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金属粉末已是金属零件3D打印产业链的重要一环

2017-03-01 14:26
科技那回事
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3D打印所使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。目前,应用于3D打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等,此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。3D 打印金属粉末作为金属零件3D 打印产业链最重要的一环,也是最大的价值所在。

在“2013年世界3D 打印技术产业大会”上,世界3D 打印行业的权威专家对3D打印金属粉末给予明确定义,即指尺寸小于1mm 的金属颗粒群。包括单一金属粉末、合金粉末以及具有金属性质的某些难熔化合物粉末。目前,3D 打印金属粉末材料包括钴铬合金、不锈钢、工业钢、青铜合金、钛合金和镍铝合金等。但是3D打印金属粉末除需具备良好的可塑性外,还必须满足粉末粒径细小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松装密度高等要求。

钛合金

钛合金具有耐高温、高耐腐蚀性、高强度、低密度以及生物相容性等优点,在航空航天、化工、核工业、运动器材及医疗器械等领域得到了广泛的应用。传统锻造和铸造技术制备的钛合金件已被广泛地应用在高新技术领域,一架波音747飞机用钛量达到42.7t。但是传统锻造和铸造方法生产大型钛合金零件,由于产品成本高、工艺复杂、材料利用率低以及后续加工困难等不利因素,阻碍了其更为广泛的应用。而金属3D打印技术可以从根本上解决这些问题,因此该技术近年来成为一种直接制造钛合金零件的新型技术。开发新型钛基合金是钛合金SLM应用研究的主要方向。由于钛以及钛合金的应变硬化指数低(近似为0.15),抗塑性剪切变形能力和耐磨性差,因而限制了其制件在高温和腐蚀磨损条件下的使用。

然而铼(Re)的熔点很高,一般用于超高温和强热震工作环境,如美国 Ultramet公司采用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)制备 Re基复合喷管已经成功应用于航空发动机燃烧室,工作温度可达2200℃。因此,Re-TI合金的制备在航空航天、核能源和电子领域具有重大意义。Ni具有磁性和良好的可塑性,因此Ni-TI合金是常用的一种形状记忆合金。合金具有伪弹性、高弹性模量、阻尼特性、生物相容性和耐腐蚀性等性能。另外钛合金多孔结构人造骨的研究日益增多,日本京都大学通过3D打印技术给4位颈椎间盘突出患者制作出不同的人造骨并成功移植,该人造骨即为Ni-TI合金。

不锈钢

不锈钢具有耐化学腐蚀、耐高温和力学性能良好等特性,由于其粉末成型性好、制备工艺简单且成本低廉,是最早应用于3D金属打印的材料。如华中科技大学、南京航空航天大学、东北大学等院校在金属3D 打印方面研究比较深入。现研究主要集中在降低孔隙率、增加强度以及对熔化过程的金属粉末球化机制等方面。李瑞迪等采用不同的工艺参数,对304L不锈钢粉末进行了SLM成形试验,得出304L不锈钢致密度经验公式,并总结出晶粒生长机制。

潘琰峰分析和探讨了316L不锈钢成形过程中球化产生机理和影响球化的因素,认为在激光功率和粉末层厚一定时,适当增大扫描速度可减小球化现象,在扫描速度和粉末层厚固定时,随着激光功率的增大,球化现象加重。Ma等通过对1Cr18Ni9Ti不锈钢粉末进行激光熔化,发现粉末层厚从60μm 增加到150μm时,枝晶间距从0.5μm增加到1.5μm,最后稳定在2.0μm 左右,试样的硬度依赖于熔化区域各向异性的微结构和晶粒大小。姜炜采用一系列的不锈钢粉末,分别研究粉末特性和工艺参数对SLM成形质量的影响,结果表明,粉末材料的特殊性能和工艺参数对SLM 成形影响的机理主要是在于对选择性激光成形过程当中熔池质量的影响,工艺参数(激光功率、扫描速度)主要影响熔池的深度和宽度,从而决定SLM 成形件的质量。

高温合金

高温合金是指以铁、镍、钴为基,能在600℃以上的高温及一定应力环境下长期工作的一类金属材料。其具有较高的高温强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化性能以及良好的塑性和韧性。目前按合金基体种类大致可分为铁基、镍基和钴基合金3类。高温合金主要用于高性能发动机,在现代先进的航空发动机中,高温合金材料的使用量占发动机总质量的40%~60%。现代高性能航空发动机的发展对高温合金的使用温度和性能的要求越来越高。传统的铸锭冶金工艺冷却速度慢,铸锭中某些元素和第二相偏析严重,热加工性能差,组织不均匀,性能不稳定。而3D打印技术在高温合金成形中成为解决技术瓶颈的新方法。美国航空航天局声称,在2014年8月22日进行的高温点火试验中,通过3D打印技术制造的火箭发动机喷嘴产生了创纪录的9t推力。

镁合金

镁合金作为最轻的结构合金,由于其特殊的高强度和阻尼性能,在诸多应用领域镁合金具有替代钢和铝合金的可能。例如镁合金在汽车以及航空器组件方面的轻量化应用,可降低燃料使用量和废气排放。镁合金具有原位降解性并且其杨氏模量低,强度接近人骨,优异的生物相容性,在外科植入方面比传统合金更有应用前景。

3D打印技术在工业领域、生物医学领域、文化创意领域的深度应用,并促进3D打印与航空航天、军工、汽车及零部件、工业设计、文化创意、创新教育、骨科、等大外科、康复、文物修复等传统技术的结合。

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