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3D打印用有色金屬粉末種類及制備方法

發布日期:2019-12-10 17:17:46 點擊次數: 字號: [默認] [] [] []
摘要:其中的純鈦及鈦合金,因為具有重量輕、強度大、耐蝕性及生物相容性良好的特殊性能,被應用于航空航天、汽車制造和醫療等行業。而鋁合金因具有良好的導熱性能,常應用于薄壁零件如換熱器或其他汽車零部件,還應用...
        一、3D打印使用的有色金屬粉末種類

        3D打印使用的有色金屬粉末主要有純鈦及鈦合金、鋁合金、鎳基合金、銅基合金、鈷鉻合金等。

3D打印用有色金屬粉末種類及制備方法

        其中的純鈦及鈦合金,因為具有重量輕、強度大、耐蝕性及生物相容性良好的特殊性能,被應用于航空航天、汽車制造和醫療等行業。而鋁合金因具有良好的導熱性能,常應用于薄壁零件如換熱器或其他汽車零部件,還應用于航空航天及航空工業級的原型及生產零部件。鎳基合金因具有良好的耐腐蝕性、耐熱、抗拉伸、抗疲勞及抗蠕變性,主要用于飛機發動機、燃氣輪機、工業爐、石油化工及化學品生產工業中。銅基合金具有良好的導熱性和導電性,并具有可制作壁薄、形狀復雜器型的特征。常用于半導體器件、微型換熱器等方面。鈷鉻合金具有高強度、耐腐蝕性強、良好的生物相容性以及無磁性的特性,被應用在外科植入物方面,如合金人工關節、膝關節和髖關節等,同時其還可用于發動機部件。

        二、3D打印使用的有色金屬粉末制備方法

        由于3D打印的特殊性,對有色金屬粉末提出更高的要求,為滿足3D打印裝備及工藝要求,金屬粉末必須具備較低的氧氮含量、良好的球形度、較窄的粒度分布區間和較高的松裝密度等特征。

        為了達到3D打印用有色金屬粉末的高要求,其生產方法一般采用等離子旋轉電極法(PREP)、等離子霧化法(PA)、氣霧化法(GA)以及等離子球化法(PS),這四種方法是當前3D打印用金屬粉末的主要制備方法,四者均可制備球形或近球形金屬粉末。

        1、等離子旋轉電極法PREP

        等離子旋轉電極法PREP(Plasma Rotating Electrode-comminutingProcess)是俄羅斯發展起來的一種球形粉末制備工藝。其原理是將金屬或合金加工成棒料并利用等離子體加熱棒端,同時棒料進行高速旋轉,依靠離心力使熔化液滴細化,在惰性氣體環境中凝固并在表面張力作用下球化形成粉末。優點:表面清潔、球形度高、伴生顆粒少、無空心/衛星粉、流動性好、高純度、低氧含量、粒度分布窄。缺點:粉末粒度較粗,微細粒度粉末收得率低,細粉成本偏高。

        2、等離子霧化法(PA)

        等離子霧化法PA(Plasma Atomization)是加拿大AP&C公司獨有的金屬粉末制備技術。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,溫度甚至可以高達10000 K,專用送料裝置將金屬絲送入等離子體焦點,原材料被迅速熔化或汽化,被等離子體高速沖擊分散霧化成超細液滴或氣霧狀,在霧化塔中飛行沉積過程中,與通入霧化塔中的冷卻氬氣進行熱交換冷卻凝固成超細粉末。

        3、氣霧化法(GA)

        目前,3D打印用金屬粉末材料的氣霧化制備常用技術包括有坩堝真空感應熔煉霧化VIGA(Vacuum Induction-melting Gas Atomization)和無坩堝電極感應熔煉氣霧化EIGA(ElectrodeInduction-melting inert Gas Atomization)。其中VIGA法采用坩堝熔煉合金材料,合金液經中間包底部導管流至霧化噴嘴處,被超音速氣體沖擊破碎,霧化成微米級尺度的細小熔滴,熔滴球化并凝固成粉末。該方法主要適用于鎳基合金、鈷基合金、鋁基合金、銅基合金等粉末的生產制備。EIGA法將氣霧化技術與電極感應熔煉技術相結合,摒棄與金屬熔體相接觸的坩堝等部件,將緩慢旋轉的合金棒金屬電極降低至一個環形感應線圈中進行電極熔化,電極熔滴落入氣體霧化噴嘴系統,利用惰性氣進行霧化,可有效降低熔煉過程中雜質引入,實現活性金屬的安全、潔凈熔煉,主要應用于活性金屬及其合金、金屬間化合物、難熔金屬等粉末材料的制備,例如鈦及鈦合金、鈦鋁金屬間化合物的生產。

        4.等離子球化法(PS)

        射頻等離子體具有能量密度高、加熱強度大、等離子體弧的體積大等特點,由于沒有電極,不會因電極蒸發而污染產品。射頻等離子體粉末球化技術原理,是在高頻電源作用下,惰性氣體(如氬氣)被電離,形成穩定的高溫惰性氣體等離子體;形狀不規則的原料粉末用運載氣體(氮氣)經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,表面迅速熔化;并以極高的速度進入反應器,在惰性氣氛下快速冷卻,在表面張力的作用下,冷卻凝固成球形粉末,再進入收料室中收集。

        三、我國3D打印用有色金屬粉末的情況

        目前,3D打印產業正處于高速發展期,在材料、裝備、工藝、應用等方面,歐美走在的前列。我國3D打印技術發展多集中于打印成型過程,在有色金屬粉末材料研究方面重視不夠,有色金屬粉末材料的制造裝置及工藝技術研究投入明顯不足。國內有色金屬3D打印材料大部分依賴進口,價格昂貴。在生產企業中,北京的中航邁特是目前國內生產能力最大的3D打印有色金屬粉末材料的公司,年產量可達800噸。該公司自主研發的EIGA電極感應鈦合金制粉裝置及其工藝技術率先實現國產化,打破了歐美在航空航天用微細鈦合金粉末材料領域的技術封鎖和市場壟斷。

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