Armor™ 技术包覆涂层的Ti64的密度对比
03 有效抑制氧化，延长粉末使用寿命
更重要的是，Atomic Armor™ 的致密无缺陷特性还起到了屏障作用，有效阻止了粉末进一步吸收氧气。在一项初步的氧化实验中，Ti64 粉末在450°C 的空气中暴露 118 小时后，未出现因氧化导致的颜色变化，而未涂层的粉末在仅暴露 20 小时后就完全氧化，呈现出黑色。
这表明，经过 Atomic Armor™ 涂层处理的 Ti64 粉末在恶劣环境下不会发生严重的氧气吸收，使得其能够更轻松地在粉末床中重复使用，减少了每次打印周期所需的全新 Ti64 粉末量，提高了 Ti64 粉末的使用效率。
未包覆涂层（左）和包覆Al₂O₃涂层的Ti64粉末（右）在 450°C 空气中暴露后的对比。每个试管中的体积是任意的，与ALD和氧化过程无关。
04 成品性能更强，打印件质量更优
为了进一步评估粉末包覆对打印成品性能的影响，研究团队打印了立方体样品和拉伸试样，并进行了一系列物理与力学性能测试。
在立方体样品中，与未涂层的 Ti64 相比，涂层 Ti64 在大多数打印方向上的表面粗糙度都有所降低，仅在打印头倾斜 45 度时略有增加。表面粗糙度的降低可能是由于流动性的增强，使得粉末床更加均匀。表面粗糙度的改善可能会减少后处理步骤的数量，并降低 Ti64 材料的浪费量。
表1. 未包覆涂层和通过Atomic Armor™技术包覆涂层的Ti64制造的立方体样品在不同打印头方向下的表面粗糙度对比。
此外，硬度从 35.4±1.1 提高到 36.6±1.0，所有样品的微观结构均匀，电导率一致，且均存在α(α’)+β 相。经过 Atomic Armor™ 处理的 Ti64 原料始终能够制造出表面性能相似或更好的打印部件，而不会改变原料的主体功能。
以上数据表明，使用Forge Nano的Atomic Armor™，材料供应商可以提供一种更一致、更耐用且更易于处理的原料，同时保留传统粉末的所有材料优势。
在拉伸性能方面，Atomic Armor™ 处理的试样在“打印态”和“HIP态”（热等静压处理）下均表现出明显增强的强度性能。屈服强度和极限抗拉强度分别提升约 7%，同时保持了相似的模量。这为航空、医疗等对强度要求极高的场景提供了坚实保障。虽然延伸率和断面收缩率略有下降，但整体变化幅度在可接受范围内。
表2. 未包覆涂层与通过Atomic Armor™技术包覆涂层的拉伸试样的机械性能对比。拉伸试样分别进行了未经处理和热等静压（HIP）处理。
05 可持续制造：从“一次性”到“高效再用”
Ti64粉末价格高昂，其回收再利用能力直接影响生产成本。传统回收方式由于氧化和性能劣化限制了旧粉的使用比例。而 Atomic Armor™ 技术的应用，不仅保护了粉末不被氧化，还提升了粉末的流动性、成品强度和表面质量，显著增强了粉末的可重复使用性。
这项技术为增材制造领域带来了更可持续的材料管理模式，实现了“更少的浪费、更强的性能、更高的经济性”。
06 纳米涂层，大有作为
Forge Nano 的 Atomic Armor™ 是一项看似微小，却能带来巨大改变的技术。通过仅几纳米厚的ALD 涂层，就能显著提升 Ti64 粉末的综合性能，增强其在 3D 打印中的表现，推动高性能金属粉末向“高重复利用率、低碳制造”的方向发展。未来，Forge Nano还将进一步挖掘 ALD 涂层在金属粉末领域的更多潜力。
了解更多原子层沉积技术以及 Forge Nano 产品详情、应用案例与代包覆服务，欢迎咨询我们：400 857 8882
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