解析：3D打印用球形金属粉末制备工艺

时间：2019-02-01 13:01 来源：南极熊作者：中国3D打印网阅读：次

球形金属粉末是金属3D打印的核心材料, 是3D打印产业链中最重要的环节, 与3D打印技术的发展息息相关。本文对3D打印用金属粉末的主要制备工艺的基本原理进行了阐述, 并分析了其优缺点, 目的是进一步提高3D打印用金属粉末的制备技术水平, 促进3D打印技术的发展和应用。
球形金属粉末是金属3D打印的核心材料, 是3D打印产业链中最重要的环节, 与3D打印技术的发展息息相关。在“2013世界3D打印技术产业大会”中, 权威专家对3D打印金属粉末的性能要求给出了清晰的定义, 即尺寸小于1 mm的金属粉末, 此外, 还要求金属满足纯度高、球形度好、粒径分布窄、含氧量低、流动性好等要求。2014年6月颁布的ASTM F3049-14标准规定了3D打印金属粉性能的范围和表征方法。目前, 3D打印用金属粉末材料主要集中在铁、钛、钴、铜、镍等金属及其合金方面。
随着金属3D打印技术的飞速发展, 球形金属粉末的市场将保持高增长态势。2016年3D打印金属粉的市场规模约为2.5亿美元, 据IDTechEx表示, 到2025年, 3D打印金属粉末的市场规模将达到50亿美元。但目前3D打印用球形金属粉主要由国外厂家垄断, 国内生产的球形粉末存在性能不稳定、成本高、收得率低等问题。因此, 研究3D打印金属粉末的制备尤为重要, 本文对3D打印用金属粉末的主要制备工艺的基本原理进行了阐述, 并分析了其优缺点, 目的是进一步提高3D打印用金属粉末的制备技术水平, 促进3D打印技术的发展和应用。
1 3D打印用金属粉末制备工艺现状
目前针对3D打印用金属粉末的制备方法主要有雾化法、旋转电极法、球化法等。
1.1 雾化法
雾化法制取的粉末已占当今世界金属3D打印粉末的80%以上, 其原理是以快速运动的流体 (雾化介质) 冲击或以其他方式将金属或合金液流破碎为细小液滴, 随之冷凝为固体粉末的粉末制取方法, 其原理结构图如图1所示, 根据雾化介质不同, 雾化法主要分为水雾化和气雾化。

图1 雾化制粉原理图

1.1.1 水雾化
  水雾化是以水为雾化介质制备金属粉末, 其生产成本低, 雾化效率高, 常用来生产钢铁粉末、含油轴承用预合金粉末、镍基磁性材料粉末等。相对气雾化, 水的比热容比较大, 在雾化过程中破碎的金属熔滴快速凝固变成不规则状, 导致粉体形状难以控制, 且难以满足金属3D打印对粉末球形度的要求, 此外由于活性金属及其合金在高温下与雾化介质水接触后会发生反应, 增加粉末氧含量, 这些问题限制了水雾化法制备球形度高、氧含量低的金属粉末。
1.1.2 气雾化
  气雾化的原理是通过高速气流将液态金属流粉碎为小滴并快速冷凝成粉末的过程。气雾化制备金属粉末具有粒度细、球形度高、纯度高等优点, 是目前生产3D打印用金属粉末的主要方法, 其制备的3D打印粉末金属占雾化法制备粉末的40%左右。但气雾化技术也存在一定的不足, 在气流破碎金属液体的过程中, 气流能量低, 雾化效率低, 增加了金属粉末制备成本。
  德国Nanoval公司在气雾化技术的基础上, 对喷嘴结构进行改进, 提出层流雾化技术。层流雾化喷嘴结构如图2所示。该技术使气流和金属液流在层流雾化喷嘴中呈层流分布, 气流在金属表面产生的剪切力和挤压力, 将金属液流剪切成直径不断缩小的液滴, 其冷却速度达106~107K/s, 制备的粉末粒度分布窄, 在2.0MPa的雾化压力下, 雾化制备的金属粉末平均粒度可以达到10μm。且气体消耗低, 生产成本低, 适用于大多数3D打印用金属粉末的生产, 但这种制备技术在雾化的过程中不稳定, 难以有效控制雾化过程, 生产效率低, 限制了其生产量, 难以适用于大规模3D打印用金属粉末生产。

图2 层流雾化喷嘴结构图

英国PSI公司在紧密耦合雾化技术的基础上对紧耦合环缝式喷嘴结构进行了结构优化和改进, 使气流的出口速度超过声速, 可在较小的雾化压力下获得高速气流, 在2.5 MPa压力下, 气体速率可达到540 m/s, 此外超声紧密耦合雾化技术可以提高粉末的冷却速度, 效率高, 成本低, 且应用范围广, 是气雾化技术重要的发展方向之一, 且具有工业实用意义, 对于促进3D打印用金属粉末的工业化生产制备有着重要的意义。
HJE公司和PSI公司采用研制出了一种热气体雾化制备新技术, 对雾化介质进行加热, 可以进一步提高细粉收得率, 降低气体消耗量, 实际应用效果良好, 是一项具有应用前景的技术。在雾化压力1.72 MPa条件下, 将气体加热至200~400℃, 雾化所得粉末的平均粒径和标准偏差均随温度升高而降低, 但由于热气体雾化技术受到气体加热系统和喷嘴的限制, 仅有少数几家研究机构进行研究。
昆明冶金研究院通过对雾化喷嘴的改进, 在温度1 800℃, 雾化压力2.0MPa条件下, 采用氮气雾化技术制备316 L不锈钢金属粉末, 并与德国EOS公司粉体形貌进行对比, 微观结构情况见图3。

图3 316 L不锈钢微观组织

(责任编辑：admin)

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