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3D打印金属粉末的制备方法

日期：2022-06-24 浏览次数：次

金属3D打印零件的质量好坏很大程度取决于金属原材料的性能，金属增材制造的原料主要有粉末(mo)和丝材两(liang)种，其(qi)中，以粉末材料的应(ying)用较为(wei)广泛，例如，激(ji)光(guang)金属(shu)沉积和选区(qu)激(ji)光(guang)熔化等(deng)快速成形(xing)制造(zao)工艺普(pu)遍采用金属(shu)粉体材料作(zuo)为(wei)原(yuan)材料。目前增材制造领域常用的金属粉(fen)末(mo)粒度范围为15~53μm(细粉)、53~150μm(粗粉)。

增材制造金属粉末(mo)的选(xuan)用一般基(ji)于(yu)三种(zhong)因(yin)素：能量热源、粉末(mo)补给方式、产品尺寸和(he)精密度需求。

工艺类型	对粉(fen)体的要(yao)求
选(xuan)区(qu)激光熔化(hua)SLM	粉末粒度为15~53μm，球形度达到98%以上，要求尽量少的卫星粉，含氧量小于1×10−4，以及高的松装密度等。铺粉型增材制造设备受限于成形室的空间尺寸一般应用于打印中小型构件。
电子束选区熔(rong)化EBSM	同等功率(lv)下能量密度大,比较合适的粉末粒度为53~150μm，其他参数与SLM工艺相差不大。同属铺粉型增材制造。
激光金属沉积LMD	对(dui)粉末(mo)粒度具(ju)有相对(dui)较宽(kuan)的(de)适应性，并且适合打印大(da)尺(chi)寸和大(da)加工余量(liang)的(de)零件，粉末(mo)应用跨度可(ke)从几十微米的(de)细(xi)粉到数百(bai)微米的(de)粗粉。虽然细(xi)粉末(mo)适合打印精(jing)细(xi)结构，但粉末(mo)粒度小(xiao)于40μm时，送粉稳定性会变差，且细粉还易堵塞喷嘴，不利于成形；相反粉末粒度过大，喷嘴处会出现粉末飞溅降低粉末利用率，而且熔化时需要采用高功率，这时过大的热输入又将影响某些材料的力学性能。一般采(cai)用53~150μm的粉末作为耗材，粉末同样要求具有较好的球形度(大于85%)，较低的含氧量(低于3×10−4)和较好的均匀性等。

3D打(da)印专(zhuan)用金属粉末制(zhi)备方法

目前，3D打印（增材制造）专用金属粉末制备方法主要包括雾化法(以气雾化为主，包括真空气雾化(VIGA)和电极感应雾化(EIGA)等)和等离子法(等离子旋转电极雾化(PREP)、等离子熔丝雾化(WPA)和等离子球化技术(PA)等)

①气雾化：

气体雾(wu)化是(shi)制造高质量金属3D打印粉末的最常用方法。示意图如下，该法利用高速气流（高(gao)速空气(qi)、氮气(qi)、氦气(qi)或氩气(qi)）将液态金(jin)属流(liu)击(ji)碎形(xing)成小液滴，随(sui)后快速冷(leng)凝得到成形(xing)粉末。与水雾(wu)化主要区别(bie)于雾(wu)化介质的改变，目前气雾(wu)化生产(chan)的粉末约占世界粉末总产(chan)量的30%~50%；该方法制备的金属粉末粉末粒径＜

150μm、球(qiu)形度较好、纯度高、氧(yang)含量低、成形速度快、环境污染小等优点，该类技术适(shi)用于绝大多数金属及合金粉(fen)末的生产。

3D打印金属粉末的制备方法

↑↑真空(kong)气雾化技(ji)术（左(zuo)边，有坩埚(guo)）

↑↑电(dian)极感(gan)应熔融(rong)气雾化技术（右边(bian)，无(wu)坩埚(guo)）

传统(tong)意义上的气雾化法指的是真(zhen)空(kong)气雾化制粉技术（VIGA），其工(gong)作原理是采用(yong)坩埚加热熔炼金(jin)属原材，熔炼金(jin)属受重力作用(yong)在坩埚底部(bu)喷嘴(zui)处形(xing)成液(ye)流，随后以高速惰性气流(主要为氩气)在真空下将其击碎为细小液滴，继而冷凝成形，液滴在飞行中受表面张力自凝固成球形或近球形颗粒。

为了防止坩埚与(yu)金属原材的(de)接触导(dao)致熔炼过(guo)程(cheng)中引入(ru)杂(za)质，德(de)国莱宝(bao)公(gong)司发(fa)明了一种称(cheng)为电极感应(ying)熔融气雾化法(fa)（EIGA），该技术原理是采(cai)用成形(xing)的棒材(cai)为电极，使(shi)其在高(gao)频感应电圈中不断熔化(hua)，在重力的作用下(xia)金属(shu)液流经雾(wu)化(hua)器(qi)中心孔(kong)，在高(gao)速气流冲击雾(wu)化(hua)后得到金属(shu)粉末。改(gai)法摆脱粉体受器(qi)皿污染(ran)，可获得到高(gao)纯度金属(shu)粉末。

②旋(xuan)转(zhuan)电极法

旋转电(dian)(dian)极(ji)法(fa)是以金(jin)属或合金(jin)为自耗电(dian)(dian)极(ji)，其端(duan)面受(shou)电(dian)(dian)弧加热而(er)熔融为液(ye)体(ti)，并(bing)在电(dian)(dian)极(ji)高速旋转的离心力的作用下，将液(ye)体(ti)抛出(chu)并(bing)粉碎为细小(xiao)液(ye)滴，继之冷(leng)凝为粉末的制粉方法。

3D打印金属粉末的制备方法

↑↑旋转电极工艺原理图

它(ta)在(zai)熔融和雾(wu)化金属过程中完全避免(mian)了造(zao)渣(zha)和与耐火材料接触，消除了非金属夹杂(za)物污染源，可生产(chan)高洁净(jing)度的粉末。典型的旋转电极制粉设备是由一个直径达(da)2m多的箱体组成，旋转自耗电极通过动密封轴承装入其中，电极长轴水平地处于箱体中心线位置，电极旋转速度高达15000～25000r/min。为了避免钨污染，可在钨电极处改用等离子炬，称为等离子旋转电极雾化制粉法(PREP)。

该技(ji)术可通过调节等离子弧电流的(de)大小和自耗电极转速(su)来调控(kong)粉末的(de)粒径，提高(gao)特(te)定粒径粉末的(de)收得(de)率，有益于(yu)制备高(gao)球(qiu)形度、高(gao)致(zhi)密度、低孔隙率、低氧含(han)量(liang)、表面光洁(jie)的(de)球(qiu)形粉末，且基本不存在空(kong)心(xin)粉、卫星(xing)粉，有效减少增材制造技(ji)术生(sheng)产过程中的(de)球(qiu)化、团聚及引入杂质元(yuan)素而带来的(de)气孔、开裂现象。

③等离子熔丝雾化

等离(li)(li)子熔(rong)丝雾化(hua)工艺(yi)术以(yi)规定尺寸的金(jin)属丝材为原材料，通过送丝系(xi)统按照特定速率送入雾化(hua)炉(lu)内，经出口处环形等离(li)(li)子体(ti)火炬加热装置(zhi)，在聚焦等离(li)(li)子弧的作(zuo)用下进(jin)行熔(rong)融(rong)雾化(hua)，最(zui)终得到金(jin)属粉末(mo)。

3D打印金属粉末的制备方法

整个流程在氩(ya)气氛围下(xia)进行，熔融雾化过程无外(wai)来杂质(zhi)干扰，产品纯净度(du)(du)高(gao)，由于(yu)(yu)采用金(jin)(jin)属丝材为加工原材料，通过控制(zhi)进给速度(du)(du)可(ke)获得特定(ding)粒(li)(li)径(jing)分(fen)布(bu)的(de)粉(fen)末(mo)(mo)，提(ti)高(gao)了粉(fen)末(mo)(mo)的(de)品质(zhi)稳(wen)定(ding)性(xing)，低浓(nong)度(du)(du)的(de)悬浮颗粒(li)(li)能够(gou)有效防止形(xing)成(cheng)(cheng)伴生颗粒(li)(li)，从而使粉(fen)末(mo)(mo)具备较好的(de)流动性(xing)，十分(fen)有利(li)于(yu)(yu)制(zhi)备高(gao)纯度(du)(du)、高(gao)球形(xing)度(du)(du)的(de)金(jin)(jin)属粉(fen)末(mo)(mo)。该工艺仅限于(yu)(yu)合(he)金(jin)(jin)或(huo)仅用于(yu)(yu)延展性(xing)金(jin)(jin)属，即可(ke)以拉(la)制(zhi)成(cheng)(cheng)线的(de)金(jin)(jin)属。

④等离(li)子球化技术

等离子球(qiu)化技术(PA)是一种对不规则粉末进行熔化再加工的二次成形技术。该技术(shu)以不(bu)规则(ze)(ze)形(xing)状的(de)金属粉末为原材料，在载气(qi)气(qi)流的(de)作用(yong)下(xia)(xia)不(bu)规则(ze)(ze)粉体(ti)被(bei)输送到(dao)感应(ying)等离子体(ti)中，在热等离子体(ti)作用(yong)下(xia)(xia)受热熔(rong)

化，熔融金属液(ye)滴在下落进入(ru)冷却室(shi)过程中因经受较(jiao)高的温度梯(ti)度变(bian)化以(yi)及(ji)自身表面张力作(zuo)用，从而迅速冷却凝(ning)固缩聚为球(qiu)形。

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