金屬零件的3D打印——材料篇（中）

3D打印金屬粉末的質(zhì)量對(duì)于3D打印的產(chǎn)品有著重要的影響。目前中國(guó)3D打印行業(yè)所使用的高分子材料、金屬材料大多依賴進(jìn)口，價(jià)格居高不下，嚴(yán)重阻礙了中國(guó)3D打印的市場(chǎng)應(yīng)用。而人們過(guò)度關(guān)注3D打印設(shè)備，往往忽視了3D打印材料的發(fā)展。

3D打印技術(shù)粉末除需具備良好的可塑性外，還必須滿足粉末粒徑細(xì)小、粒度分布較窄、球形度高、流動(dòng)性好和松裝密度高等要求，傳統(tǒng)的粉末冶金用的金屬粉末材料并不能完全滿足3D打印的工藝要求^[1]。

1、  氣霧化法

氣霧化法是最普通的一種粉末生產(chǎn)的方法。填充的金屬在一定環(huán)境下（保護(hù)氣或者真空）在腔體內(nèi)熔化，隨后在氣體壓力的作用下，熔化的金屬通過(guò)被高壓氣體（氮?dú)狻⒑饣驓鍤獾龋┌鼑膰娮欤⒃诟邏簹怏w的沖擊下形成小的液珠，隨后通過(guò)冷卻，最終形成金屬粉末，如圖1所示。

這種方法獲得的金屬粉末大部分為球狀，并伴隨有一些非堆成的顆粒和衛(wèi)星球（指在凝固過(guò)程中，較小的液態(tài)金顆粒粘貼到較大的金屬球上）。

圖1  氣霧化法示意圖

根據(jù)氣霧化技術(shù)的特點(diǎn)，在對(duì)噴嘴的改造和優(yōu)化過(guò)程中，又發(fā)展起了一些改進(jìn)的氣霧化技術(shù)^[2]，如層流氣霧化技術(shù)、超聲速氣霧化技術(shù)、熱氣體霧化技術(shù)等。

a 層流氣霧化技術(shù)

層流霧化技術(shù)是由德國(guó)Nanoval公司等提出的，該技術(shù)對(duì)常規(guī)噴嘴進(jìn)行了重大改進(jìn)，如圖2所示。氣流在噴嘴的喉部達(dá)到音速，當(dāng)進(jìn)一步提高壓力比，將維持穩(wěn)定的音速狀態(tài)，噴嘴喉部下方氣流呈超音速狀態(tài)，并不會(huì)出現(xiàn)激波。這時(shí)金屬液流細(xì)絲得到加速，當(dāng)表面張力不再平衡內(nèi)壓力和氣流壓力時(shí)金屬液流失去穩(wěn)定性并且破裂為纖維絲而后進(jìn)一步破碎成粉末,改進(jìn)后的霧化噴嘴霧化效率高。

缺點(diǎn)是技術(shù)控制難度大、霧化過(guò)程不穩(wěn)定、產(chǎn)量小、不利于工業(yè)化生產(chǎn)。

圖2  層流霧化法示意圖

b 超聲緊耦合霧化技術(shù)^[3-4]

超聲緊密耦合霧化技術(shù)是由英國(guó)PSI公司提出的。該技術(shù)對(duì)緊耦合環(huán)縫式噴嘴進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如圖3所示，使氣流的出口速度超過(guò)聲速，并且增加金屬的質(zhì)量流率，有利于工業(yè)化生產(chǎn)和降低成本。同時(shí)，該技術(shù)大大提高了粉末的冷卻速度，可以生產(chǎn)快冷或非晶結(jié)構(gòu)的粉末。可以廣泛用于微細(xì)不銹鋼、鐵合金、鎳合金、銅合金、磁性材料、儲(chǔ)氫材料等合金粉末的生產(chǎn)。

圖3  超聲緊密耦合霧化技術(shù)示意圖

c 熱氣體霧化技術(shù)

英國(guó)的PSI公司和美國(guó)的HJF公司通過(guò)改變霧化介質(zhì)的屬性來(lái)提高霧化效率。初步研究表明，該技術(shù)相比于傳統(tǒng)的霧化技術(shù)，可以提高霧化效率，降低氣體消耗量，且易于在傳統(tǒng)的霧化設(shè)備上實(shí)現(xiàn)該技術(shù)。目前仍處于研究中。

2、  水霧化法

水霧化法與氣霧化法基本一致，只是霧化的介質(zhì)由氣體轉(zhuǎn)變?yōu)樗Ｓ捎谒谋葻崛葸h(yuǎn)大于氣體，所以在霧化過(guò)程中，被破碎的金屬液滴由于凝固過(guò)快而變成不規(guī)則形狀，使粉末的球形度收到影響。另外一些具有高活性的金屬或者合金，與水接觸會(huì)發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)由于霧化過(guò)程中與水的接觸，使粉末中的含氧量提高。這些問(wèn)題都限制了水霧化法在制備球形度高、氧含量低的金屬粉末中的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)主要用來(lái)生產(chǎn)鋼鐵粉末、金剛石工具用胎體粉末等。

3、  等離子霧化法

這是一種相對(duì)較新的方法，該技術(shù)可以生產(chǎn)球形度較高的高質(zhì)量粉末。該技術(shù)最初于1998年引入工業(yè)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了將鈦等活性金屬制造成具有精細(xì)粒徑分布的高純度粉末這一技術(shù)。

金屬線材作為待熔化材料伸入到等離子噴嘴中，隨后被氣體霧化，如圖4所示。該技術(shù)目前**于制造那些可以被制造成線材的合金的金屬粉末。

圖4  等離子霧化技術(shù)示意圖

4、  電磁感應(yīng)熔化氣體霧化法

填充材料為金屬棒。金屬棒在感應(yīng)線圈的作用下被熔化，隨后熔化的金屬向下流入到氣流中進(jìn)行霧化。與氣霧化法相比，該方法的金屬材料在制造過(guò)程中不會(huì)與坩堝或者電極棒接觸，避免污染。該技術(shù)成本低、無(wú)污染，較為適合小批量和小粒徑的金屬粉末生產(chǎn)。

圖5 電磁感應(yīng)熔化氣體霧化技術(shù)示意圖

5、  真空霧化法

真空氣霧化制粉方法是近年來(lái)在金屬粉末制造行業(yè)中發(fā)展起來(lái)的一種新型工藝。它具有材料不易氧化、金屬粉末快淬、自動(dòng)化程度較高等優(yōu)點(diǎn)。具體工藝是合金(金屬)在感應(yīng)爐中熔化、精煉后，熔化的金屬液體倒人保溫柑塌中，并進(jìn)人導(dǎo)流管和噴嘴，此時(shí)熔體流被高壓氣體流所霧化。霧化后的金屬粉末在霧化塔中進(jìn)行凝固、沉降，落人收粉罐中，具體流程見(jiàn)圖6。

圖6 真空氣霧化制粉技術(shù)示意圖

6、  等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法

生產(chǎn)高溫合金粉末主要采用等離子旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)電極法，以預(yù)制母合金作為旋轉(zhuǎn)電極，在等離子弧作用下使母合金熔化，靠離心力的作用飛射到保護(hù)氣體空腔。該方法所得粉末球形度好，表面光亮潔凈，含氧量低，流動(dòng)性好。

圖7  等離子旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)電極法示意圖

7、  超聲氣體霧化法

超聲氣體霧化法的主要設(shè)備與水霧化法相似，但是利用高速高頻脈沖氣流代替了水流。高速高頻脈沖氣流可以將熔體流分離成更細(xì)、更均勻的熔滴，制備的粉末更細(xì)。目前該方法已經(jīng)成功用于高溫合金和鋁合金粉末的制備。