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3D打印用钛及钛合金球形粉末制备技术

发布时间: 2022-11-09 16:54:35    浏览次数:

近年来,随着3D打印产业的飞速发展,尤其采用金属3D打印技术制造的大型复杂钛合金结构件已经完成了在航空领域的工程化验证,使金属3D打印技术的应用优势更加明显。作为金属3D打印的关键原料,球形粉末的生产3D打印产业链的核心,而钛及钛合金由于其特殊的化学性质,是制备难度最大的一种耗材粉末。目前,国内外能够批量生产球形钛及钛合金粉末的技术主要有等离子旋转电极法、惰性气体雾化法、感应等离子球化法、感应等离子雾化法 。

1、等离子旋转电极法

等离子旋转电极制粉法是以金属或合金制成自耗电极,其端面受电弧加热而熔融为液体,通过电极高速旋转的离心力将液体抛出并粉碎为细小液滴。后冷凝为球形粉末的制粉方法。这种工艺制备的粉末颗粒形状非常接近球形,表面光洁,流动性好,间隙元素含量与原始棒材接近。但由于电极动密封问题限制了转速的提高,生产的钛合金粉末粒度较粗,粒度分布区间相对集中,-60目到150目的比例占到70%左右,粉末生产属间歇式工艺,生产效率低,成本也较高。据报道,俄罗斯科研人员对等离子旋转电极设备进行了改进,使电极的转速可达30000转/分钟,能够制备粒度较细的球形粉末。

2 、惰性气体雾化法

气体雾化法是借助高速气流来击碎金属液流,只需克服液体金属原子间的键合力就能使之分散。1988年建立了年产11吨的氩气雾化装置。1990年德国ALD发表了无坩埚熔化雾化钛及钛合金粉末的专利,称为EIGA(电极感应熔化气体雾化)。接着日本住友采用相似的方法建立了年产60吨的气体雾化装置,并于1994年投入生产。从此,气体雾化钛及钛合金粉末实现了小规模工业化生产。气体雾化法生产钛合金粉具有冷却速度快,粉末颗粒相对于较细,但细粉末收率不高,生产成本高,设备投资也大。目前,国内采用ALD雾化技术生产钛及钛合金粉末的设备5台,主要集中在科研院所,这些设备细粉(一200目)出粉率都不高。

3、感应等离子球化处理

感应等离子球化处理制备球形粉末的工艺国内外已经进行了诸多研究。加拿大Tekna公司是目前世界上等离子领域的领航者,可以提供成套粉末整形系统,整形球化处理不同类别粉末。印度Bharathiar University的研究人员不仅在工艺试验方面有很多研究,也进行了理论分析计算及整形过程模拟。

国内进行粉末整形处理相关研究的单位主要集中在科研院所。西南物理研究院可以自行设计成套粉末整形系统,设备主要用于制备陶瓷球形粉末和难熔金属球形粉末。金堆城钼业股份有限公司直接引进了加拿大Tekna公司的粉末球化设备,用于处理钨、钼等难熔金属粉末,也提供微细球形粉末的销售和加工服务。国内外拥有等离子球化处理设备的单位都开展过钛粉的球化处理试验,但由于最终产品氧含量高(达到约0.5wt% ),粘附“卫星球”多等问题无法克服,这项技术一直未在球形钛及钛合金粉末制备方面取得应用。

4、等离子丝材雾化法

等离子丝材雾化法(Plasma AtomizationTechnology)是加拿大Raymor公司自主开发的以合金丝材为原料制备各种材质球形粉末的工艺,他们拥有自主制造的设备,但并不对外销售设备。该公司目前生产的粉末在业内有一定的影响力,于2013年在中国成立代理销售公司。采用这种技术生产的球形粉末细粉出粉率高,也有微量“卫星球”,但不影响使用。

5、不同工艺技术和粉末性能对比

上述几种球形钛及钛合金粉末制备方法是当前国内外研究和生产试验的主流方向,惰性气体雾化设备造价最好,粉末氧含量较低,对原料没有特殊要求,但制备的粉末有空心球;等离子旋转电极工艺制备的粉末具有良好的球形度,设备造价低,但不能制备粒度细小的佛是其缺点;射频等离子球化必须采用粉末作为原料,且制备的粉末氧含量较高,不适合工业推广应用;等离子丝材雾化法制备的粉末具有很好的球形度,且粒度小,制备粉末种类也不受限制,粉末形貌照片对比如图1。

粉末形貌照片

6、 结束语

目前,3D打印用钛及钛合金球形粉末尚未实现第三方供应通用材料的模式,导致材料的成本非常高。在金属3D打印制造方面,研发和生产通用性更强的材料是技术提升的关键。解决好材料的性能和成本问题,将更好地推动我国金属3D打印技术的发展。

参考文献

【1】王琪.雾化法制备高品质钛合金粉末技术研究[J】钛工业进展2010,27(5):16~18

【2】刘学晖 惰性气体雾化 法制取钛和钛台金粉末[J]粉末冶金工业 ,2000(3):18~22

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