現(xiàn)如今，提到3D打印想必大家已經(jīng)不陌生了，我們欄目之前也介紹過不少3D打印的應(yīng)用，比如用來打印房子、橋梁等等，今天我們再來聊聊3D打印所用到的一種重要材料——金屬粉末。
（一）鈦合金、鋁合金、不銹鋼，能用來3D打印的金屬粉末材料真不少3D 打印廣泛使用的打印耗材，從形態(tài)上主要包含四種：液態(tài)光敏樹脂材料、薄材、低熔點(diǎn)絲材和粉末材料；從成分上則幾乎涵蓋了目前生產(chǎn)生活中的各類材料，包括塑料、樹脂、蠟等高分子材料，金屬和合金材料，陶瓷材料等，而在這其中，最前沿和最具潛力的無疑是金屬粉末3D打印，根據(jù)咨詢公司SmarTech預(yù)測，到2024年全球用于金屬粉末增材制造的市場規(guī)模將達(dá)到110億美金。
目前，3D打印金屬粉末材料種類包括不銹鋼、模具鋼、鎳合金、鈦合金、鈷鉻合金、鋁合金和青銅合金等。
（3D打印用金屬粉末）
鐵基合金是工程技術(shù)中最重要、用量最大的金屬材料，多用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型，比如3D打印用不銹鋼，相比于傳統(tǒng)鑄造鍛造技術(shù)，其具有高強(qiáng)度、優(yōu)異的耐高溫、耐磨性和耐蝕性等物理、化學(xué)和力學(xué)性能，且具有很高的尺寸精度和材料利用率，在航空航天、汽車、船舶、機(jī)械制造等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。
鈦合金具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性，結(jié)合耐腐蝕、低比重和生物相容性，使其在航空航天和汽車比賽中許多高性能工程應(yīng)用非常理想，而且還用于生產(chǎn)生物醫(yī)學(xué)植入物，強(qiáng)度高、模量低、耐疲勞性強(qiáng)。
（3D打印的鈦合金零件）
鈷鉻合金則由于高耐磨性、良好的生物相容性、無鎳（鎳含量<0.1%）特點(diǎn)，常用于外科植入物如合金人工關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)，也可用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件，風(fēng)力渦輪機(jī)和許多其他工業(yè)部件等。
鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，其密度低，比強(qiáng)度較高，接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好。研究表明，3D打印用鋁合金可以做到零件致密、組織細(xì)小，力學(xué)性能則堪比鑄件甚至優(yōu)于鑄造成型零件，且相較于傳統(tǒng)工藝零部件其質(zhì)量可減少22%，成本卻可減少30%。
銅合金具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，熱管理應(yīng)用中的具優(yōu)良熱傳導(dǎo)率的銅，可以結(jié)合設(shè)計(jì)自由度，產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和隨形冷卻通道。
（二）3D打印用的金屬粉末是怎么制造出來的？
金屬粉末制備方法按照制備工藝主要可分為：還原法、電解法、研磨法、霧化法等。目前國內(nèi)常用的兩種最先進(jìn)制粉工藝是氬氣霧化法和等離子旋轉(zhuǎn)電極法。
1、氬氣霧化法
氬氣霧化法制粉是利用快速流動(dòng)的氬氣流沖擊金屬液體，將其破碎為細(xì)小顆粒，繼而冷凝成為固體粉末的制粉方法。
2、等離子旋轉(zhuǎn)電極法
等離子態(tài)被稱為物質(zhì)的第四態(tài)，等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化（PREP法）制粉過程可簡單描述為：將金屬或合金制成自耗電極，自耗電極端部在同軸等離子體電弧加熱源的作用下熔化形成液膜，液膜在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下被高速甩出形成液滴，熔融液滴與霧化室內(nèi)惰性氣體（氬氣或氦氣）摩擦，在切應(yīng)力作用下進(jìn)一步破碎，隨后熔滴在表面張力的作用下快速冷卻凝固成球形粉末。
（等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法原理圖）
采用等離子旋轉(zhuǎn)電極法所生產(chǎn)的金屬粉末具有以下優(yōu)點(diǎn)：
球形度較高、表面光潔、流動(dòng)性好、松裝密度高，因此鋪粉均勻性好，打印產(chǎn)品致密度高；粉末粒徑小、粒度分布窄、氧含量低、打印時(shí)少/無球化及團(tuán)聚現(xiàn)象、熔化效果好、產(chǎn)品表面光潔度高，且打印的一致性與均勻性可以得到充分保障；基本不存在空心粉、衛(wèi)星粉，打印過程中不會(huì)存在空心球帶來的氣隙、卷入性和析出性氣孔、裂紋等缺陷。
（三）3D打印對(duì)金屬粉末的性能都有哪些要求？
我們剛才提到了許多可用于3D打印的金屬粉末，那么，要滿足3D打印對(duì)材料的要求，金屬粉末需要滿足什么條件呢？
1、純凈度
陶瓷夾雜物會(huì)顯著降低最終制件的性能，而且這些夾雜物一般具有較高的熔點(diǎn)，難以燒結(jié)成形，因此粉末中必須無陶瓷夾雜物。
除此之外，氧、氮含量也需要嚴(yán)格控制。目前用于金屬3D打印的粉末制備技術(shù)主要以霧化法為主，粉末具有大的比表面積，容易氧化，在航空航天等特殊應(yīng)用領(lǐng)域，客戶對(duì)此指標(biāo)的要求更為嚴(yán)格，如高溫合金粉末氧含量為0.006%-0.018%，鈦合金粉末氧含量為0.007%-0.013%，不銹鋼粉末氧含量為0.010%-0.025%。
2、粉末粒度分布
不同3D打印設(shè)備及成形工藝對(duì)粉末粒度分布要求不同。目前金屬3D打印常用的粉末粒度范圍是15-53μm（細(xì)粉）、53-105μm（粗粉），部分場合下可放寬至105-150μm（粗粉）。
3D打印用金屬粉末粒度的選擇主要是根據(jù)不同能量源的金屬打印機(jī)劃分的，以激光作為能量源的打印機(jī)，因其聚焦光斑精細(xì)，較易熔化細(xì)粉，適合使用15-53μm的粉末作為耗材，粉末補(bǔ)給方式為逐層鋪粉；以電子束作為能量源的鋪粉型打印機(jī)，聚焦光斑略粗，更適于熔化粗粉，適合使用53-105μm的粗粉為主；對(duì)于同軸送粉型打印機(jī)，則可采用粒度為105-150μm的粉末作為耗材。
（某廠家生產(chǎn)的不銹鋼粉末的微觀結(jié)構(gòu)）
3、粉末形貌
粉末形貌和粉末的制備方法密切相關(guān)。一般由金屬氣態(tài)或熔融液態(tài)轉(zhuǎn)變成粉末時(shí)，粉末顆粒形狀趨于球形，由固態(tài)狀變?yōu)榉勰r(shí)，粉末顆粒多為不規(guī)則形狀，而由水溶液電解法制備的粉末多數(shù)呈樹枝狀。
一般而言，球形度越高，粉末顆粒的流動(dòng)性也越好。3D打印金屬粉末要求球形度在98%以上，這樣打印時(shí)鋪粉及送粉更容易進(jìn)行。
（常見粉末制備方法及粉末形貌）
上面的表格為不同制粉方法對(duì)應(yīng)的金屬粉末形貌，可以看出，除氣霧化法和旋轉(zhuǎn)電極法外，其余方法制備的粉末形貌均為非球形，因此，氣霧化法、旋轉(zhuǎn)電極法是高品質(zhì)3D打印金屬粉末的主要制備方法。
4、粉末流動(dòng)性和松裝密度
粉末流動(dòng)性直接影響打印過程中鋪粉的均勻性和送粉過程的穩(wěn)定性。
流動(dòng)性與粉末形貌、粒度分布及松裝密度相關(guān)，粉末顆粒越大、顆粒形狀越規(guī)則、粒度組成中極細(xì)的粉末所占的比例越小，其流動(dòng)性越好；顆粒密度不變，相對(duì)密度增加，粉末流動(dòng)性則增加。另外，顆粒表面吸附水、氣體等會(huì)降低粉末流動(dòng)性。
松裝密度是粉末試樣自然地充滿規(guī)定容器時(shí)，單位容積的粉末質(zhì)量，一般情況下，粉末粒度越粗，松裝密度越大，粗細(xì)搭配的粉末能夠獲得更高的松裝密度，松裝密度對(duì)于金屬打印最終產(chǎn)品的密度影響尚無定論，但松裝密度增加，可改善粉末的流動(dòng)性。
結(jié)語
近年來，中國積極探索3D打印金屬粉末制備技術(shù)，目前已擁有多套先進(jìn)制粉設(shè)備投入應(yīng)用，不過總體來說，國內(nèi)外制粉技術(shù)仍有差距，目前高端的合金粉末和制造設(shè)備還主要依靠進(jìn)口，在促進(jìn)本土3D打印用金屬粉末制備技術(shù)的發(fā)展上，中國還有很長的路要走。
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