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球形金属粉末是金属3D打印的核心材料,是3D打印产业链中最重要的环节,与3D打印技术的发展息息相关。在“2013世界3D打印技术产业大会”中,权威专家对3D打印金属粉末的性能要求给出了清晰的定义,即尺寸小于1mm的金属粉末,此外,还要求金属满足纯度高、球形度好、粒径分布窄、含氧量低、流动性好等要求。2014年6月颁布的ASTM F3049-14标准规定了3D打印金属粉性能的范围和表征方法。目前,3D打印用金属粉末材料主要集中在铁、钛、钴、铜、镍等金属及其合金方面。


随着金属3D打印技术的飞速发展,球形金属粉末的市场将保持高增长态势。2016年3D打印金属粉的市场规模约为2.5亿美元, 据IDTechEx表示,到2025年,3D打印金属粉末的市场规模将达到50亿美元。但目前3D打印用球形金属粉主要由国外厂家垄断,国内生产的球形粉末存在性能不稳定、成本高、收得率低等问题。因此,研究3D打印金属粉末的制备尤为重要,本文对3D打印用金属粉末的主要制备工艺的基本原理进行了阐述,并分析了其优缺点,目的是进一步提高3D打印用金属粉末的制备技术水平,促进3D打印技术的发展和应用。


01


3D打印的制造流程


1、氩气雾化法


氩气雾化法制粉是利用快速流动的氩气流冲击金属液体,将其破碎为细小颗粒,继而冷凝成为固体粉末的制粉方法。


2、等离子旋转电极法


等离子态被称为物质的第四态,等离子旋转电极雾化(PREP法)制粉过程可简单描述为:将金属或合金制成自耗电极,自耗电极端部在同轴等离子体电弧加热源的作用下熔化形成液膜,液膜在旋转离心力的作用下被高速甩出形成液滴,熔融液滴与雾化室内惰性气体(氩气或氦气)摩擦,在切应力作用下进一步破碎,随后熔滴在表面张力的作用下快速冷却凝固成球形粉末。



02


3D打印对金属粉末的性能要求


要满足3D打印对材料的要求,金属粉末需要满足什么条件呢?


1、纯净度


陶瓷夹杂物会显著降低最终制件的性能,而且这些夹杂物一般具有较高的熔点,难以烧结成形,因此粉末中必须无陶瓷夹杂物。


除此之外,氧、氮含量也需要严格控制。目前用于金属3D打印的粉末制备技术主要以雾化法为主,粉末具有大的比表面积,容易氧化,在航空航天等特殊应用领域,客户对此指标的要求更为严格,如高温合金粉末氧含量为0.006%-0.018%,钛合金粉末氧含量为0.007%-0.013%,不锈钢粉末氧含量为0.010%-0.025%。


2、粉末流动性和松装密度


粉末流动性直接影响打印过程中铺粉的均匀性和送粉过程的稳定性。


流动性与粉末形貌、粒度分布及松装密度相关,粉末颗粒越大、颗粒形状越规则、粒度组成中极细的粉末所占的比例越小,其流动性越好;颗粒密度不变,相对密度增加,粉末流动性则增加。另外,颗粒表面吸附水、气体等会降低粉末流动性。


3、粉末粒度分布


不同3D打印设备及成形工艺对粉末粒度分布要求不同。目前金属3D打印常用的粉末粒度范围是15-53μm(细粉)、53-105μm(粗粉)。


3D打印用金属粉末粒度的选择主要是根据不同能量源的金属打印机划分的,以激光作为能量源的打印机,因其聚焦光斑精细,较易熔化细粉,适合使用15-53μm的粉末作为耗材,粉末补给方式为逐层铺粉;以电子束作为能量源的铺粉型打印机,聚焦光斑略粗,更适于熔化粗粉,适合使用53-105μm的粗粉为主;对于同轴送粉型打印机,则可采用粒度为105-150μm的粉末作为耗材。


4、粉末形貌


粉末形貌和粉末的制备方法密切相关。一般由金属气态或熔融液态转变成粉末时,粉末颗粒形状趋于球形,由固态状变为粉末时,粉末颗粒多为不规则形状,而由水溶液电解法制备的粉末多数呈树枝状。


一般而言,球形度越高,粉末颗粒的流动性也越好。3D打印金属粉末要求球形度在98%以上,这样打印时铺粉及送粉更容易进行。


03


3D打印用金属粉末制备工艺现状


目前针对3D打印用金属粉末的制备方法主要有雾化法、旋转电极法、球化法等。


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1、雾化法


雾化法制取的粉末已占当今世界金属3D打印粉末的80%以上,其原理是以快速运动的流体 (雾化介质) 冲击或以其他方式将金属或合金液流破碎为细小液滴,随之冷凝为固体粉末的粉末制取方法,其原理结构图如图1所示,根据雾化介质不同,雾化法主要分为水雾化和气雾化。


图1 雾化制粉原理图


1.水雾化


水雾化是以水为雾化介质制备金属粉末,其生产成本低,雾化效率高,常用来生产钢铁粉末、含油轴承用预合金粉末、镍基磁性材料粉末等。相对气雾化,水的比热容比较大,在雾化过程中破碎的金属熔滴快速凝固变成不规则状,导致粉体形状难以控制,且难以满足金属3D打印对粉末球形度的要求,此外由于活性金属及其合金在高温下与雾化介质水接触后会发生反应,增加粉末氧含量,这些问题限制了水雾化法制备球形度高、氧含量低的金属粉末。


2.气雾化


气雾化的原理是通过高速气流将液态金属流粉碎为小滴并快速冷凝成粉末的过程。气雾化制备金属粉末具有粒度细、球形度高、纯度高等优点,是目前生产3D打印用金属粉末的主要方法,其制备的3D打印粉末金属占雾化法制备粉末的40%左右。但气雾化技术也存在一定的不足,在气流破碎金属液体的过程中,气流能量低,雾化效率低,增加了金属粉末制备成本。


德国Nanoval公司在气雾化技术的基础上,对喷嘴结构进行改进,提出层流雾化技术,层流雾化喷嘴结构如图2所示。该技术使气流和金属液流在层流雾化喷嘴中呈层流分布,气流在金属表面产生的剪切力和挤压力, 将金属液流剪切成直径不断缩小的液滴,其冷却速度达106~107K/s,制备的粉末粒度分布窄,在2.0MPa的雾化压力下,雾化制备的金属粉末平均粒度可以达到10μm。且气体消耗低,生产成本低,适用于大多数3D打印用金属粉末的生产,但这种制备技术在雾化的过程中不稳定,难以有效控制雾化过程,生产效率低,限制了其生产量,难以适用于大规模3D打印用金属粉末生产。


图2 层流雾化喷嘴结构图


英国PSI公司在紧密耦合雾化技术的基础上对紧耦合环缝式喷嘴结构进行了结构优化和改进,使气流的出口速度超过声速,可在较小的雾化压力下获得高速气流,在2.5MPa压力下,气体速率可达到540m/s,此外超声紧密耦合雾化技术可以提高粉末的冷却速度,效率高,成本低,且应用范围广,是气雾化技术重要的发展方向之一,且具有工业实用意义,对于促进3D打印用金属粉末的工业化生产制备有着重要的意义。


HJE公司和PSI公司采用研制出了一种热气体雾化制备新技术,对雾化介质进行加热,可以进一步提高细粉收得率,降低气体消耗量,实际应用效果良好,是一项具有应用前景的技术。在雾化压力1.72MPa条件下,将气体加热至200~400℃,雾化所得粉末的平均粒径和标准偏差均随温度升高而降低,但由于热气体雾化技术受到气体加热系统和喷嘴的限制,仅有少数几家研究机构进行研究。


昆明冶金研究院通过对雾化喷嘴的改进,在温度1800℃,雾化压力2.0MPa条件下,采用氮气雾化技术制备316L不锈钢金属粉末,并与德国EOS公司粉体形貌进行对比,微观结构情况见图3。


图3 316L不锈钢微观组织


2、旋转电极法


旋转电极法是以金属或合金为自耗电极, 其端面受电弧加热而熔融为液体, 并在电极高速旋转的离心力的作用下, 将液体抛出并粉碎为细小液滴, 其原理结构如图4所示。一般来说, 旋转电极的冷却速率约为103~104K/s,电极的旋转速度为10000~30000r/min, 制备的粉体粒度随着电极旋转速度、电极直径的增大而减少,范围通常在50~350μm之间。


图4 旋转电极工艺原理图

图5 气雾化制粉工艺和旋转电极工艺制备的球形钛粉


图5是采用气雾化工艺和旋转电极工艺制备的球形钛粉。与气雾化工艺相比,旋转电极法制备的球形粉体没有气雾化球形粉末中常见的伴生相,且球形度和光洁较高,粒度分布范围较窄,无团聚现象,流动性好,在金属3D打印过程中铺粉均匀性好,打印产品致密度高、表面光洁度高。此外整个工艺过程,一般采用惰性气体保护,且不需要坩埚熔炼,避免了金属或合金与造渣和与耐火材料接触,减少金属粉末污染源,可生产高纯度金属粉末。


3、球化法


球化法主要是是对破碎法和理化法生产的不规则粉体进行球化处理,被认为是获得高致密球形粉末的最有效工艺,其原理是利用温度高、能源密度大的热源 (等离子) ,将粉末颗粒迅速加热熔化,并在其表面张力作用下缩聚成球形液滴,进入冷却室后快速冷却而得到球形粉末。目前,球化法制备工艺主要分为射频离子球化法和激光球化法两种。由于初始粉体会产生一定的团聚现象,在球化过程中会使其整体熔融,导致制备的球形金属粉末粒度增大。


图6 氢化钛粉经频等离子球化前后微观组织


目前加拿大的泰克纳 (TEKNA) 公司开发的射频等离子体粉体处理系统,在世界范围内处于领先地位,可以实现Ti、Ti-6Al-4V、W、Mo、Ta、Ni等金属及其合金粉末的生产。国内北京科技大学在射频等离子球化方面进行了大量的研究,可以试验W、Mo、Ti等金属粉末的球化处理,同时,北京科技大学以氢化钛粉为原料,将射频等离子球化处理与“氢爆”相结合,球化过程中实现脱氢,制备超细球形钛粉,粒度范围可以达到20~50μm,图6是氢化钛粉末经射频等离子球化前后粉末形貌图。


结语


随着金属3D打印产业的日新月异,球形3D打印金属粉末制备技术也将进一步完善及产业化。针对3D打印对金属粉末性能要求的严格性,目前国内具备一定的生产能力,气雾化法及旋转电极法可以实现一定规模化生产,球化法还处于实验室阶段,实现规模化还有一定的距离,但存在工艺稳定性问题,高端3D打印用金属基粉末基本依赖进口,为此,我国应加大技术投入,借鉴成熟的研发经验,自主研发新技术新工艺,促进3D打印用金属粉末制备技术的发展和进步。


来源:机械工程材料, 粉末冶金及硬质合金展

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