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增材制造用金属粉末材料及其制备技术

2018/2/19    来源:互联网    作者:张飞  高正江  马腾  张鹏  李文英  陈欣      
关键字:增材制造  金属粉末  气雾化  等离子旋转电极  
增材制造技术是当前备受关注的先进制造技术之一,经历了原型制造阶段以后,金属增材制造正朝着直接快速成形应用发展。金属粉末作为金属增材制造的关键原材料,已成为我国金属增材制造技术发展的主要短板。等离子旋转电极法(PREP)、等离子雾化法(PA)和气雾化法(GA)是当前制备增材制造用金属粉末的主要方法。同其它制粉方法相比,气雾化法(GA)凭借生产效率高、材料适应范围广、成本较低、细粉收得率可控等优势,已成为全球制粉企业普遍采用的制粉技术。中航迈特利用气雾化法(GA)制粉技术开展了钛合金、镍合金、钴铬合金、贵金属等先进合金粉末材料的开发和批量制备,在多工艺低成本复合制造和应用验证方面实现突破,粉末各项指标满足增材制造使用要求,实现粉末材料重大装备及其技术国产化。

引言

    增材制造,亦称3D打印,经过近30年的快速发展,已成为当前备受关注的先进制造技术之一。参照美国材料与试验协会给出的定义:增材制造是依据三维模型数据将材料连接制作成物体的过程。与传统通过去除材料获得零件的方式相比,增材制造技术不需要模具,从设计到成品周期较短,且不受结构及材料的限制。由于以上优点,增材制造技术被一些欧美专家誉为可引领“第三次工业革命”的颠覆性技术,在航空航天、汽车、医疗等行业取得了广泛应用。

    我国已建立了较完整的增材制造技术研发体系,在增材制造材料科学基础方面有比较深入的研究,并在金属增材制造零部件力学性能上达到了较高水平,但在关键器件、成形材料、智能化控制和应用范围等方面同国外先进水平有较大差距。现有金属增材制造技术主要包括以粉末床激光/电子束选区熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)和同步送粉/送丝高能束(激光、电子束、电弧等)熔敷成型技术。

    球形金属粉末材料是金属增材制造(3D打印)工艺的原材料和耗材。研究开发出高品级的粉末材料是增材制造(3D打印)工艺的首要条件,同时也是新型合金材料设计开发的重要工艺环节。近年来,随着增材制造技术产业的快速发展,全球金属粉末需求旺盛,符合3D打印工艺要求的粉末材料供应短板凸显。欧美多家研究机构和企业不断加大对高品质球形粉末材料的研制,尤其是微细(≤45μm)粉末的研发力度。相比之下,我国高品质球形粉末技术产业基础薄弱,微细(≤45μm)球形粉末大量依赖进口,价格非常昂贵。此外,国外打印设备商采取设备+粉末材料捆绑的营销策略,增加了国内用户对国外设备供应商捆绑材料的依赖,极大制约了我国增材制造材料技术的自主发展。

1 金属粉末制备方法

    金属粉末由于应用及后续成型工艺要求不同,其制备方法也是各有不同,按制备过程主要包括物理化学法和机械法两种。当前金属的粉末制备方法详见表1。

    表1 运达WD110-2.0MW-H90A型风机塔架基本参数

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    当前增材制造用金属粉末主要集中在钛合金、高温合金、钴铬合金、高强钢和模具钢等材料方面。为满足增材制造装备及工艺要求,金属粉末必须具备较低的氧氮含量、良好的球形度、较窄的粒度分布区间和较高的松装密度等特征。等离子旋转电极法(PREP)、等离子雾化法(PA)和气雾化法(GA)是当前增材制造用金属粉末的主要制备方法,三者均可制备球形或近球形金属粉末。

1.1 等离子旋转电极法(PREP)

    等离子旋转电极法PREP(Plasma Rotating Electrode comminuting Process)是俄罗斯发展起来的一种球形粉末制备工艺。其原理如图1所示,将金属或合金加工成棒料并利用等离子体加热棒端,同时棒料进行高速旋转,依靠离心力使熔化液滴细化,在惰性气体环境中凝固并在表面张力作用下球化形成粉末。

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    图1 PREP设备原理图

    PREP法适用于钛合金、高温合金等合金粉末的制备。该方法制备的金属粉末球形度较高,流动性好,但粉末粒度较粗,SLM工艺用微细粒度(0~45μm)粉末收得率低,细粉成本偏高。由于粉末的粗细即液滴尺寸的大小主要依靠提高棒料的转速或增大棒料的直径,转速提高必然会对设备密封、振动等提出更高的要求。

    现阶段,PREP最先进的设备及核心技术仍掌握在俄罗斯手中,国内单位主要依赖与直接引进或者是在引进后进行吸收—消化—改进的方式掌握了部分技术,钢铁研究总院、北京航空材料研究院和西北有色金属研究院早期引进了俄罗斯的PREP设备,但现阶段设备工艺技术水平同国际先进有较大差距。国内西安交通大学、中南大学等高校开展了PREP工艺技术基础研究工作。钢铁研究总院和郑州机械研究所联合开发了国内首台大型PREP设备,用于合金粉末材料的研制,但钛合金细粉收得率仍不理想。近几年来,西安欧中公司从俄罗斯引进两套PREP设备,中航迈特、湖南顶立也相继自主研发了成套PREP设备,钛合金细粉(≤45 μm)收得率不足20%。总体来看,我国早期引进和现阶段自主研发的PREP设备在整机性能上同俄罗斯仍有差距。

责任编辑:张纯子
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