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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(zeng)材(cai)制造(zao)的(de)原料主要有粉末(mo)和(he)丝材两种，其中，以(yi)粉末材(cai)料(liao)的应用较为广泛，例如，激光(guang)金(jin)(jin)属(shu)沉(chen)积(ji)和选区激光(guang)熔(rong)化等快速成形(xing)制造工艺普遍采用金(jin)(jin)属(shu)粉体(ti)材(cai)料(liao)作为原材(cai)料(liao)。目前增材制造领域常(chang)用的金属(shu)粉末粒度(du)范围为15~53μm(细粉)、53~150μm(粗粉)。

增材(cai)制造金(jin)属(shu)粉末(mo)的选用一般基(ji)于三种(zhong)因素(su)：能量热源、粉末(mo)补给方式、产品尺寸和精密度(du)需求。

工艺(yi)类型	对粉体的要求(qiu)
选区(qu)激光(guang)熔化SLM	粉(fen)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(dian)子束选区熔化EBSM	同等(deng)功率下能量(liang)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(shu)沉积LMD	对粉末粒(li)度具(ju)有(you)相对较宽的适(shi)应性，并且适(shi)合(he)打印(yin)大尺(chi)寸(cun)和(he)大加(jia)工余量的零件，粉末应用(yong)跨度可从几十微米的细粉到数(shu)百(bai)微米的粗粉。虽然细粉末适(shi)合(he)打印(yin)精细结构(gou)，但(dan)粉末粒(li)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(yong)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打印(yin)专用(yong)金属粉末制备方法

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(qi)体雾化是制造高质量金属3D打印粉末的最常用方法。示意图如下，该法利用高速气流（高速空气(qi)、氮气(qi)、氦气(qi)或氩气(qi)）将液(ye)态(tai)金属流击碎形(xing)成(cheng)小液(ye)滴，随后快速冷(leng)凝得到成(cheng)形(xing)粉末(mo)。与水雾化(hua)(hua)主(zhu)要区(qu)别于(yu)雾化(hua)(hua)介质的改变，目前(qian)气雾化(hua)(hua)生产的粉末(mo)约占世界粉末(mo)总产量的30%~50%；该方法制备的金属粉末粉末粒径＜

150μm、球形(xing)度较好、纯度高、氧含量低、成形(xing)速度快、环境污染小等(deng)优点(dian)，该类技术(shu)适用于绝大多数金属及合(he)金粉末(mo)的生(sheng)产。

3D打印金属粉末的制备方法

↑↑真空气雾化技(ji)术(shu)（左(zuo)边(bian)，有坩埚）

↑↑电极感应熔融气雾化技术（右边，无(wu)坩埚）

传统意(yi)义上的气雾化法指的是真(zhen)空气雾化制粉技(ji)术（VIGA），其(qi)工作原理是(shi)采(cai)用坩埚加热(re)熔炼金属原材，熔炼金属受重(zhong)力(li)作用在坩埚底部喷(pen)嘴处形成(cheng)液流，随(sui)后(hou)以高速惰(duo)性气(qi)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(fang)止坩埚(guo)与金属原材的接(jie)触导(dao)致熔炼(lian)过程中引入杂质，德国莱宝公司(si)发明(ming)了一种(zhong)称为电极感(gan)应熔融气(qi)雾化法（EIGA），该技(ji)术原理是采用(yong)成形(xing)的棒(bang)材(cai)为电(dian)(dian)极，使其在高频感应电(dian)(dian)圈中不断熔化，在重(zhong)力的作用(yong)下金属液流(liu)(liu)经雾(wu)化器(qi)中心孔(kong)，在高速(su)气流(liu)(liu)冲击雾(wu)化后得(de)到(dao)(dao)金属粉(fen)末。改法摆(bai)脱粉(fen)体受器(qi)皿污染(ran)，可获得(de)到(dao)(dao)高纯度金属粉(fen)末。

②旋转电(dian)极法(fa)

旋(xuan)转电(dian)极(ji)法(fa)是以(yi)金(jin)属或合金(jin)为自耗电(dian)极(ji)，其端面受电(dian)弧加热而熔融为液(ye)(ye)体，并在电(dian)极(ji)高速旋(xuan)转的(de)离心力的(de)作用(yong)下，将液(ye)(ye)体抛出并粉(fen)碎为细小液(ye)(ye)滴，继之冷(leng)凝为粉(fen)末(mo)的制粉(fen)方法。

3D打印金属粉末的制备方法

↑↑旋转电极工艺原(yuan)理图

它在熔融和雾化金属(shu)过(guo)程(cheng)中(zhong)完(wan)全避免了造渣和与耐火(huo)材料(liao)接(jie)触，消(xiao)除了非金属(shu)夹杂物(wu)污染源，可生产高洁净(jing)度的(de)粉末。典型的(de)旋转电极(ji)制粉设备是(shi)由一个直径达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(shu)可(ke)通过调节(jie)等离(li)子(zi)弧电流的(de)大小和(he)自耗电极(ji)转(zhuan)速来调控(kong)粉(fen)末的(de)粒(li)径(jing)，提高特定粒(li)径(jing)粉(fen)末的(de)收得率(lv)，有(you)益于制(zhi)备高球形度(du)、高致密(mi)度(du)、低孔(kong)隙率(lv)、低氧含量、表面光洁(jie)的(de)球形粉(fen)末，且基本不(bu)存在空心粉(fen)、卫星粉(fen)，有(you)效减少增材(cai)制(zhi)造技(ji)术(shu)生(sheng)产过程中的(de)球化、团聚及引入杂质(zhi)元素(su)而带来的(de)气(qi)孔(kong)、开裂(lie)现象。

③等离子熔丝雾化

等离(li)子(zi)熔(rong)丝雾化工艺术(shu)以规定(ding)尺(chi)寸的金(jin)属丝材(cai)(cai)为原(yuan)材(cai)(cai)料，通过送(song)丝系(xi)统按照特定(ding)速(su)率送(song)入(ru)雾化炉内，经(jing)出口处环(huan)形(xing)等离(li)子(zi)体(ti)火(huo)炬加热装置，在聚(ju)焦等离(li)子(zi)弧的作用下进行熔(rong)融雾化，最(zui)终(zhong)得到金(jin)属粉末。

3D打印金属粉末的制备方法

整个流(liu)程在氩气(qi)氛(fen)围下进行，熔(rong)融雾化过程无外来杂质干扰，产品纯净度高(gao)，由于(yu)(yu)采用(yong)金(jin)属(shu)丝材为加(jia)工原(yuan)材料，通过控制(zhi)进给(ji)速度可(ke)获得特定(ding)粒(li)径(jing)分布的(de)粉(fen)(fen)末，提高(gao)了粉(fen)(fen)末的(de)品质稳定(ding)性，低(di)浓度的(de)悬浮颗(ke)粒(li)能够有效防止形成(cheng)伴生(sheng)颗(ke)粒(li)，从而使(shi)粉(fen)(fen)末具备(bei)较好的(de)流(liu)动性，十(shi)分有利(li)于(yu)(yu)制(zhi)备(bei)高(gao)纯度、高(gao)球(qiu)形度的(de)金(jin)属(shu)粉(fen)(fen)末。该工艺仅(jin)限于(yu)(yu)合金(jin)或仅(jin)用(yong)于(yu)(yu)延(yan)展性金(jin)属(shu)，即可(ke)以拉制(zhi)成(cheng)线的(de)金(jin)属(shu)。

④等离子球化(hua)技术

等离(li)子球(qiu)化(hua)技(ji)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(yi)不(bu)规(gui)则形(xing)状的(de)金属粉(fen)末为原材料，在(zai)载气(qi)气(qi)流(liu)的(de)作用(yong)下不(bu)规(gui)则粉(fen)体(ti)被输(shu)送到感应等离子(zi)体(ti)中，在(zai)热(re)等离子(zi)体(ti)作用(yong)下受热(re)熔

化(hua)，熔融金属液(ye)滴(di)在下落进(jin)入冷却(que)(que)室过程中(zhong)因(yin)经(jing)受(shou)较高(gao)的温度(du)梯度(du)变化(hua)以及自身表面张力作用，从而迅速冷却(que)(que)凝固缩聚为(wei)球形。

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