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            金屬3D打印粉末主流制備工藝方法

            發布時間:2021-06-15瀏覽次數:9


             在當前3D打印產業當中,金屬3D打印占據了相當大一部分比例,而且隨著金屬3D打印技術的日益成熟和成本大幅下降,其應用范圍、深度和規模都在不斷突破。比如在航空航天領域,金屬3D打印已經從制造測試樣件進入到批量生產的階段;在齒科領域,3D打印金屬牙冠也成為牙齒技工所的常規手段;在骨科領域,3D打印金屬植入體開始規?;褂?;在模具、散熱器等領域正在替代傳統工藝;在汽車領域還有巨大的應用潛力等待挖掘。


                   作為金屬3D打印最常用的原材料之一,金屬球形粉末發揮著至關重要的作用。由于3D打印在制造工藝上的特殊性,其所需的金屬粉末也有區別于傳統的粉末冶金方法,目前打印用粉末多是以球形度高、流動性好、純度高的細粉為主。因此,像傳統的還原法、電解法等方法生產出的不規則粉末難以在金屬3D打印中得到實際應用。近年來,隨著金屬產品在裝備制造領域應用的普及,金屬3D打印的應用市場也不斷擴大。為實現金屬3D打印產業化大規模發展,對原材料金屬粉末的產量、成本等要求也需要不斷提高。

             

            金屬3D打印粉末的制備工藝

             

            從工藝方面劃分,當前全球主流的3D打印金屬粉末制備方法包括:氣霧化法(GA)、等離子旋轉電極法(PREP)、等離子霧化法(PA),以及等離子球化法(PS)等。

             

            1)氣霧化法

            氣霧化法是利用惰性氣體在高速狀態下對液態金屬進行噴射,使其霧化、冷凝后形成球形粉。根據熱源的不同又可以將氣霧化法細分為電極感應熔煉氣霧化(EIGA)和等離子惰性氣體霧化(PIGA)兩種工藝,采用惰性氣體既能防止產物氧化,又能避免環境污染。在EIGA工藝中,為電極形式的預合金棒將在不使用熔煉坩堝的情況下進行感應熔煉和霧化,其工藝原理圖如下圖所示。采用氣霧化法所得粉末粒度分布廣,大部分為細粉,雜質易于控制,但粉末由于粒徑不同而冷卻速度不同,導致顆粒內部易產生氣泡,形成空心結構,粉末形狀不均勻,出現行星球等,對粉末后期應用造成不利影響。


             

             

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            電極感應熔煉氣霧化(EIGA)原理及其生產的金屬粉末

            2)等離子旋轉電極霧化法(PREP)

            等離子旋轉電極霧化法(PREP)是生產高純球形鈦粉較常用的離心霧化技術,其基本原理是自耗電極端面被等離子體電弧熔化為液膜,并在旋轉離心力作用下高速甩出形成液滴,然后液滴在表面張力的用下球化并冷凝成球形粉末。PREP因采用自耗電極,制備出的粉末純凈度較高,且該技術不使用高速惰性氣體霧化金屬液流,避免了“傘效應”引起的空心粉和衛星粉顆粒的形成。因此,相對于氣霧化而言,PREP 制備的粉末中空心粉和衛星粉更少。PREP 制備的粉末球形度可達99.5%以上,但是粉末粒徑分布較窄,主要介于50~150μm,存在著粉末尺寸偏大的問題并且細粉收得率很低。目前俄羅斯最先進的PREP技術也只能收得約15%的細粉(~45μm),難以服務于微細球形鈦粉市場。

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            3)等離子絲材霧化法(PA)

            等離子絲材霧化法(PA)是加拿大AP&C公司特有的金屬粉末制備技術,PA工藝是以純度高的金屬或合金絲為原料,以等離子槍為加熱源,原料絲材被等離子體瞬間熔化的同時被高溫氣體霧化,形成的微小液滴在表面張力的作用下球化并在下落過程中冷卻固化為球形顆粒的一種工藝。以合金絲為原料制備各種材質球形粉末的工藝,可實現高水平的可追溯性和較好的顆粒大小控制。該工藝生產出的粉末粒徑分布范圍窄,平均粒徑約為40μm,細粉收得率高(80%),幾乎沒有衛星球;粉末純度高(低氧,無夾雜),球形度高,伴生顆粒非常少。具有出色的流動性和表觀密度、振實密度。主要服務對象為生物醫療和航空航天工業,產品暢銷20余個國家。

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            近年來,國外關于PA技術的研究取得了不少進展,現有技術已能夠在單位時間內所消耗氣體與原料的質量比小于20的條件下,制備大量(至少80%)粒徑分布為0~106μm的金屬粉末。加拿大AP&C公司是PA技術的專利持有者,加拿大Pyro Genesis公司也擁有相關類似專利,但均不對外出售等離子霧化設備。由于國外公司專利保護及技術封鎖,一直以來國內關于PA技術的研究進展緩慢。

            4)射頻等離子球化工藝

            射頻等離子體球化法是利用射頻電磁場作用對各種氣體(多為惰性氣體)進行感應加熱,產生射頻等離子。例用等離子區的極高溫度熔化非球狀粉末。隨后粉末經過一個極大的溫度梯度,迅速冷凝成球狀小液滴,從而獲得球形粉末。

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            射頻等離子球化技術(PS)

            目前國外在這方面研究較多的公司有代表性的包括:英國LPW技術公司和加拿大的泰克納公司。其中,泰克納 (TEKNA) 公司所開發的射頻等離子體粉體處理系統,在世界范圍內處于領先地位,可以實現Ti、Ti-6Al-4V、W、Mo、Ta、Ni等金屬及其合金粉末的生產。

             

            國內北京科技大學在射頻等離子球化方面也進行了大量的研究,以不規則形狀的大顆粒TiH2粉末為原料,經過射頻等離子高溫區后TiH2粉末脫氫分解、爆碎,即發生“氫爆”。爆開的金屬液滴下落過程中,在表面張力的作用下縮聚成規則的球狀,得到微細球形粉末。所收得的粉末粒度范圍可以達到20~50μm,細粉收得率更是高達80%以上,各項性能參數均不遜于國際一流隊列的粉末,圖6是氫化鈦粉末經射頻等離子球化前后粉末形貌圖。同時,該團隊還將該方法創新性地應用到了鎢、高溫合金、釹鐵硼等金屬粉末的球化處理當中,均取得了顯著的成果。

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            △射頻等離子體制備球形鈦粉示意圖

             

            “中國制造2025”需要國產金屬粉末的崛起

             

            國內金屬3D打印產業的發展迅猛,市場規模日益擴大,但與歐美等金屬3D打印起步較早的一些發達國家相比,我國的金屬3D打印在材料、裝備及工藝方面的投入研究依然存在較大差距。根據中國有色金屬工業協會鈦鋯分會的統計,近三年鈦粉的出口總量高于進口總量,而出口所獲利潤則遠低于進口成本。事實上,國內高性能金屬粉末仍面臨著供不應求的局面,像3D打印、注射成型等需求旺盛的下游行業卻也只能“等米下鍋”。

             

            高端金屬粉末的生產工藝特殊,世界上僅有如美、德、加拿大等少數幾個國家具有原創和較深的技術積累,且高性能球形粉生產設備對外禁售,壟斷技術,進口粉末價格高達3000元/公斤。國內參與金屬3D打印粉末制備的企業數量雖多,但是多數企業不注重產品技術準入門檻,導致技術含量低,在激烈的市場競爭中大打“價格戰”。雖然這使得金屬粉末的價格有了一定的下降,但從另一方面來講,中、低等品質鈦粉市場趨于飽和,不能滿足高端客戶需求,特別是航空級、醫用級別的高質量鈦粉仍需大量進口。這造成我國金屬、礦產和人力資源的極大浪費,也制約了我國增材制造產業的健康發展。

             

            針對3D打印對金屬粉末性能要求的嚴格性,目前國內具備一定的生產能力,氣霧化法及旋轉電極法可以實現一定規?;a,球化法還處于實驗室階段,存在工藝穩定性問題,實現規?;€有一定的距離。為解決高端3D打印用金屬基粉末依賴進口的痛點,我國應加大技術投入,借鑒成熟的研發經驗,自主研發新技術新工藝,促進3D打印用金屬粉末制備技術的發展和進步,也爭取在增材制造行業標準制定領域保持足夠的話語權。

             

            在金屬粉末領域尖端技術不突破,國產化替代不實現,不利于我國國際市場競爭力和綜合國力的提升。為促進我國自主增材制造產業的建設發展,及早實現3D打印上下游產業鏈各部分的國產化替代,需要我們從原材料粉末制備到最終產品逐一補課。當然,一花獨放不是春,百花齊放春滿園,我們也鼓勵越來越多的企業和科研機構投入到3D打印領域研究中來,加大對增材制造產業的投入和對專業3D打印技術人員的培養,為新材料事業的發展添磚加瓦,為早日實現“中國制造2025”助力增彩。

             

             以上文章內容轉載于南極熊3D打印平臺。


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