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3D打印金屬粉末的制備方法

日期：2022-06-24 瀏覽次數(shù)：次

金屬3D打印零件的質(zhì)量好壞很大程度取決于金屬原材料的性能，金屬增材制造的原料主要有粉末和絲材兩種，其中，以粉末材料的應(yīng)用較為廣泛，例如，激光金屬沉積和選區(qū)激光熔化等快速成形制造工藝普遍采用金屬粉體材料作為原材料。目前增材制造領(lǐng)域常用的金屬粉末粒度范圍為15~53μm(細(xì)粉)、53~150μm(粗粉)。

增材制造金屬粉末的選用一般基于三種因素：能量熱源、粉末補(bǔ)給方式、產(chǎn)品尺寸和精密度需求。

工藝類型	對(duì)粉體的要求
選區(qū)激光熔化SLM	粉末粒度為15~53μm，球形度達(dá)到98%以上，要求盡量少的衛(wèi)星粉，含氧量小于1×10?4，以及高的松裝密度等。鋪粉型增材制造設(shè)備受限于成形室的空間尺寸一般應(yīng)用于打印中小型構(gòu)件。
電子束選區(qū)熔化EBSM	同等功率下能量密度大,比較合適的粉末粒度為53~150μm，其他參數(shù)與SLM工藝相差不大。同屬鋪粉型增材制造。
激光金屬沉積LMD	對(duì)粉末粒度具有相對(duì)較寬的適應(yīng)性，并且適合打印大尺寸和大加工余量的零件，粉末應(yīng)用跨度可從幾十微米的細(xì)粉到數(shù)百微米的粗粉。雖然細(xì)粉末適合打印精細(xì)結(jié)構(gòu)，但粉末粒度小于40μm時(shí)，送粉穩(wěn)定性會(huì)變差，且細(xì)粉還易堵塞噴嘴，不利于成形；相反粉末粒度過(guò)大，噴嘴處會(huì)出現(xiàn)粉末飛濺降低粉末利用率，而且熔化時(shí)需要采用高功率，這時(shí)過(guò)大的熱輸入又將影響某些材料的力學(xué)性能。一般采用53~150μm的粉末作為耗材，粉末同樣要求具有較好的球形度(大于85%)，較低的含氧量(低于3×10?4)和較好的均勻性等。

3D打印專用金屬粉末制備方法

目前，3D打?。ㄔ霾闹圃欤Ｓ媒饘俜勰┲苽浞椒ㄖ饕F化法(以氣霧化為主，包括真空氣霧化(VIGA)和電極感應(yīng)霧化(EIGA)等)和等離子法(等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化(PREP)、等離子熔絲霧化(WPA)和等離子球化技術(shù)(PA)等)

①氣霧化：

氣體霧化是制造高質(zhì)量金屬3D打印粉末的最常用方法。示意圖如下，該法利用高速氣流（高速空氣、氮?dú)?、氦氣或氬氣?/span>將液態(tài)金屬流擊碎形成小液滴，隨后快速冷凝得到成形粉末。與水霧化主要區(qū)別于霧化介質(zhì)的改變，目前氣霧化生產(chǎn)的粉末約占世界粉末總產(chǎn)量的30%~50%；該方法制備的金屬粉末粉末粒徑＜

150μm、球形度較好、純度高、氧含量低、成形速度快、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，該類技術(shù)適用于絕大多數(shù)金屬及合金粉末的生產(chǎn)。

3D打印金屬粉末的制備方法

↑↑真空氣霧化技術(shù)（左邊，有坩堝）

↑↑電極感應(yīng)熔融氣霧化技術(shù)（右邊，無(wú)坩堝）

傳統(tǒng)意義上的氣霧化法指的是真空氣霧化制粉技術(shù)（VIGA），其工作原理是采用坩堝加熱熔煉金屬原材，熔煉金屬受重力作用在坩堝底部噴嘴處形成液流，隨后以高速惰性氣流(主要為氬氣)在真空下將其擊碎為細(xì)小液滴，繼而冷凝成形，液滴在飛行中受表面張力自凝固成球形或近球形顆粒。

為了防止坩堝與金屬原材的接觸導(dǎo)致熔煉過(guò)程中引入雜質(zhì)，德國(guó)萊寶公司發(fā)明了一種稱為電極感應(yīng)熔融氣霧化法（EIGA），該技術(shù)原理是采用成形的棒材為電極，使其在高頻感應(yīng)電圈中不斷熔化，在重力的作用下金屬液流經(jīng)霧化器中心孔，在高速氣流沖擊霧化后得到金屬粉末。改法擺脫粉體受器皿污染，可獲得到高純度金屬粉末。

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，繼之冷凝為粉末的制粉方法。

3D打印金屬粉末的制備方法

↑↑旋轉(zhuǎn)電極工藝原理圖

它在熔融和霧化金屬過(guò)程中完全避免了造渣和與耐火材料接觸，消除了非金屬夾雜物污染源，可生產(chǎn)高潔凈度的粉末。典型的旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備是由一個(gè)直徑達(dá)2m多的箱體組成，旋轉(zhuǎn)自耗電極通過(guò)動(dòng)密封軸承裝入其中，電極長(zhǎng)軸水平地處于箱體中心線位置，電極旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)15000～25000r/min。為了避免鎢污染，可在鎢電極處改用等離子炬，稱為等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉法(PREP)。

該技術(shù)可通過(guò)調(diào)節(jié)等離子弧電流的大小和自耗電極轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)控粉末的粒徑，提高特定粒徑粉末的收得率，有益于制備高球形度、高致密度、低孔隙率、低氧含量、表面光潔的球形粉末，且基本不存在空心粉、衛(wèi)星粉，有效減少增材制造技術(shù)生產(chǎn)過(guò)程中的球化、團(tuán)聚及引入雜質(zhì)元素而帶來(lái)的氣孔、開裂現(xiàn)象。

③等離子熔絲霧化

等離子熔絲霧化工藝術(shù)以規(guī)定尺寸的金屬絲材為原材料，通過(guò)送絲系統(tǒng)按照特定速率送入霧化爐內(nèi)，經(jīng)出口處環(huán)形等離子體火炬加熱裝置，在聚焦等離子弧的作用下進(jìn)行熔融霧化，最終得到金屬粉末。

3D打印金屬粉末的制備方法

整個(gè)流程在氬氣氛圍下進(jìn)行，熔融霧化過(guò)程無(wú)外來(lái)雜質(zhì)干擾，產(chǎn)品純凈度高，由于采用金屬絲材為加工原材料，通過(guò)控制進(jìn)給速度可獲得特定粒徑分布的粉末，提高了粉末的品質(zhì)穩(wěn)定性，低濃度的懸浮顆粒能夠有效防止形成伴生顆粒，從而使粉末具備較好的流動(dòng)性，十分有利于制備高純度、高球形度的金屬粉末。該工藝僅限于合金或僅用于延展性金屬，即可以拉制成線的金屬。

④等離子球化技術(shù)

等離子球化技術(shù)(PA)是一種對(duì)不規(guī)則粉末進(jìn)行熔化再加工的二次成形技術(shù)。該技術(shù)以不規(guī)則形狀的金屬粉末為原材料，在載氣氣流的作用下不規(guī)則粉體被輸送到感應(yīng)等離子體中，在熱等離子體作用下受熱熔

化，熔融金屬液滴在下落進(jìn)入冷卻室過(guò)程中因經(jīng)受較高的溫度梯度變化以及自身表面張力作用，從而迅速冷卻凝固縮聚為球形。

3D打印金屬粉末的制備方法