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【深度】金属3D打印技术及其专用粉末的研究进展分析

导读: 近年来,3D打印技术逐渐应用于实际产品的制造,其中,金属材料的3D打印技术发展尤其迅速。

近年来,3D打印技术逐渐应用于实际产品的制造,其中,金属材料的3D打印技术发展尤其迅速。在国防领域,欧美发达国家非常重视3D打印技术的发展,不惜投入巨资加以研究,而3D打印金属零部件一直是研究和应用的重点。不大能打印模具、自行车,还能打印出gun等武器,甚至能够打印出汽车、飞机等大型设备装备。作为一种新型制造技术,3D打印已展现出了十分广阔的应用前景,而且在装备设计与制造、装备保障、航空航天等更多的领域展现出了强劲的发展势头。

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1 3D打印概述  

1.1 基本概述  

3D打印技术的核心思想最早起源19世纪末的美国,但是直到20世纪80年代中期才有了雏形,1986年美国人Charles  Hull发明了第一台3D打印机。我国是从1991 年开始研究3D打印技术的,2000年前后,这些工艺开始从实验室研究逐步向工程化、产品化方向发展。当时它的名字叫快速原型技术(RP),即开发样品之前的实物模型。现在也有叫快速成型技术增材制造。但为便于公众接受,把这种新技术统称为3D打印。3D打印是快速成型技术的一种,它是一种以数字模型设计为基础,运用粉末状金属或树脂等可粘合材料,通过逐层“增材”打印的方式来构造三维物体的技术。3D打印被称作“上个世纪的思想和技术,这个世纪的市场”。

1.2 3D打印特点

1)精度高。目前3D打印设备的精度基本都可控制在0.3mm以下。

2)周期短。3D打印无须模具的制作过程,使得模型的生产时间大大缩短,一般几个小时甚至几十分钟就可以完成一个模型的打印。  

3)可实现个性化。3D打印对于打印的模型数量毫无限制,不管一个还是多个都可以以相同的成本制作出来。  

4)材料的多样性。一个3D打印系统往往可以实现不同材料的打印,而这种材料的多样性可以满足不同领域的需要。

5)成本相对较低。虽然现在3D打印系统和3D打印材料比较贵,但如果用来制作个性化产品,其制作成本相对就比较低了。 

2 金属3D打印技术

金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术,是先进制造技术的重要发展方向。随着科技发展及推广应用的需求,利用快速成型直接制造金属功能零件成为了快速成型主要的发展方向。目前可用于直接制造金属功能零件的快速成型方法主要有:选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)、电子束选区熔化(Electron Beam Selective Melting,EBSM)、激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)等。


2.1 激光工程化净成形技术( LENS) 

LENS是一种新的快速成形技术,它由美国Sandia国家实验室首先提出。其特点是: 直接制造形状结构复杂的金属功能零件或模具;可加工的金属或合金材料范围广泛并能实现异质材料零件的制造;可方便加工熔点高、难加工的材料。

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LENS是在激光熔覆技术的基础上发展起来的一种金属零件3D打印技术。采用中、大功率激光熔化同步供给的金属粉末,按照预设轨迹逐层沉积在基板上,最终形成金属零件。1999年,LENS工艺获得了美国工业界中“最富创造力的25项技术”之一的称号。国外研究人员研究了LENS工艺制备奥氏体不锈钢试件的硬度分布,结果表明随着加工层数的增加,试件的维氏硬度降低。

国外研究人员应用LENS工艺制备了载重植入体的多孔和功能梯度结构,采用的材料为Ni、Ti等与人体具有良好相容性的合金,制备的植入体的孔隙率最高能达到70%,使用寿命达到7-12年。  Krishna等人采用Ti-6Al-4V和Co-Cr-Mo合金制备了多孔生物植入体,并研究了植入体的力学性能,发现孔隙率为10%时,杨氏模量达到90 GPa,当孔隙率为70%时,杨氏模量急剧降到2 GPa,这样就可以通过改变孔隙率,使植入体的力学性能与生物体适配。Zhang等制备了网状的 Fe 基(Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr)金属玻璃(MG)组件,研究发现MG的显微硬度达到9.52 GPa。Li通过LENS工艺修复定向凝固高温合金GTD-111。国内的薛春芳等采用LENS工艺,获得微观组织、显微硬度和机械性能良好的网状的Co基高温合金薄壁零件。费群星等采用LENS工艺成型了无变形的Ni-Cu-Sn合金样品。

在LENS系统中,同轴送粉器包括送粉 器、送粉头和保护气路3部分。送粉器包括粉末料箱和粉末定量送给机构,粉末的流量由步进电机的转速决定。为使金属粉末在自重作用下增加流动性,将送粉器架设在2. 5 m的高度上。从送粉器流出的金属粉末经粉末分割器平均分成4份并通过软管流入粉头,金属粉末从粉头的喷嘴喷射到激光焦点的位置完成熔化堆积过程。全部粉末路径由保护气体推动,保护气体将金属粉末与空气隔离,从而避免金属粉末氧化。LENS 系统同 轴送粉器结构示意图见图1。目前,快速原型技术已经逐步趋于成熟,发达国家也将激光工程化净成形技术作为研究的重点,并取得了一些实质性成果。在实际应用中,可以利用该技术制作出功能复 合型材料,可以修复高附加值的钛合金叶片,也可以运用到直升机、客机、导弹的制作中。另外,还能将该技术运用于生物植入领域,采用与人体具有相容性的Ni、Ti材质制备植入体,有效提升了空隙率,延长了植入体的使用时长。

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2.2 激光选区熔化技术( SLM) 

SLM 是金属 3D 打印领域的重要部分,其发展历程经历低熔点非金属粉末烧结、低熔点包覆高熔点粉末烧结、高熔点粉末直接熔化成形等阶段。由美国德克萨斯大学奥斯汀分校在 1986年最早申请专利,1988年研制成功了第1台SLM 设备,采用精细聚焦光斑快速熔化成30 ~51 μm 的预置粉末材料,几乎可以直接获得任意形状以及具有完全冶金结合的功能零件。致密度可达到近乎 100%,尺寸精度达 20 ~ 50 μm,表面粗糙度达20 ~30 μm,是一种极具发展前景的快速成形技术。 

SLM成型材料多为单一组分金属粉末,包括奥氏体不锈钢、镍基合金、钛基合金、钴-铬合金和贵重金属等。激光束快速熔化金属粉末并获得连续的熔道,可以直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合、高精度的近乎致密金属零件,是极具发展前景的金属零件3D打印技术。其应用范围已经扩展到航空航天、微电子、医疗、珠宝首饰等行业。

SLM工艺有多达50多个影响因素,对 成型效果具有重要影响的六大类:材料属性、激光与光路系统、扫描特征、成型氛围、成型几何特征和设备因素。目前,国内外研究人员主要针对以上几个影响因素进行工艺研究、应用研究,目的都是为了解决成型过程中出现的缺陷,提高成型零件的质量。工艺研究方面,SLM成型过程中重要工艺参数有激光功率、扫描速度、铺粉层厚、扫描间距和扫描策略等,通过组合不同的工艺参数, 使成型质量最优。

SLM成型过程中的主要缺 陷有球化、翘曲变形。球化是成型过程中上下两层熔化不充分,由于表面张力的作用,熔化的液滴会迅速卷成球形,从而导致球化现象,为了避免球化,应该适当地增大输入 能量。翘曲变形是由于SLM成型过程中存在的热应力超过材料的强度,发生塑性变形引起,由于残余应力的测量比较困难,目前对 SLM工艺的翘曲变形的研究主要是采用有限元方法进行,然后通过实验验证模拟结果的可靠性。SLM 技术的基本原理是: 先在计算机上利用Pro /e、UG、CATIA 等三维造型软件设计出零件的三维实体模型,然后通过切片软件对该三维模型进行切片分层,得到各截面的轮廓数据,由轮廓数据生成填充扫描路径,设备将按照这些填充扫描线,控制激光束选区熔化各层的金属粉末材料,逐步堆叠成三维金属零件。

图 2 为其成形原理图: 激光束开始扫描前,铺粉装置先把金属粉末平推到成形缸的基板上,激光束再按当前层的填充扫描线,选区熔化基板上的粉末,加工出当前层,然后成形缸下降1 个层厚的距离,粉料缸上升一定厚度的距离,铺粉装置再在已加工好的当前层上铺好金属粉末,设备调入下一层轮廓的数据进行加工,如此层层加工,直到整个零件加工完毕。整个加工过程在通有惰性气体保护的加工室中进行,以避免金属在高温下与其他气体发生反应。  广泛应用激光选区熔化技术的代表国家有德国、美国等。他们都开发出了不同的制造机型,甚至可以根据实际情况专门打造零件,满足个性化的需要。利用EOSING M270设备成形的金属零件尺寸较小,将其应用到牙桥、牙冠的批量生产中既不会影响人们对其的使用,也不会产生不适感,且它的致密度接近100%,精细度较好。与此同时,利用 SLM 技术生产出的钛合金零件还能够运用到医学植入体中,促进了医学工作的发展。

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