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“揭秘3D打印金属粉末制备技术及现状 添加时间:2021-11-05 21:10

  金属粉末商场将坚持高延长的态势,IDTechEx预测到2025年到达50亿美金的商场范围,年复合延长率39.5%。接下来就为群众紧要先容一下,目前邦外里金属粉末的制备工艺——气雾化技艺的最新发扬,并对3D打印金属粉末制备技艺的近况举行解析,提出少少观点。

  3D打印技艺是一种新型的打印技艺,其卓绝利益正在于无需机器加工或任何模具,就能直接从策动机图形数据中天生任何式样的零件,从而极大地缩短产物的研制周期,普及坐蓐率和消重坐蓐本钱。3D打印金属粉末动作金属零件3D打印最要紧的原原料,其制备技巧备受人们闭怀 ,3D打印金属粉末动作金属零件3D打印资产链 最要紧的一环,也是最大的价格所正在。

  正在“2013年寰宇3D打印技艺资产大会”上,寰宇3D打印行业的巨擘专家对3D打印金属粉末予以明晰界说,即指尺寸小于1mm的金属颗粒群。搜罗简单金属粉末、合金粉末以及具有金属性子的某些难熔化合物粉末。目前,3D打印金属粉末原料搜罗钴铬合金、不锈钢、工业钢、青铜合金、钛合金和镍铝合金等。不过3D打印金属粉末除需具备精良的可塑性外,还务必满意粉末粒径渺小、粒度分散较窄、球形度高、活动性好和松装密度上等请求。 为了进一步声明3D打印金属粉末对产物的影响。

  采用采选性激光烧结法(SLS法)打印两种差异的不锈钢粉末,发明制备出的产物存正在彰着不同。德邦某厂家的不锈钢粉末打印样品外观光泽、缩小率小、不易变形、力学机能太平。而邦内某厂家的不锈钢粉末的打印样品则远远不足前者。为此,对两种差异的不锈钢粉末举行的微观容貌解析。

  图1为德邦某厂家不锈钢粉末的微观布局,从图中咱们可能看出,粉末颗粒球形度好,颗粒尺寸分散正在11.2~63.6μm领域内。图2为邦内某厂家的不锈钢粉末的微观布局,可能看出,其颗粒为不端正块状,尺寸较小。 通过上述探索注脚,3D打印耗材金属粉末需满意粒径渺小、粒度分散窄、球形度高、活动性好和松装密度高。因而,为了取得所需优异机能的3D打印产物,务必寻求一种高效的金属粉末制备技巧。

  目前,粉末制备技巧依据制备工艺紧要可分为:还原法、电解法、羰基解析法、研磨法、雾化法等。

  个中,以还原法、电解法和雾化法坐蓐的粉末动作原料运用到粉末冶金工业的较为普及。但电解法和还原法仅限于单质金属粉末的坐蓐,而对待合金粉末这些技巧均不实用。雾化法可能举行合金粉末的坐蓐,同时当代雾化工艺对粉末的式样也不妨做出职掌,继续繁荣的雾化腔布局大幅普及了雾化效果,这使得雾化法逐步繁荣成为紧要的粉末坐蓐技巧。雾化法满意3D打印耗材金属粉末的独特请求。 雾化法是指通过机器的技巧使金属熔液毁坏成尺寸小于150μm安排的颗粒的技巧。

  依据毁坏金属熔液的方法可能分为雾化法搜罗二流雾化法、离心雾化、超声雾化、真空雾化等。这些雾化技巧具有各自特质,且都已告成运用于工业坐蓐。个中水气雾化法具有坐蓐修造及工艺简便、能耗低、批量大等利益,己成为金属粉末的紧要工业化坐蓐技巧。

  正在雾化制粉坐蓐中,水雾化法是低价的坐蓐技巧之一。由于雾化介质水不单本钱低廉容易获取,并且正在雾化效果方而发挥特殊。目前,邦内水雾化法主 要用来坐蓐钢铁粉末、金刚石用具用胎体粉末、含油轴承用预合金粉末、硬面技艺用粉末以及铁基、镍基磁性粉末等。然而因为水的比热容弘大于气体,于是正在雾化进程中,被碎裂的金属熔滴因为凝聚过速而酿成不端正状,使粉末的球形度受到影响。

  别的少少具有高活性的金属或者合金,与水接触会爆发反映,同时因为雾化进程中与水的接触,会普及粉末的氧含量。这些题目节制了水雾化法正在制备球形度高、氧含量低的金属粉末的运用。不过,金川集团股份有限公司发理会一种水雾化制备球形金属粉末的技巧,其采用正在水雾化喷嘴下方处再成立一个二次冷水雾化喷嘴,举行二次雾化。该出现取得的粉末不只球形度亲昵气雾化结果,并且粉末粒度比一次水雾化更细。

  气雾化法是坐蓐金属及合金粉末的紧要技巧之 一。气雾化的根基道理是用高速气流将液态金属流碎裂成小液滴并凝聚成粉末的进程。因为其制备的粉末具有纯度高、氧含量低、粉末粒度可控、坐蓐本钱低以及球形度上等利益,已成为高机能及特种合金粉末制备技艺的紧要繁荣宗旨。不过,气雾化法也存正在亏欠,高压气流的能量远小于高压水流的能量,于是气雾化对金属熔体的碎裂效果低于水雾化,这使得气雾化粉末的雾化效果较低,从而添补了雾化粉末的制备本钱。

  层流雾化技艺是由德邦Nanoval公司等提出,该技艺对惯例喷嘴举行了宏大鼎新。图3为层流雾化喷嘴布局图。鼎新后的雾化喷嘴雾化效果高,粉末粒度分散窄,冷却速率达106~107K/s。正在2.0MPa的雾化压力下,以Ar或N2为介质雾化铜、铝、316L不锈钢等,粉末均匀粒度到达10μm。该工艺的另一个利益是气体消磨量低,经济效益明显,而且实用于大大批金属粉末的坐蓐。毛病是技艺职掌难度大,雾化进程不太平,产量小(金属质料流率小于1kg/min),晦气于工业化坐蓐。Nanoval公司正尽力于这些题目的处理。

  超声紧耦合雾化技艺是由英邦PSI公司提出。该技艺对紧耦合环缝式喷嘴举行布局优化,负气流的出口速率高出声速,而且添补金属的质料流率。图 4为模范的紧藕合雾化喷嘴布局图-Unal雾化喷嘴。正在雾化高外观能的金属如不锈钢时,粉末均匀粒度可达20μm安排,粉末的规范偏向最低可能降至1.5μm。

  该技艺的另一大利益是大大普及了粉末的冷却速率,可能坐蓐速冷或非晶结的粉末。从此刻的繁荣来看,该项技艺修造代外了紧耦合雾化技艺的新的繁荣宗旨,且具有工业实蓄谋义,可能平凡运用于微细不锈钢、铁合金、镍合金、铜合金、磁性原料、储氢原料等合金粉末的坐蓐。

  近年来,英邦的PSI公司和美邦的HJF公司分辨对热气体雾化的用意及机理举行了巨额的探索。 HJF公司正在1.72MPa压力下,将气体加热至200~400℃ 雾化银合金和金合金,得出粉末的均匀粒径和规范偏向均随温度升高而消重。与守旧的雾化技艺比拟,热气体雾化技艺可能普及雾化效果,消重气体消磨量,易于正在守旧的雾化修造上实行该工艺,是一项具有运用前景的技艺。不过,热气体雾化技艺受到气体加热编制和喷嘴的节制,仅有少数几家探索机构举行探索。

  目前,我邦河南黄河旋风股份有限公司依然先导进入3D打印金属粉末研发。其所用的粉末制备工艺如真空雾化制粉、超高压水雾化制粉、惰性气体紧耦合雾化制粉技艺。下面着重先容前两种雾化技艺。

  真空雾化制粉是指正在真空前提下熔炼金属或金属合金,正在气体维护的前提下,高压气流将金属液体雾化碎裂成巨额渺小的液滴,液滴正在飞翔中凝聚成球形或是亚球形颗粒。真空雾化制粉可能制备大大批不行采用正在氛围中和水雾化技巧缔制的金属及其合金粉末,可取得球形或亚球形粉末。因为凝聚速制胜了偏析景象,可能制取很众独特合金粉末。采用适合的工艺,可能使粉末粒度到达一个请求的领域。

  超高压雾化法是采用超高压雾化喷嘴制备金属 粉末的一种技巧。图5(a)为高压雾化喷嘴,图5(b)为超高压雾化喷嘴。超高压雾化喷嘴的特质是可能正在较低的气压下发生更高的超音速气流和匀称的气体速率场,从而尤其有用控制无益激波的发生,彰着添补气体的动能,使雾化效果更高。该喷嘴正在较低的气压下发生与高压雾化喷嘴相似的雾化结果,并且气流速率尤其太平和匀称。同时,制得的粉末粒径小、分散窄。

  近年来,我邦踊跃研究3D打印金属粉末制备技艺,发轫赢得收效。自20世纪90年代初此后,清华大学、西安交通大学、华中科技大学、华南理工大学、北京航空航天大学、西北工业大学等高校,正在3D打印原料技艺方面,展开了踊跃的研究,已有局部技艺处于寰宇进步水准。黄河旋风股份有限公司依然先导进入3D打印金属粉末研发。具有众套邦内领先水准的雾化制粉修造,工艺涵盖真空雾化制粉、超高压水雾化制粉、惰性气体紧耦合雾化制粉技艺,将为中邦的3D打印职业进献一份气力。之前南极熊报道河南黄河旋风5.18亿投向3D打印金属粉末,

  同时,正在惯例的金属粉末雾化喷嘴中,金属粉末的造成是靠气流对金属液流的扰动和袭击使其碎裂成粉末,因为气流的扰动具有统计特点,粉末的粒度分散较宽,同时正在整个的雾化技艺中,不管喷嘴的布局怎样,气流正在用意于液流前的飞翔中继续膨胀,速率减小,导致雾化气体能量耗损较大,影响了雾化效果。因而,这为3D打印技艺带来挑衅的同时,也带来了商机。3D打印技艺动作“增材缔制”的紧要实行样子,省俭本钱、裁减燃料消磨,必将成为最具潜力繁荣的资产。

  遵照独立商场探索公司MarketsandMarkets正在2015年年末公布的申报,环球金属粉末供应的5至公司分辨是Sandvik,Carpenter,GKN,Arcam,LPW Technology。3D打印粉末商场估计正在另日几年会显着延长,个中,金属粉末被报道是目前3D打印粉末中最紧要的。Carpenter目前动作环球3D打印粉末商场中最宏大的公司之一,而且断定是美邦的领先公司。遵照申报,北美是目前商场上最紧要的区域,估计正在另日几年将持续坚持领先位子。