金屬3D打印技術(shù)粉末成型工藝方法【精編匯總】

金屬3D打印技術(shù)粉末成型工藝方法【精編匯總】金屬3D打印技術(shù)粉末成型工藝方法匯總內(nèi)容來源網(wǎng)絡(luò)，由“深圳機(jī)械展（11萬m"1100多家展商，超10萬觀眾）”收集整理！更多cnc加工中心■車銑磨鉆床?線切割?數(shù)控刀具工具■工業(yè)機(jī)器人■非標(biāo)自動(dòng)化■數(shù)字化無人工廠■精密測■■3。打印.激光切割■鈑金沖壓折彎.精密零件加工等展示，就在深圳機(jī)械展.3D打印金屬粉末作為金屬零件3D打印產(chǎn)業(yè)鏈重要的一環(huán)，也是價(jià)值所在。在“2013年世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)”上，世界3D打印行業(yè)的權(quán)威專家對3D打印金屬粉末給予明確定義，即指尺寸小于1mm的金屬顆粒群。包括單一金屬粉東合金粉末以及具有金屬性質(zhì)的某些難焙化合物粉末。目前，3口打印金屬粉末材料包括鉆鉻合金■不鐫鋼■工業(yè)鋼■青銅合金■鈦合金和鎳鋁合金等。但是3D打印金屬粉末除需具備良好的可塑性外，還必須滿足粉末粒徑細(xì)小.粒度分布較窄.球形度高.流動(dòng)性好和松裝密度高等要求。金屬粉末由于應(yīng)用及后續(xù)成型工藝要求不同,其制備方法也是各有不同,按制備過程主要包括物理化學(xué)法和機(jī)械法兩種。在粉末冶金工業(yè)中，電解法■還原法以及霧化法等制備工藝方法應(yīng)用廣泛，但需要注意的是，電解法和還原法都有著一定的局限性，不適用于合金粉末制備。當(dāng)前增材制造用金屬粉末主要集中在鈦合金.高溫合金.鈷鉻合金.高強(qiáng)鋼和模具鋼等材料方面。為滿足增材制造裝備及工藝要求，金屬粉末必須具備較低的氧氮含量.良好的球形度.較窄的粒度分布區(qū)間和較高的松裝密度等特征。等離子旋轉(zhuǎn)電極法（PREP）■等離子霧化法（PA）■氣霧

，同佬..弛：［頌宕乜山.、.孫7通g橫財(cái)案tmX坨嘛加告一蜥4毫管星必落施化法（6人）以及等離子球化法”5）是當(dāng)前增材制造用金屬粉末的主要制備方法,四者均可制備球形成近球形金屬粉木息“唐修 不屐翱。 汴=%工*層*八卷制1M無羯加自主屬粉木息“唐修 不屐翱。 汴=%工*層*八卷制1M無羯加自主里皿理一――機(jī)械前前化，彝山*小耕離加但配a前為營福和門替皿國所靠汜京吉塞里卬門￡收系也已尋見希古密溪和曹宴M.Pb-T\?-川，W不I料T 加1Fbr司】上不例I】用語隼，?俞?若-0■Mtr作令國Ka玄芯方話H,陜臺(tái)金魯金屬的粉末制備方法1.等離子1.等離子電極法（PREP）等離子旋轉(zhuǎn)電極法PREP（PlasmaRotatingde-comminutingProcess）是俄羅斯發(fā)展起來所示，將金屬或合金加工成棒料并利用等離子體加熱棒端,同時(shí)棒料進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，依靠離心力使熔化液滴細(xì)化，在惰性氣體環(huán)境中凝固并在表面張力作用下球化形成粉末;通過篩分將不同粒徑的粉末分級，得到粉末產(chǎn)品。PREP原理PREP法適用于鈦合金■高溫合金等合金粉末的制備。該方法制備的金屬粉末球形度較高，流動(dòng)性好，但粉末粒度較粗，SLM工藝用微細(xì)粒度（0-45pm）粉末收得率低,細(xì)粉成本偏高。由于粉末的粗細(xì)即液滴尺寸的大小主要依靠提高棒料的轉(zhuǎn)速或增大棒料的直徑，轉(zhuǎn)速提高必然會(huì)對PREP金屬粉末現(xiàn)階段，PREP先進(jìn)的設(shè)備及核心技術(shù)仍掌握在俄羅斯手中周內(nèi)單位主要依賴與直接引進(jìn)或者是在引進(jìn)后進(jìn)行吸收一消化—改進(jìn)的方式掌握了部分技術(shù)，鋼鐵研究總院.北京航空材料研究院和西北有色金屬研究院早期引進(jìn)了俄羅斯的PREP設(shè)備但現(xiàn)階段設(shè)備工藝技術(shù)水平同國際先進(jìn)水平有較大差距。國內(nèi)西安交通大學(xué).中南大學(xué)等高校開展了PREP工藝技術(shù)基礎(chǔ)研究工作。鋼鐵研究總院和鄭州機(jī)械研究所聯(lián)合開發(fā)了國內(nèi)首臺(tái)大型PREP設(shè)備用于合金粉末材料的研制，但鈦合金細(xì)粉收得率仍不理想。近幾年來,西安歐中公司從俄羅斯引進(jìn)兩套PREP設(shè)備，中航邁特、湖南頂立也相繼自主研發(fā)了成套PREP設(shè)備，鈦合金細(xì)粉（“5H皿）收得率不足20%?？傮w來看，我早期引進(jìn)和現(xiàn)階段自主研發(fā)的PREP設(shè)備在整機(jī)性能上同俄羅斯仍有差距。優(yōu)點(diǎn)：表面清潔、球形度高.伴生顆粒少、無空心/衛(wèi)星粉、流動(dòng)性好■高純度.低氧含量、粒度分布窄。缺點(diǎn)：粉末粒度較粗，微細(xì)粒度粉末收得率低，細(xì)粉成本.等離子霧化法（PA）沖擊分散霧化成超細(xì)或氣霧狀，在霧化塔中飛行沉積沖擊分散霧化成超細(xì)或氣霧狀，在霧化塔中飛行沉積等離子霧化法PA(PlasmaAtomization)是加拿大末制備技術(shù)。采用對稱安裝在AP&C公司獨(dú)有的金. 末制備技術(shù)。采用對稱安裝在熔煉室頂端的離子體炬，形成高溫的等離子體焦點(diǎn)，溫度甚至可以高達(dá)10000K，專用送料裝置將金屬絲送入等離子體焦點(diǎn),原材料被迅速熔化或汽化，被等離子體高速過程中，與通入霧化塔中的冷卻氬氣進(jìn)行熱交換冷卻凝I成超細(xì)粉末，PA：設(shè)備原理圖見圖。2-1MaSeercorft等離子霧化制粉原理PA法制得的金屬粉末呈近規(guī)則球形粉末整體粒徑偏細(xì)。AP&C公司同瑞典Arcam公司合作，針對當(dāng)前增材制造市場的快速發(fā)展，對產(chǎn)能進(jìn)行擴(kuò)建和提升。由于等離子炬溫度高，理論上PA法可制備現(xiàn)有的所有高熔點(diǎn)金屬合金粉末，但由于該技術(shù)采用絲材霧化制粉，限制了較多難變形合金材料粉末的制備，如鈦鋁金屬間化合物等，同時(shí)原材料絲材的預(yù)先制備提高了制粉成本，為保證粉末粒度等品質(zhì)控制，生產(chǎn)效率有待提升。等離子霧化法金屬粉末優(yōu)點(diǎn)：45卜皿以下粉末收得率極高，幾乎無空心球氣體夾帶，優(yōu)于氣霧化法。Arcam電子束成型所采用的TC4合金均用^法制備。缺點(diǎn)：球形度稍差，有衛(wèi)星粉，絲材成本較高。.氣霧化法（GA）目前，增材制造用金屬粉末材料的氣霧化制備常用技術(shù)包括有坩堝真空感應(yīng)熔煉霧化VIGA（VacuumInduction-meltingGasAtomization)和無坩^^^感應(yīng)熔煉氣霧化EIGA(ElectrodeInduction-meltinginertGasAtomization)o其中VIGA法采用坩堝熔煉合金材料，合金液經(jīng)中間包底部導(dǎo)管流至霧化噴嘴處，被超音速氣體沖擊破碎，霧化成微米級尺度的細(xì)小熔滴，熔滴球化并凝固成粉末。該方法主要適用于鐵基合金?鎳基合金■鈷基合金■鋁基合金、銅基合金等粉末的生產(chǎn)制備。

VIGA原理VIGA原理EIGA法將氣霧化技術(shù)與電極感應(yīng)熔煉技術(shù)相結(jié)合，摒棄與金屬熔體相接觸的坩堝等部件，將緩慢旋轉(zhuǎn)的預(yù)合金棒金屬電極降低至一個(gè)環(huán)形感應(yīng)線圈中進(jìn)行電極熔化，電極熔滴落入氣體霧化噴嘴系統(tǒng)，利用惰性氣進(jìn)行霧化，可有效降低熔煉過程中雜質(zhì)引入，實(shí)現(xiàn)活性金屬的安全、潔凈熔煉，主要蛔于活性金屬及其合金、金屬同化合物、難熔金屬等粉末材料的制備，例如鈦及鈦合金、鈦鋁金屬同化合物的生產(chǎn)。

EIGA原理近年來，粉末生產(chǎn)商和制粉設(shè)備制造商通過對氣霧化制粉EIGA原理近年來，粉末生產(chǎn)商和制粉設(shè)備制造商通過對氣霧化制粉技術(shù)的改進(jìn)，發(fā)展了諸如超聲氣霧化、緊耦合氣霧化、層流氣霧化以及熱氣體霧化技術(shù)，并針對增材制造技術(shù)特點(diǎn)，對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，已經(jīng)可以制備滿足激光選區(qū)熔化51乂、激光同軸送粉等增材制造工藝使用要求的粉末。優(yōu)點(diǎn)：細(xì)粉收得率高，45卜皿以下可用于激光選區(qū)焙化,成本較低。缺點(diǎn)：球形度稍差，衛(wèi)星粉多，45-406^m粉末空心粉率高，存在空氣夾帶，不適合于電子束選區(qū)熔化成型、直接熱等靜壓成型等粉末冶金領(lǐng)域。.等離子球化法（PS）射頻等離子體具有能量密度高.加熱強(qiáng)度大、等離子體I的體積大等特點(diǎn)，由于沒有電極，不會(huì)因電極蒸發(fā)而污染產(chǎn)品。射頻等離子體粉末球化技術(shù)原理，是在高頻電源作用下，惰性氣體（如氬氣）被電離，形成穩(wěn)定的高溫惰性氣體等離子體形狀不規(guī)則的原料粉末用運(yùn)載氣體（氮?dú)猓┙?jīng)送粉器噴入等離子炬中，粉末顆粒在高溫等離子體中吸收大量的熱潮面迅速熔化;并以極高的速度進(jìn)入反應(yīng)器，在惰性氣氛下快速冷卻，在表面張力的作用下，冷卻凝I成球形粉末，再進(jìn)入收料室中收集。等離子球化原理示意圖及球形粉末優(yōu)點(diǎn)：粉末形狀規(guī)則球化率高，表面光潔，流動(dòng)性好?？芍苽涓呷廴跍囟鹊碾y熔金屬，如鉭、鎢、鈮和鉬。缺點(diǎn)：加熱周期長，容易造成揮發(fā)性元素會(huì)發(fā)，不規(guī)則粉末表面積大，氧含量高。.方法對比PREP法制備的粉末粒度范圍分布較窄，不易獲得微細(xì)粉末，細(xì)粉收得率較低，由于細(xì)粉成本居高不下，這使得其在SLM工藝應(yīng)用上受到較大限制。該技術(shù)制備的粗粉在激光快速成型LSF工藝中獲得應(yīng)用。PA法已經(jīng)用于常規(guī)牌號(hào)鈦及鈦合金粉末的批量制備，通粉中含有衛(wèi)星粉、片狀粉、納米顆粒等，經(jīng)處理后其粉末流動(dòng)性良好。由于需要絲材作為原材料，該技術(shù)在制備難變形金屬材料方面遇到酶，材料適用范圍窄。在生產(chǎn)鎳基合金、鐵基合金等非活性金屬粉末方面，其生產(chǎn)成本較高。VIGA法制粉由于其效率高、合金適應(yīng)范圍廣、成本低、粉末粒度可控等優(yōu)勢，是全球范圍內(nèi)增材制造粉末供應(yīng)商普遍采用的技術(shù)方法。EIGA法在制備活性金屬粉末方面相比于PREP法具有節(jié)約材料，生產(chǎn)靈活，細(xì)粉產(chǎn)出多等優(yōu)勢，適宜SLM工藝用鈦合金粉末的生產(chǎn)制備。PS法使用高能等離子體來生產(chǎn)高度球形和致密的金屬粉末。其原材料黑附形粉末，氧含量和氯含量高，因此其球形粉末的氧含量很難控制，細(xì)粉收得率也取決于其原始粉末的粒度。經(jīng)反復(fù)多次使用的增材制造金屬粉末可以作為PS法的原材料進(jìn)行重新制粉。幾種金屬粉末制備方法對PREP適中■高PA適中高VIGA低-適中EIGAPS低-適中

適中高■/ri

細(xì)粉收得

率PREP適中■高PA適中高VIGA低-適中EIGAPS低-適中

適中高■/ri

細(xì)粉收得

率低適中較高適中

適中母材及成本

特定工藝棒材，成本

較高

細(xì)線，成本較高

配料或母合金成本

較低

常規(guī)棒材,成本較低

T卜T4T