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漲知識!3D打印用的金屬粉末原來是這樣生產出來的

行業資訊 | 2019-10-22 134

金屬粉末在3D打印中是非常重要的耗材,我們都知道,金屬通常是非常“堅硬”的固體,那怎么將其變成粉末呢?

現如今,提到3D打印想必大家已經不陌生了,我號之前也介紹過不少3D打印的應用,今天我們再來聊聊3D打印所用到的一種重要材料——金屬粉末。


01 鈦合金、鋁合金、不銹鋼,能用來3D打印的金屬粉末材料真不少。

3D 打印廣泛使用的打印耗材,從形態上主要包含四種:液態光敏樹脂材料、薄材、低熔點絲材和粉末材料;從成分上則幾乎涵蓋了目前生產生活中的各類材料,包括塑料、樹脂、蠟等高分子材料,金屬和合金材料,陶瓷材料等,而在這其中,最前沿和最具潛力的無疑是金屬粉末3D打印,根據咨詢公司SmarTech預測,到2024年全球用于金屬粉末增材制造的市場規模將達到110億美金。目前,3D打印金屬粉末材料種類包括不銹鋼、模具鋼、鎳合金、鈦合金、鈷鉻合金、鋁合金和青銅合金等。

 

(3D打印用金屬粉末)

鐵基合金是工程技術中最重要、用量最大的金屬材料,多用于復雜結構的成型,比如3D打印用不銹鋼,相比于傳統鑄造鍛造技術,其具有高強度、優異的耐高溫、耐磨性和耐蝕性等物理、化學和力學性能,且具有很高的尺寸精度和材料利用率,在航空航天、汽車、船舶、機械制造等行業得到廣泛的應用。
鈦合金具有優異的強度和韌性,結合耐腐蝕、低比重和生物相容性,使其在航空航天和汽車比賽中許多高性能工程應用非常理想,而且還用于生產生物醫學植入物,強度高、模量低、耐疲勞性強。

 

(3D打印的鈦合金零件)

鈷鉻合金則由于高耐磨性、良好的生物相容性、無鎳(鎳含量<0.1%)特點,常用于外科植入物如合金人工關節、膝關節和髖關節,也可用于發動機部件,風力渦輪機和許多其他工業部件等。
鋁合金是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料,其密度低,比強度較高,接近或超過優質鋼,塑性好。研究表明,3D打印用鋁合金可以做到零件致密、組織細小,力學性能則堪比鑄件甚至優于鑄造成型零件,且相較于傳統工藝零部件其質量可減少22%,成本卻可減少30%。
銅合金具有優異的導熱性和導電性,熱管理應用中的具優良熱傳導率的銅,可以結合設計自由度,產生復雜的內部結構和隨形冷卻通道。


02 3D打印用的金屬粉末是怎么制造出來的?
金屬粉末制備方法按照制備工藝主要可分為:還原法、電解法、研磨法、霧化法等。目前國內常用的兩種最先進制粉工藝是氬氣霧化法和等離子旋轉電極法。
1、氬氣霧化法
氬氣霧化法制粉是利用快速流動的氬氣流沖擊金屬液體,將其破碎為細小顆粒,繼而冷凝成為固體粉末的制粉方法。
2、等離子旋轉電極法


等離子態被稱為物質的第四態,等離子旋轉電極霧化(PREP法)制粉過程可簡單描述為:將金屬或合金制成自耗電極,自耗電極端部在同軸等離子體電弧加熱源的作用下熔化形成液膜,液膜在旋轉離心力的作用下被高速甩出形成液滴,熔融液滴與霧化室內惰性氣體(氬氣或氦氣)摩擦,在切應力作用下進一步破碎,隨后熔滴在表面張力的作用下快速冷卻凝固成球形粉末。

 

(等離子旋轉電極霧化法原理圖)

采用等離子旋轉電極法所生產的金屬粉末具有以下優點:
球形度較高、表面光潔、流動性好、松裝密度高,因此鋪粉均勻性好,打印產品致密度高;
粉末粒徑小、粒度分布窄、氧含量低、打印時少/無球化及團聚現象、熔化效果好、產品表面光潔度高,且打印的一致性與均勻性可以得到充分保障;
基本不存在空心粉、衛星粉,打印過程中不會存在空心球帶來的氣隙、卷入性和析出性氣孔、裂紋等缺陷。

03 3D打印對金屬粉末的性能都有哪些要求?
我們剛才提到了許多可用于3D打印的金屬粉末,那么,要滿足3D打印對材料的要求,金屬粉末需要滿足什么條件呢?

1、純凈度
陶瓷夾雜物會顯著降低最終制件的性能,而且這些夾雜物一般具有較高的熔點,難以燒結成形,因此粉末中必須無陶瓷夾雜物。
除此之外,氧、氮含量也需要嚴格控制。目前用于金屬3D打印的粉末制備技術主要以霧化法為主,粉末具有大的比表面積,容易氧化,在航空航天等特殊應用領域,客戶對此指標的要求更為嚴格,如高溫合金粉末氧含量為0.006%-0.018%,鈦合金粉末氧含量為0.007%-0.013%,不銹鋼粉末氧含量為0.010%-0.025%。

2、粉末粒度分布
不同3D打印設備及成形工藝對粉末粒度分布要求不同。目前金屬3D打印常用的粉末粒度范圍是15-53μm(細粉)、53-105μm(粗粉),部分場合下可放寬至105-150μm(粗粉)。
3D打印用金屬粉末粒度的選擇主要是根據不同能量源的金屬打印機劃分的,以激光作為能量源的打印機,因其聚焦光斑精細,較易熔化細粉,適合使用15-53μm的粉末作為耗材,粉末補給方式為逐層鋪粉;以電子束作為能量源的鋪粉型打印機,聚焦光斑略粗,更適于熔化粗粉,適合使用53-105μm的粗粉為主;對于同軸送粉型打印機,則可采用粒度為105-150μm的粉末作為耗材。


(某廠家生產的不銹鋼粉末的微觀結構)

3、粉末形貌
粉末形貌和粉末的制備方法密切相關。一般由金屬氣態或熔融液態轉變成粉末時,粉末顆粒形狀趨于球形,由固態狀變為粉末時,粉末顆粒多為不規則形狀,而由水溶液電解法制備的粉末多數呈樹枝狀。
一般而言,球形度越高,粉末顆粒的流動性也越好。3D打印金屬粉末要求球形度在98%以上,這樣打印時鋪粉及送粉更容易進行。

 

(常見粉末制備方法及粉末形貌)

上面的表格為不同制粉方法對應的金屬粉末形貌,可以看出,除氣霧化法和旋轉電極法外,其余方法制備的粉末形貌均為非球形,因此,氣霧化法、旋轉電極法是高品質3D打印金屬粉末的主要制備方法。

4、粉末流動性和松裝密度
粉末流動性直接影響打印過程中鋪粉的均勻性和送粉過程的穩定性。
流動性與粉末形貌、粒度分布及松裝密度相關,粉末顆粒越大、顆粒形狀越規則、粒度組成中極細的粉末所占的比例越小,其流動性越好;顆粒密度不變,相對密度增加,粉末流動性則增加。另外,顆粒表面吸附水、氣體等會降低粉末流動性。
松裝密度是粉末試樣自然地充滿規定容器時,單位容積的粉末質量,一般情況下,粉末粒度越粗,松裝密度越大,粗細搭配的粉末能夠獲得更高的松裝密度,松裝密度對于金屬打印最終產品的密度影響尚無定論,但松裝密度增加,可改善粉末的流動性。

04  結語
近年來,中國積極探索3D打印金屬粉末制備技術,目前已擁有多套先進制粉設備投入應用,不過總體來說,國內外制粉技術仍有差距,目前高端的合金粉末和制造設備還主要依靠進口,在促進本土3D打印用金屬粉末制備技術的發展上,中國還有很長的路要走。

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