增材制造專用粉末的開(kāi)發(fā)與制備

霍仁杰

摘要：金屬增材制造是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的具有信息化制造技術(shù)特征的新型材料加工技術(shù)。其中專用粉末的制備是增材制造工藝中最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)與研發(fā)機(jī)構(gòu)紛紛開(kāi)發(fā)不同成分、不同規(guī)格的專用冶金粉末項(xiàng)目并應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)等增材制造典型制造領(lǐng)域中?；诖耍疚难芯吭霾闹圃鞂Ｓ梅勰┑拈_(kāi)發(fā)前沿發(fā)展以期應(yīng)用于更多行業(yè)中。

Abstract： Metal additive manufacturing is a new material processing technology developed in recent years with the characteristics of informatization manufacturing technology. The preparation of special powder is the most critical part of the additive manufacturing process. Well-known enterprises and R&D institutions at home and abroad have developed special metallurgical powder projects with different compositions and specifications， and they are used in the typical manufacturing fields of aerospace， biomedical and other additive manufacturing. Based on this， this paper studies the Frontier development of the development of specialty powders for additive manufacturing in order to be applied to more industries.

關(guān)鍵詞：增材制造;專用粉末;開(kāi)發(fā)與制備

Key words： additive manufacturing;special powder;development and preparation

中圖分類號(hào)：TF123 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）23-0140-02

0 ?引言

最近，金屬材料的增材制造，又被稱為激光（電子束）快速成型技術(shù)，逐漸成為裝備制造行業(yè)的熱門研究技術(shù)，而以顆粒狀的金屬粉末作為材料應(yīng)用最為廣泛。這種熱加工技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料科學(xué)與熱處理、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、控制理論與控制技術(shù)、電子信息工程等學(xué)科的先進(jìn)智能加工技術(shù)。采用類似于堆焊的逐層堆積成形原理[1]，以激光、電子束或者電弧為熱源，依據(jù)三維計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)完成的零件離散化地在基材基礎(chǔ)上進(jìn)行增材制造，從而解決了工業(yè)生產(chǎn)中的個(gè)性化需求，縮短了研發(fā)周期;作為航空航天和電力工程產(chǎn)品，新技術(shù)使得生產(chǎn)周期由傳統(tǒng)的3-6個(gè)月縮短至48h[2];另一方面，對(duì)于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、多孔狀結(jié)構(gòu)等復(fù)雜金屬零件的加工相對(duì)于車、鉗、銑、刨為代表的減材制造具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并被廣泛地應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

其中，激光增材制造技術(shù)是應(yīng)用最廣泛、最成熟的加工工藝，分為激光直接融化制造技術(shù)和選擇性激光熔化技術(shù)。零件在高性能加工過(guò)程中金屬粉末的成分及成形后的性能是影響增材制造質(zhì)量的關(guān)鍵，因此，針對(duì)金屬材料增材制造的專用粉末的開(kāi)發(fā)與制備是該項(xiàng)技術(shù)得以大面積推廣應(yīng)用的重點(diǎn)。冶金粉末是加工制造的原材料，當(dāng)時(shí)用低質(zhì)量的金屬粉末時(shí)，即使是最先進(jìn)的增材制造工藝、最頂端的增材制造熱源和最優(yōu)化的控制技術(shù)，仍然不能得到滿意的最終產(chǎn)品[3]。目前，還沒(méi)有任何針對(duì)金屬增材制造工藝技術(shù)而專門開(kāi)發(fā)的制備技術(shù)，制備工藝仍然停留在等離子噴涂、真空等離子噴涂以及高速氧燃料火焰噴涂等熱噴涂工藝。粉末的質(zhì)量較低，含有較多的C、N、O、H等雜質(zhì)而形成空心顆粒。這樣的粉末在逐層增材制造過(guò)程中造成零件內(nèi)部出現(xiàn)縮孔、縮松，甚至出現(xiàn)裂紋等缺陷，加劇了零件的脆性失效危險(xiǎn)。另一方面是金屬粉末應(yīng)用層面的問(wèn)題，要求在制備過(guò)程中能夠完全規(guī)避與其他材料尤其是空氣的接觸。因此，增材制造專用粉末的制備、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的研究是保證制造工藝質(zhì)量，提高加工效率以及廣泛應(yīng)用重中之重。

1 ?金屬粉末

金屬增材制造合金粉末所囊括的物質(zhì)種類比單純金屬粉末多很多。在裝備制造業(yè)中主要使用的合金包括：鈦合金、不銹鋼、高溫合金、模具鋼與工具鋼、鋁及鋁合金、鈷鉻合金以及鎳基合金。而通過(guò)機(jī)械方法破碎而成的細(xì)小合金集合體所形成的粉末用于噴涂尚可滿足要求，而增材制造在加工前已經(jīng)對(duì)粉末粒徑與均勻性、比表面積、松裝密度、分體密度、孔隙率、粉末束流[4]、送粉方式等參數(shù)指標(biāo)有了明確的規(guī)定，必須針對(duì)增材制造的生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)有針對(duì)性的粉末制備方法。

在粉末的選擇上，對(duì)于增材制造而言，美國(guó)Carpenter公司投資2000余萬(wàn)元進(jìn)行增材制造用超級(jí)合金粉末的開(kāi)發(fā);美國(guó)ATI公司宣布將提高增材制造用鎳基合金粉末的生產(chǎn)產(chǎn)能來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的需求[5]。英國(guó)LPW技術(shù)公司與Metalysis技術(shù)公司開(kāi)展了合作，將結(jié)合Metalysis有限公司卓越的金屬粉末生產(chǎn)規(guī)模與LPW有限公司高超的粉末球化處理水平，從而為金屬增材制造產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)高純度的球形鈦合金粉末和鎢合金粉末，并擁有專利知識(shí)產(chǎn)權(quán)，生產(chǎn)難熔金屬、高溫合金和硬質(zhì)合金的成本較低，而且能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境友好的綠色制備[6]。

相對(duì)于不同的行業(yè)企業(yè)，專門的增材制造用合金粉末制備差異很大：在航空航天和發(fā)電領(lǐng)域，主要的合金粉末有Ti-6Al-4V、Ti-6246等鈦合金。英國(guó)航天技術(shù)研究院投資超過(guò)150萬(wàn)英鎊用于合作開(kāi)發(fā)鈦合金粉末從而優(yōu)化金屬增材制造，降低開(kāi)放成本。合作公司Metalysis從金紅石中提取合金粉末，并與世界主要金紅石供應(yīng)商Iluka資源有限公司合作研發(fā)[7]。Hoeganaes公司制備出3種不同粒徑分布（D50分別為27～37μm、41～46μm、68～87μm）的鈦合金、高溫合金專用粉末[8];多晶Inconel625和Nimonic PE 16等鎳基合金。定向凝固采用Mar-M247、PWA1483/1484等[3]。在制造業(yè)領(lǐng)域，人們出于合金結(jié)構(gòu)輕量化的考慮而開(kāi)發(fā)輕質(zhì)Al合金。在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域，鈦合金、鎂合金以及貴金屬氧化物陶瓷更加適用于移植器官而被廣泛關(guān)注。

2 ?金屬粉末制備路線

制備路線有很多種，除了傳統(tǒng)的低質(zhì)量的等離子噴涂、火焰噴涂以外，典型的方法有氣體霧化法、等離子惰性氣體霧化法、機(jī)械合金化法等。

2.1 氣體霧化法

在氣體霧化時(shí)，隨之熔融金屬通過(guò)的口徑比較狹窄，當(dāng)達(dá)到末端時(shí)，口徑突然開(kāi)闊，在這一變化中與氣體發(fā)生強(qiáng)烈的沖擊與碰撞，形成微小的滴狀物，有效阻止了近終態(tài)冷凝前的合金聚集。

2.2 等離子惰性氣體霧化

作為等離子噴涂制備粉末的改進(jìn)方案，等離子惰性氣體霧化技術(shù)采用等離子弧作為熱源，熔煉鈦合金的預(yù)合金棒料。還有水冷銅坩堝、感應(yīng)加熱漏嘴等輔助裝置相連通，通過(guò)導(dǎo)入熔融金屬至噴嘴中進(jìn)行霧化。等離子焊槍與鈦合金棒材保持非接觸狀態(tài)，保證了較高的鈦液純凈度。該方法獲得的合金粉末純凈度和細(xì)分率較高，粉末粒度能夠控制在75μm以里，達(dá)到45μm的粉末占粉末總質(zhì)量的35-55%[9]。

2.3 機(jī)械合金化法

機(jī)械合金化法制備合金粉末是將準(zhǔn)備好的原料置于不銹鋼材質(zhì)的球磨罐中，通過(guò)密封、抽真空等操作，使原材料不受外界污染;再通入高純度氬氣，此時(shí)原材料在變頻球磨機(jī)中進(jìn)行機(jī)械合金化處理，通過(guò)一定的球磨間歇方式，在不同的旋轉(zhuǎn)時(shí)間、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)下，制備出高質(zhì)量的合金粉末的技術(shù)路線[11]。采用機(jī)械合金化法制備增材制造用合金粉末的最大優(yōu)越性在于合金成分的可控，不但能夠制備出高質(zhì)量的合金粉末，還能夠通過(guò)材料設(shè)計(jì)出不同混合粉末從而形成新的粉末性能，例如高熵合金粉末、非晶粉末等[12-14]。

3 ?結(jié)論

采用先進(jìn)粉末制備技術(shù)-氣體霧化、機(jī)械合金化等方法制備出粒度小、分布均勻、高純凈度的專用增材制造合金粉末。

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