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IPB巡展在北京舉行，解析金屬3D打印粉末制造關(guān)鍵

發(fā)布日期：2018-5-3

IPB巡展在2018年的4月20日在北京拉開帷幕，據(jù)悉，活動(dòng)邀請(qǐng)全國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)肖承翔秘書長(zhǎng)，西北有色金屬研究院朱紀(jì)磊教授等增材專家為我們就3D打印工藝對(duì)球形金屬粉末制備要求等話題進(jìn)行專家解析、行業(yè)交流。

與傳統(tǒng)的減材制造方式相比，3D打印幾乎不會(huì)造成金屬材料浪費(fèi)，而且這種“增材制造”直接成形的特點(diǎn)使得產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的設(shè)備問題大大減少。金屬粉體材料是金屬3D打印的原材料，其粉體的基本性能對(duì)*終的成型的產(chǎn)品品質(zhì)有著很大的關(guān)系。金屬3D打印對(duì)于粉體的要求主要在化學(xué)成分、顆粒形狀、粒度及粒度分布、流動(dòng)性、循環(huán)使用性等這幾個(gè)方面，其粉體制備工藝成為3D打印近年來關(guān)注的熱點(diǎn)。本次活動(dòng)對(duì)于3D打印與粉體制備間的技術(shù)解析具有重要意義。

金屬粉末是粉床增材制造的*原料，其性能決定增材制造工藝和制品的性能優(yōu)劣。針對(duì)航空航天、國(guó)防軍工和生物醫(yī)療領(lǐng)域的粉床增材制造技術(shù)對(duì)粉末的物理化學(xué)性能要求較為嚴(yán)苛，目前所用的球形金屬粉末原料大量進(jìn)口。粉床增材制造對(duì)金屬粉末原料的要求、國(guó)內(nèi)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況是我們著重探討的課題。

論壇邀請(qǐng)到西北有色金屬研究院朱紀(jì)磊教授出席本次活動(dòng)，解析旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉（PREP）技術(shù)制備球形金屬粉末的性能以及PREP工藝參數(shù)對(duì)粉末性能的影響，針對(duì)增材制造對(duì)孔隙粉末的控制要求，對(duì)比分析了氣霧化法、旋轉(zhuǎn)電極霧化法和等離子體熔絲霧化法等三種典型工藝球形鈦合金粉末的內(nèi)部孔隙特性，結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)電極霧化法制備的球形鈦合金粉末具有較低的孔隙率，通過控制棒料直徑和棒料轉(zhuǎn)速能夠獲得低氧含量和低孔隙率的高品質(zhì)球形金屬粉末。

雖然實(shí)現(xiàn)增材制造的技術(shù)方法有多種，但加工機(jī)理基本一致，即材料在高能熱源作用下快速融化，由于作用時(shí)間極短，熔融的金屬在基體的冷卻作用下發(fā)生快速凝固，從而實(shí)現(xiàn)在特定的掃描區(qū)域成型。增材制造制品的性能由熱源量屬性、材料特性及工藝參數(shù)所決定，而熱源類型及送粉方式是區(qū)分各種增材制造技術(shù)的*根本因素。

增材制造工藝的主要影響因素

１熱源

在金屬增材制造領(lǐng)域，應(yīng)用*為成熟的熱源是激光和高能電子束。電子束與激光的工作原理不同，電子束的加熱方式是高能電子穿過靶材的表面進(jìn)入到距表面一定深度后，再傳給靶材原子能量，從而使靶材原子的振動(dòng)加劇，把電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能；激光的加熱方式則為靶材表面吸收光子能量，激光并未穿過靶材表面。材料制造加工過程中，熱源的功率及掃描速度一般是恒定的，即作用于材料的能量密度是恒定的，熱源作用效果由材料對(duì)熱源的吸收性能直接決定。材料對(duì)熱源能量的吸收由兩者的作用機(jī)理、材料表面狀態(tài)等因素所決定。對(duì)于*常用的激光熱源，激光光能的吸收與波長(zhǎng)、被照材料的反射率以及能量密度相關(guān)，在成型過程中，材料的表面狀態(tài)、尺寸等因素對(duì)激光都有明顯的制約作用。電子束由于其作用機(jī)理的不同，在增材制造過程中表現(xiàn)出較激光更加良好的適配性。

２材料

粉末材料是目前*為常用的金屬類增材制造用材料。金屬粉末作為金屬制件增材制造產(chǎn)業(yè)鏈中*重要的一環(huán)，也是*大的價(jià)值所在。金屬粉體材料一般用于粉末冶金工業(yè)，粉末冶金成型是將粉末預(yù)成型后利用高壓高溫條件進(jìn)行*終的定型，整個(gè)過程中，材料發(fā)生的物理冶金變化相對(duì)緩慢，材料有比較充分的時(shí)間進(jìn)行融合、擴(kuò)散、反應(yīng)。由于受粉末冶金加工時(shí)溫度及壓力的限制，為了保證工件的致密性，要求使用的粉體材料盡可能地將成型腔體填充完全。針對(duì)粉末冶金工藝的技術(shù)特點(diǎn)，已經(jīng)發(fā)展出了一套比較完善的粉末評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)，有相對(duì)比較完善的指標(biāo)可用來恒量粉體材料的性能，如粒徑、比表面積、粒度分布、粉體密度、流速、松裝密度、孔隙率等。對(duì)于粉末冶金而言，粉末的流動(dòng)性、振實(shí)密度等指標(biāo)是衡量粉末冶金用粉末材料的重要指標(biāo)。

增材制造工藝與粉末冶金工藝相比有明顯的區(qū)別，粉末材料在熱源作用下的冶金變化是極速的，成型過程中粉體材料與熱源直接作用，粉體材料沒有模具的約束以及外部持久壓力的作用。一般認(rèn)為直徑小于１ｍｍ的粉體材料適用于增材制造，粒徑在５０μｍ左右的粉體材料具有較好的成型性能。與粉末冶金工業(yè)相比，目前國(guó)內(nèi)還沒有形成成熟的評(píng)價(jià)方法或標(biāo)準(zhǔn)來判定粉末材料與增材制造工藝的適用性，增材制造用粉末的相關(guān)評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)需要進(jìn)一步深入的研究與思考。

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