中國(guó)粉體網(wǎng)訊  球形金屬粉末是金屬3D打印的核心材料, 是3D打印產(chǎn)業(yè)鏈中最重要的環(huán)節(jié), 與3D打印技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。在“2013世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)”中, 權(quán)威專家對(duì)3D打印金屬粉末的性能要求給出了清晰的定義, 即尺寸小于1 mm的金屬粉末, 此外, 還要求金屬滿足純度高、球形度好、粒徑分布窄、含氧量低、流動(dòng)性好等要求。2014年6月頒布的ASTM F3049-14標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了3D打印金屬粉性能的范圍和表征方法。目前, 3D打印用金屬粉末材料主要集中在鐵、鈦、鈷、銅、鎳等金屬及其合金方面。

隨著金屬3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展, 球形金屬粉末的市場(chǎng)將保持高增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。2016年3D打印金屬粉的市場(chǎng)規(guī)模約為2.5億美元, 據(jù)IDTechEx表示, 到2025年, 3D打印金屬粉末的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到50億美元。但目前3D打印用球形金屬粉主要由國(guó)外廠家壟斷, 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的球形粉末存在性能不穩(wěn)定、成本高、收得率低等問(wèn)題。因此, 研究3D打印金屬粉末的制備尤為重要, 本文對(duì)3D打印用金屬粉末的主要制備工藝的基本原理進(jìn)行了闡述, 并分析了其優(yōu)缺點(diǎn), 目的是進(jìn)一步提高3D打印用金屬粉末的制備技術(shù)水平, 促進(jìn)3D打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

1 3D打印用金屬粉末制備工藝現(xiàn)狀

目前針對(duì)3D打印用金屬粉末的制備方法主要有霧化法、旋轉(zhuǎn)電極法、球化法等。

1.1 霧化法

霧化法制取的粉末已占當(dāng)今世界金屬3D打印粉末的80%以上, 其原理是以快速運(yùn)動(dòng)的流體 (霧化介質(zhì)) 沖擊或以其他方式將金屬或合金液流破碎為細(xì)小液滴, 隨之冷凝為固體粉末的粉末制取方法, 其原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示, 根據(jù)霧化介質(zhì)不同, 霧化法主要分為水霧化和氣霧化。

圖1 霧化制粉原理圖  Fig.1 The schematic diagram of powder atomization   

1.1.1 水霧化

水霧化是以水為霧化介質(zhì)制備金屬粉末, 其生產(chǎn)成本低, 霧化效率高, 常用來(lái)生產(chǎn)鋼鐵粉末、含油軸承用預(yù)合金粉末、鎳基磁性材料粉末等。相對(duì)氣霧化, 水的比熱容比較大, 在霧化過(guò)程中破碎的金屬熔滴快速凝固變成不規(guī)則狀, 導(dǎo)致粉體形狀難以控制, 且難以滿足金屬3D打印對(duì)粉末球形度的要求, 此外由于活性金屬及其合金在高溫下與霧化介質(zhì)水接觸后會(huì)發(fā)生反應(yīng), 增加粉末氧含量, 這些問(wèn)題限制了水霧化法制備球形度高、氧含量低的金屬粉末。

1.1.2 氣霧化

氣霧化的原理是通過(guò)高速氣流將液態(tài)金屬流粉碎為小滴并快速冷凝成粉末的過(guò)程。氣霧化制備金屬粉末具有粒度細(xì)、球形度高、純度高等優(yōu)點(diǎn), 是目前生產(chǎn)3D打印用金屬粉末的主要方法, 其制備的3D打印粉末金屬占霧化法制備粉末的40%左右。但氣霧化技術(shù)也存在一定的不足, 在氣流破碎金屬液體的過(guò)程中, 氣流能量低, 霧化效率低, 增加了金屬粉末制備成本。

德國(guó)Nanoval公司在氣霧化技術(shù)的基礎(chǔ)上, 對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn), 提出層流霧化技術(shù)。層流霧化噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示。該技術(shù)使氣流和金屬液流在層流霧化噴嘴中呈層流分布, 氣流在金屬表面產(chǎn)生的剪切力和擠壓力, 將金屬液流剪切成直徑不斷縮小的液滴, 其冷卻速度達(dá)106~107K/s, 制備的粉末粒度分布窄, 在2.0MPa的霧化壓力下, 霧化制備的金屬粉末平均粒度可以達(dá)到10μm。且氣體消耗低, 生產(chǎn)成本低, 適用于大多數(shù)3D打印用金屬粉末的生產(chǎn), 但這種制備技術(shù)在霧化的過(guò)程中不穩(wěn)定, 難以有效控制霧化過(guò)程, 生產(chǎn)效率低, 限制了其生產(chǎn)量, 難以適用于大規(guī)模3D打印用金屬粉末生產(chǎn)。

圖2 層流霧化噴嘴結(jié)構(gòu)圖  Fig.2 The structure diagram of laminar flow atomization nozzle  

英國(guó)PSI公司在緊密耦合霧化技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)緊耦合環(huán)縫式噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn), 使氣流的出口速度超過(guò)聲速, 可在較小的霧化壓力下獲得高速氣流, 在2.5 MPa壓力下, 氣體速率可達(dá)到540 m/s, 此外超聲緊密耦合霧化技術(shù)可以提高粉末的冷卻速度, 效率高, 成本低, 且應(yīng)用范圍廣, 是氣霧化技術(shù)重要的發(fā)展方向之一, 且具有工業(yè)實(shí)用意義, 對(duì)于促進(jìn)3D打印用金屬粉末的工業(yè)化生產(chǎn)制備有著重要的意義。

HJE公司和PSI公司采用研制出了一種熱氣體霧化制備新技術(shù), 對(duì)霧化介質(zhì)進(jìn)行加熱, 可以進(jìn)一步提高細(xì)粉收得率, 降低氣體消耗量, 實(shí)際應(yīng)用效果良好, 是一項(xiàng)具有應(yīng)用前景的技術(shù)。在霧化壓力1.72 MPa條件下, 將氣體加熱至200~400℃, 霧化所得粉末的平均粒徑和標(biāo)準(zhǔn)偏差均隨溫度升高而降低, 但由于熱氣體霧化技術(shù)受到氣體加熱系統(tǒng)和噴嘴的限制, 僅有少數(shù)幾家研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。

昆明冶金研究院通過(guò)對(duì)霧化噴嘴的改進(jìn), 在溫度1 800℃, 霧化壓力2.0MPa條件下, 采用氮?dú)忪F化技術(shù)制備316 L不銹鋼金屬粉末, 并與德國(guó)EOS公司粉體形貌進(jìn)行對(duì)比, 微觀結(jié)構(gòu)情況見圖3。

圖3 316 L不銹鋼微觀組織  Fig.3 The microscopic structure of 316L stainless steel

1.2 旋轉(zhuǎn)電極法

旋轉(zhuǎn)電極法是以金屬或合金為自耗電極, 其端面受電弧加熱而熔融為液體, 并在電極高速旋轉(zhuǎn)的離心力的作用下, 將液體拋出并粉碎為細(xì)小液滴, 其原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。一般來(lái)說(shuō), 旋轉(zhuǎn)電極的冷卻速率約為103~104K/s, 電極的旋轉(zhuǎn)速度為10 000~30 000 r/min, 制備的粉體粒度隨著電極旋轉(zhuǎn)速度、電極直徑的增大而減少, 范圍通常在50~350μm之間。

圖4 旋轉(zhuǎn)電極工藝原理圖  Fig.4 The schematic diagram of rotating electrode process

圖5 氣霧化制粉工藝和旋轉(zhuǎn)電極工藝制備的球形鈦粉  Fig.5 The spherical titanium powder prepared by gas atomization process and rotating electrode process  

圖5是采用氣霧化工藝和旋轉(zhuǎn)電極工藝制備的球形鈦粉。與氣霧化工藝相比, 旋轉(zhuǎn)電極法制備的球形粉體沒有氣霧化球形粉末中常見的伴生相, 且球形度和光潔較高, 粒度分布范圍較窄, 無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象, 流動(dòng)性好, 在金屬3D打印過(guò)程中鋪粉均勻性好, 打印產(chǎn)品致密度高、表面光潔度高。此外整個(gè)工藝過(guò)程, 一般采用惰性氣體保護(hù), 且不需要坩堝熔煉, 避免了金屬或合金與造渣和與耐火材料接觸, 減少金屬粉末污染源, 可生產(chǎn)高純度金屬粉末。

1.3 球化法

球化法主要是是對(duì)對(duì)破碎法和理化法生產(chǎn)的不規(guī)則粉體進(jìn)行球化處理, 被認(rèn)為是獲得高致密球形粉末的最有效工藝, 其原理是利用溫度高、能源密度大的熱源 (等離子) , 將粉末顆粒迅速加熱熔化, 并在其表面張力作用下縮聚成球形液滴, 進(jìn)入冷卻室后快速冷卻而得到球形粉末。目前, 球化法制備工藝主要分為射頻離子球化法和激光球化法兩種。由于初始粉體會(huì)產(chǎn)生一定的團(tuán)聚現(xiàn)象, 在球化過(guò)程中會(huì)使其整體熔融, 導(dǎo)致制備的球形金屬粉末粒度增大。

圖6 氫化鈦粉經(jīng)頻等離子球化前后微觀組織  Fig.6 The microscopic structure of titanium hydride powder before and after frequency plasma spheroidization 

目前加拿大的泰克納 (TEKNA) 公司開發(fā)的射頻等離子體粉體處理系統(tǒng), 在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位, 可以實(shí)現(xiàn)Ti、Ti-6Al-4V、W、Mo、Ta、Ni等金屬及其合金粉末的生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)北京科技大學(xué)在射頻等離子球化方面進(jìn)行了大量的研究, 可以試驗(yàn)W、Mo、Ti等金屬粉末的球化處理, 同時(shí), 北京科技大學(xué)以氫化鈦粉為原料, 將射頻等離子球化處理與“氫爆”相結(jié)合, 球化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)脫氫, 制備超細(xì)球形鈦粉, 粒度范圍可以達(dá)到20~50μm, 圖6是氫化鈦粉末經(jīng)射頻等離子球化前后粉末形貌圖。

2 結(jié)語(yǔ)

隨著金屬3D打印產(chǎn)業(yè)的日新月異, 球形3D打印金屬粉末制備技術(shù)也將進(jìn)一步完善及產(chǎn)業(yè)化。針對(duì)3D打印對(duì)金屬粉末性能要求的嚴(yán)格性, 目前國(guó)內(nèi)具備一定的生產(chǎn)能力, 氣霧化法及旋轉(zhuǎn)電極法可以實(shí)現(xiàn)一定規(guī)�；�生產(chǎn), 球化法還處于實(shí)驗(yàn)室階段, 實(shí)現(xiàn)規(guī)模化還有一定的距離, 但存在工藝穩(wěn)定性問(wèn)題, 高端3D打印用金屬基粉末基本依賴進(jìn)口, 為此, 我國(guó)應(yīng)加大技術(shù)投入, 借鑒成熟的研發(fā)經(jīng)驗(yàn), 自主研發(fā)新技術(shù)新工藝, 促進(jìn)3D打印用金屬粉末制備技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。

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