深度：3D打印用球形金屬粉末制備工藝

來源：昆明冶金研究院 共伴生有色金屬資源加壓濕法冶金技術(shù)國家重點實驗室 云南省科學(xué)技術(shù)院

導(dǎo)讀：球形金屬粉末是金屬3D打印的核心材料, 是3D打印產(chǎn)業(yè)鏈中最重要的環(huán)節(jié), 與3D打印技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。本文對3D打印用金屬粉末的主要制備工藝的基本原理進(jìn)行了闡述, 并分析了其優(yōu)缺點, 目的是進(jìn)一步提高3D打印用金屬粉末的制備技術(shù)水平, 促進(jìn)3D打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

球形金屬粉末是金屬3D打印的核心材料, 是3D打印產(chǎn)業(yè)鏈中最重要的環(huán)節(jié), 與3D打印技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。在“2013世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會”中, 權(quán)威專家對3D打印金屬粉末的性能要求給出了清晰的定義, 即尺寸小于1 mm的金屬粉末, 此外, 還要求金屬滿足純度高、球形度好、粒徑分布窄、含氧量低、流動性好等要求。2014年6月頒布的ASTM F3049-14標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了3D打印金屬粉性能的范圍和表征方法。目前, 3D打印用金屬粉末材料主要集中在鐵、鈦、鈷、銅、鎳等金屬及其合金方面。

隨著金屬3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展, 球形金屬粉末的市場將保持高增長態(tài)勢。2016年3D打印金屬粉的市場規(guī)模約為2.5億美元, 據(jù)IDTechEx表示, 到2025年, 3D打印金屬粉末的市場規(guī)模將達(dá)到50億美元。但目前3D打印用球形金屬粉主要由國外廠家壟斷, 國內(nèi)生產(chǎn)的球形粉末存在性能不穩(wěn)定、成本高、收得率低等問題。因此, 研究3D打印金屬粉末的制備尤為重要, 本文對3D打印用金屬粉末的主要制備工藝的基本原理進(jìn)行了闡述, 并分析了其優(yōu)缺點, 目的是進(jìn)一步提高3D打印用金屬粉末的制備技術(shù)水平, 促進(jìn)3D打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

1 .3D打印用金屬粉末制備工藝現(xiàn)狀
目前針對3D打印用金屬粉末的制備方法主要有霧化法、旋轉(zhuǎn)電極法、球化法等。

1.1 霧化法
霧化法制取的粉末已占當(dāng)今世界金屬3D打印粉末的80%以上, 其原理是以快速運動的流體 (霧化介質(zhì)) 沖擊或以其他方式將金屬或合金液流破碎為細(xì)小液滴, 隨之冷凝為固體粉末的粉末制取方法, 其原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示, 根據(jù)霧化介質(zhì)不同, 霧化法主要分為水霧化和氣霧化。

圖1 霧化制粉原理圖

1.1.1 水霧化
水霧化是以水為霧化介質(zhì)制備金屬粉末, 其生產(chǎn)成本低, 霧化效率高, 常用來生產(chǎn)鋼鐵粉末、含油軸承用預(yù)合金粉末、鎳基磁性材料粉末等。相對氣霧化, 水的比熱容比較大, 在霧化過程中破碎的金屬熔滴快速凝固變成不規(guī)則狀, 導(dǎo)致粉體形狀難以控制, 且難以滿足金屬3D打印對粉末球形度的要求, 此外由于活性金屬及其合金在高溫下與霧化介質(zhì)水接觸后會發(fā)生反應(yīng), 增加粉末氧含量, 這些問題限制了水霧化法制備球形度高、氧含量低的金屬粉末。

1.1.2 氣霧化
氣霧化的原理是通過高速氣流將液態(tài)金屬流粉碎為小滴并快速冷凝成粉末的過程。氣霧化制備金屬粉末具有粒度細(xì)、球形度高、純度高等優(yōu)點, 是目前生產(chǎn)3D打印用金屬粉末的主要方法, 其制備的3D打印粉末金屬占霧化法制備粉末的40%左右。但氣霧化技術(shù)也存在一定的不足, 在氣流破碎金屬液體的過程中, 氣流能量低, 霧化效率低, 增加了金屬粉末制備成本。

德國Nanoval公司在氣霧化技術(shù)的基礎(chǔ)上, 對噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn), 提出層流霧化技術(shù)。層流霧化噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示。該技術(shù)使氣流和金屬液流在層流霧化噴嘴中呈層流分布, 氣流在金屬表面產(chǎn)生的剪切力和擠壓力, 將金屬液流剪切成直徑不斷縮小的液滴, 其冷卻速度達(dá)106~107K/s, 制備的粉末粒度分布窄, 在2.0MPa的霧化壓力下, 霧化制備的金屬粉末平均粒度可以達(dá)到10μm。且氣體消耗低, 生產(chǎn)成本低, 適用于大多數(shù)3D打印用金屬粉末的生產(chǎn), 但這種制備技術(shù)在霧化的過程中不穩(wěn)定, 難以有效控制霧化過程, 生產(chǎn)效率低, 限制了其生產(chǎn)量, 難以適用于大規(guī)模3D打印用金屬粉末生產(chǎn)。

圖2 層流霧化噴嘴結(jié)構(gòu)圖

英國PSI公司在緊密耦合霧化技術(shù)的基礎(chǔ)上對緊耦合環(huán)縫式噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn), 使氣流的出口速度超過聲速, 可在較小的霧化壓力下獲得高速氣流, 在2.5 MPa壓力下, 氣體速率可達(dá)到540 m/s, 此外超聲緊密耦合霧化技術(shù)可以提高粉末的冷卻速度, 效率高, 成本低, 且應(yīng)用范圍廣, 是氣霧化技術(shù)重要的發(fā)展方向之一, 且具有工業(yè)實用意義, 對于促進(jìn)3D打印用金屬粉末的工業(yè)化生產(chǎn)制備有著重要的意義。

HJE公司和PSI公司采用研制出了一種熱氣體霧化制備新技術(shù), 對霧化介質(zhì)進(jìn)行加熱, 可以進(jìn)一步提高細(xì)粉收得率, 降低氣體消耗量, 實際應(yīng)用效果良好, 是一項具有應(yīng)用前景的技術(shù)。在霧化壓力1.72 MPa條件下, 將氣體加熱至200~400℃, 霧化所得粉末的平均粒徑和標(biāo)準(zhǔn)偏差均隨溫度升高而降低, 但由于熱氣體霧化技術(shù)受到氣體加熱系統(tǒng)和噴嘴的限制, 僅有少數(shù)幾家研究機構(gòu)進(jìn)行研究。

昆明冶金研究院通過對霧化噴嘴的改進(jìn), 在溫度1 800℃, 霧化壓力2.0MPa條件下, 采用氮氣霧化技術(shù)制備316 L不銹鋼金屬粉末, 并與德國EOS公司粉體形貌進(jìn)行對比, 微觀結(jié)構(gòu)情況見圖3。

圖3 316 L不銹鋼微觀組織

1.2 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, 其原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。一般來說, 旋轉(zhuǎn)電極的冷卻速率約為103~104K/s, 電極的旋轉(zhuǎn)速度為10 000~30 000 r/min, 制備的粉體粒度隨著電極旋轉(zhuǎn)速度、電極直徑的增大而減少, 范圍通常在50~350μm之間。

圖4 旋轉(zhuǎn)電極工藝原理圖

圖5 氣霧化制粉工藝和旋轉(zhuǎn)電極工藝制備的球形鈦粉

圖5是采用氣霧化工藝和旋轉(zhuǎn)電極工藝制備的球形鈦粉。與氣霧化工藝相比, 旋轉(zhuǎn)電極法制備的球形粉體沒有氣霧化球形粉末中常見的伴生相, 且球形度和光潔較高, 粒度分布范圍較窄, 無團(tuán)聚現(xiàn)象, 流動性好, 在金屬3D打印過程中鋪粉均勻性好, 打印產(chǎn)品致密度高、表面光潔度高。此外整個工藝過程, 一般采用惰性氣體保護(hù), 且不需要坩堝熔煉, 避免了金屬或合金與造渣和與耐火材料接觸, 減少金屬粉末污染源, 可生產(chǎn)高純度金屬粉末。

1.3 球化法
球化法主要是是對對破碎法和理化法生產(chǎn)的不規(guī)則粉體進(jìn)行球化處理, 被認(rèn)為是獲得高致密球形粉末的最有效工藝, 其原理是利用溫度高、能源密度大的熱源 (等離子) , 將粉末顆粒迅速加熱熔化, 并在其表面張力作用下縮聚成球形液滴, 進(jìn)入冷卻室后快速冷卻而得到球形粉末。目前, 球化法制備工藝主要分為射頻離子球化法和激光球化法兩種。由于初始粉體會產(chǎn)生一定的團(tuán)聚現(xiàn)象, 在球化過程中會使其整體熔融, 導(dǎo)致制備的球形金屬粉末粒度增大。

圖6 氫化鈦粉經(jīng)頻等離子球化前后微觀組織

目前加拿大的泰克納 (TEKNA) 公司開發(fā)的射頻等離子體粉體處理系統(tǒng), 在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位, 可以實現(xiàn)Ti、Ti-6Al-4V、W、Mo、Ta、Ni等金屬及其合金粉末的生產(chǎn)。國內(nèi)北京科技大學(xué)在射頻等離子球化方面進(jìn)行了大量的研究, 可以試驗W、Mo、Ti等金屬粉末的球化處理, 同時, 北京科技大學(xué)以氫化鈦粉為原料, 將射頻等離子球化處理與“氫爆”相結(jié)合, 球化過程中實現(xiàn)脫氫, 制備超細(xì)球形鈦粉, 粒度范圍可以達(dá)到20~50μm, 圖6是氫化鈦粉末經(jīng)射頻等離子球化前后粉末形貌圖。

結(jié)語
隨著金屬3D打印產(chǎn)業(yè)的日新月異, 球形3D打印金屬粉末制備技術(shù)也將進(jìn)一步完善及產(chǎn)業(yè)化。針對3D打印對金屬粉末性能要求的嚴(yán)格性, 目前國內(nèi)具備一定的生產(chǎn)能力, 氣霧化法及旋轉(zhuǎn)電極法可以實現(xiàn)一定規(guī)模化生產(chǎn), 球化法還處于實驗室階段, 實現(xiàn)規(guī)?；€有一定的距離, 但存在工藝穩(wěn)定性問題, 高端3D打印用金屬基粉末基本依賴進(jìn)口, 為此, 我國應(yīng)加大技術(shù)投入, 借鑒成熟的研發(fā)經(jīng)驗, 自主研發(fā)新技術(shù)新工藝, 促進(jìn)3D打印用金屬粉末制備技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。