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3D打印用球形金屬粉末製備工藝

球形金屬粉末是金屬3D打印的核心材料, 是3D打印產業鏈中最重要的環節, 與3D打印技術的發展息息相關。本文對3D打印用金屬粉末的主要製備工藝的基本原理進行了闡述, 並分析了其優缺點, 目的是進一步提高3D打印用金屬粉末的製備技術水平, 促進3D打印技術的發展和應用。


球形金屬粉末是金屬3D打印的核心材料, 是3D打印產業鏈中最重要的環節, 與3D打印技術的發展息息相關。在“2013世界3D打印技術產業大會”中, 權威專家對3D打印金屬粉末的性能要求給出了清晰的定義, 即尺寸小於1 mm的金屬粉末, 此外, 還要求金屬滿足純度高、球形度好、粒徑分布窄、含氧量低、流動性好等要求。2014年6月頒布的ASTM F3049-14標準規定了3D打印金屬粉性能的範圍和表征方法。目前, 3D打印用金屬粉末材料主要集中在鐵、鈦、鈷、銅、鎳等金屬及其合金方麵。


隨著金屬3D打印技術的飛速發展, 球形金屬粉末的市場將保持高增長態勢。2016年3D打印金屬粉的市場規模約為2.5億美元, 據IDTechEx表示, 到2025年, 3D打印金屬粉末的市場規模將達到50億美元。但目前3D打印用球形金屬粉主要由國外廠家壟斷, 國內生產的球形粉末存在性能不穩定、成本高、收得率低等問題。因此, 研究3D打印金屬粉末的製備尤為重要, 本文對3D打印用金屬粉末的主要製備工藝的基本原理進行了闡述, 並分析了其優缺點, 目的是進一步提高3D打印用金屬粉末的製備技術水平, 促進3D打印技術的發展和應用。


3D打印用金屬粉末製備工藝現狀

目前針對3D打印用金屬粉末的製備方法主要有霧化法、旋轉電極法、球化法等。

霧化法

霧化法製取的粉末已占當今世界金屬3D打印粉末的80%以上, 其原理是以快速運動的流體 (霧化介質) 衝擊或以其他方式將金屬或合金液流破碎為細小液滴, 隨之冷凝為固體粉末的粉末製取方法, 其原理結構圖如圖1所示, 根據霧化介質不同, 霧化法主要分為水霧化和氣霧化。


水霧化

水霧化是以水為霧化介質製備金屬粉末, 其生產成本低, 霧化效率高, 常用來生產鋼鐵粉末、含油軸承用預合金粉末、鎳基磁性材料粉末等。相對氣霧化, 水的比熱容比較大, 在霧化過程中破碎的金屬熔滴快速凝固變成不規則狀, 導致粉體形狀難以控製, 且難以滿足金屬3D打印對粉末球形度的要求, 此外由於活性金屬及其合金在高溫下與霧化介質水接觸後會發生反應, 增加粉末氧含量, 這些問題限製了水霧化法製備球形度高、氧含量低的金屬粉末。


氣霧化

氣霧化的原理是通過高速氣流將液態金屬流粉碎為小滴並快速冷凝成粉末的過程。氣霧化製備金屬粉末具有粒度細、球形度高、純度高等優點, 是目前生產3D打印用金屬粉末的主要方法, 其製備的3D打印粉末金屬占霧化法製備粉末的40%左右。但氣霧化技術也存在一定的不足, 在氣流破碎金屬液體的過程中, 氣流能量低, 霧化效率低, 增加了金屬粉末製備成本。


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