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北京科技大学:3D打印“低成本金属粉末制备新技术”实现应用

http://www.b2b.hc360.com 中国金属加工网 信息来源:Author发布时间:2021年03月31日浏览:1603

金属3D打印技术作为一种先进材料制造工艺,其制品已在航空航天、汽车、医疗等高端领域得到了小规模应用。拥有优良流动性的球形金属粉末,是当前金属3D打印技术的重要基础原料。然而,传统雾化工艺生产的3D打印球形金属粉末价格昂贵,通常45μm以下的球形钛粉的价格普遍高于1500元/kg,而难熔合金球形粉末的价格更是高达1万元/kg以上。高昂的原料成本已成为制约全球3D打印工业发展和规模化应用的关键问题。

近来,北京科技大学曲选辉教授团队陈刚副教授等研究人员,基于气-固两相流理论,创立了流化制备3D打印用低成本金属粉末的新方法:以传统工艺制备的低成本不规则形貌粉末(如氢化脱氢钛粉、还原钨粉等)为原料,在适当温度下,不规则形貌的粉末颗粒(固体)在流动气体(流体)作用下互相碰撞,呈现出流态化现象,颗粒间的冶金结合和塑性变形显著改善不规则粉末的形貌、球形度和流动性,并可以实现粉末流动性和杂质可控。

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流化工艺示意图

该工艺具有流程短、收得率高、能耗低、易于规模化等特点。流化粉末性能与球形粉末相当,成本较雾化球形粉降低60%以上,所制3D打印制品性能优异。采用SLM技术打印的纯钛流化粉成形件的氧含量为0.17±0.01wt.%,室温抗拉强度602±4.6MPa,断裂延伸率20.1±1.2%,这些数据和EOS给出的官方性能相当。

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采用流化金属粉末制备的SLM成形件

基于该工艺制备的粉末能否用于SLM技术,最受质疑的是关于粉末的流动性问题。对此,北科大的研究人员发表了相关论文。研究指出,处理后的粉末相比原料粉具有更好的平滑度;除了形状的改变,5μm以下的细粉也显著减少,平均粒径从原料粉的28.6 μm增大到550℃处理后的33.9μm,这也意味着,流化处理对最终粒径范围和平均粒径的影响较小。在粉末的流动性方面,450℃处理后粉末的流动性为35.2±0.3s/50g, 它与已商用化的类似粒度范围的高球形度TC4具有相当的流动性,因此并不必过多担心铺粉的问题。

基于该工艺制备的粉末能否用于SLM技术,最受关注的应当是粉末的流动性。对此,北科大的研究人员发表了相关论文。研究指出,经流化改性处理后,不规则形貌粉末的粒度分布变窄,球形度得到改善,表面更光滑,从而显著提高了粉末的流动性。例如,流化处理后的钛粉流动性(粒度范围:15~45μm)为35.2±0.3s/50g,该结果与市面上类似粒度范围的雾化球形TC4粉末的流动性相当,因此流化粉末也能实现顺畅的送粉和铺粉流程(相关论文并及授权专利已上传QQ群)。

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粉末原料与处理后的形貌对比

该团队以低成本氢化脱氢粉末为原料,通过流化技术已经研制出了Ti、Ti-6Al-4V、TiTa、Nb521、NbTi等3D打印高熔点微细粒径金属粉末,供应给中国航发北京航空材料研究院、钢铁研究总院、北京隆源、上海第九人民医院等单位,应用于航天/航空发动机关键部件与医用植入体的3D打印成形,用户评价良好。该创新工艺荣获了第四届冶金青年创新创意大赛二等奖,第六届中国国际“互联网+大学生创新创业大赛”北京赛区二等奖。


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