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揭秘3D打印金属粉末制备技术及现状-广东11选5官网

编辑:广东11选5官网 来源:广东11选5官网 创发布时间:2021-05-01阅读52481次
  本文摘要:金属3D打印机火了之后,金属3D打印机粉末材料也回来开始火了,我们之前报导,市场研究公司IDTechEx发布2016年3D打印机金属粉末市场超过了2.5亿美金,低于预测。

金属3D打印机火了之后,金属3D打印机粉末材料也回来开始火了,我们之前报导,市场研究公司IDTechEx发布2016年3D打印机金属粉末市场超过了2.5亿美金,低于预测。而3D打印机金属粉末市场将维持低快速增长的态势,IDTechEx预测到2025年超过50亿美金的市场规模,年填充增长率39.5%。

接下来就为大家主要讲解一下,目前国内外3D打印机金属粉末的制取工艺——气雾化技术的最新进展,并对3D打印机金属粉末制取技术的现状展开分析,明确提出一些意见。3D打印机技术是一种新型的打印机技术,其引人注目优点在于需要机械加工或任何模具,就能必要从计算机图形数据中分解任何形状的零件,从而很大地延长产品的研制周期,提升生产率和降低生产成本。3D打印机金属粉末作为金属零件3D打印机最重要的原材料,其制取方法倍受人们注目,3D打印机金属粉末作为金属零件3D打印机产业链最重要的一环,也是仅次于的价值所在。

在“2013年世界3D打印机技术产业大会”上,世界3D打印机行业的权威专家对3D打印机金属粉末给与具体定义,即指尺寸大于1mm的金属颗粒群。还包括单一金属粉末、合金粉末以及具备金属性质的某些难熔化合物粉末。目前,3D打印机金属粉末材料还包括钴铬合金、不锈钢、工业钢、青铜合金、钛合金和镍铝合金等。但是3D打印机金属粉末除须要不具备较好的可塑性外,还必需符合粉末粒径细小、粒度产于较宽、球形度低、流动性好和松装密度高等拒绝。

为了更进一步证明3D打印机金属粉末对产品的影响。使用选择性激光工件法(SLS法)打印机两种有所不同的不锈钢粉末,找到制取出有的产品不存在显著差异。德国某厂家的不锈钢粉末打印机样品表面光泽、收缩率小、容易变形、力学性能平稳。

而国内某厂家的不锈钢粉末的打印机样品则相比之下不及前者。为此,对两种有所不同的不锈钢粉末展开的微观形貌分析。图1为德国某厂家不锈钢粉末的微观结构,从图中我们可以显现出,粉末颗粒球形度好,颗粒尺寸产于在11.2~63.6μm范围内。

图2为国内某厂家的不锈钢粉末的微观结构,可以显现出,其颗粒为点状块状,尺寸较小。通过上述研究指出,3D打印机耗材金属粉末须要符合粒径细小、粒度产于较宽、球形度低、流动性好和松装密度低。

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因此,为了获得所须要出色性能的3D打印机产品,必需谋求一种高效的金属粉末制取方法。2.金属粉末的制取工艺目前,粉末制取方法按照制取工艺主要可分成:还原法、电解法、羰基分解成法、研磨法、雾化法等。其中,以还原法、电解法和雾化法生产的粉末作为原料应用于到粉末冶金工业的更为广泛。

但电解法和还原法仅限于单质金属粉末的生产,而对于合金粉末这些方法皆不限于。雾化法可以展开合金粉末的生产,同时现代雾化工艺对粉末的形状也需要作出掌控,大大发展的雾化腔结构大幅提高了雾化效率,这使得雾化法渐渐发展沦为主要的粉末生产方法。雾化法符合3D打印机耗材金属粉末的特殊要求。雾化法是指通过机械的方法使金属熔液消灭成尺寸大于150μm左右的颗粒的方法。

按照消灭金属熔液的方式可以分成雾化法还包括二流雾化法、离心雾化、成像雾化、真空雾化等。这些雾化方法具备各自特点,且都已顺利应用于工业生产。

其中水气雾化法具备生产设备及工艺非常简单、能耗较低、批量大等优点,己沦为金属粉末的主要工业化生产方法。2.1水雾化法在雾化制粉生产中,水雾化法是廉价的生产方法之一。因为雾化介质水不但成本便宜更容易提供,而且在雾化效率方而表现出色。

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目前,国内水雾化法主要用来生产钢铁粉末、金刚石工具用胎体粉末、含油轴承用实合金粉末、硬面技术用粉末以及铁基、镍基磁性粉末等。然而由于水的比热容远大于气体,所以在雾化过程中,被碎裂的金属熔滴由于凝结过慢而变为点状状,使粉末的球形度受到影响。

另外一些具备高活性的金属或者合金,与水认识不会再次发生反应,同时由于雾化过程中与水的认识,不会提升粉末的氧含量。这些问题容许了水雾化法在制取球形度低、氧含量较低的金属粉末的应用于。但是,金川集团股份有限公司发明者了一种水雾化制取球形金属粉末的方法,其使用在水雾化燃烧室下方处再行设置一个二次冷水雾化燃烧室,展开二次雾化。该发明者获得的粉末不仅球形度相似气雾化效果,而且粉末粒度比一次水雾化更细。

2.2气雾化法气雾化法是生产金属及合金粉末的主要方法之一。气雾化的基本原理是用高速气流将液态金属流碎裂成小液滴并凝结成粉末的过程。由于其制取的粉末具备纯度低、氧含量较低、粉末粒度高效率、生产成本低以及球形度高等优点,已沦为高性能及特种合金粉末制取技术的主要发展方向。

但是,气雾化法也不存在严重不足,高压气流的能量近大于高压水流的能量,所以气雾化对金属熔体的碎裂效率高于水雾化,这使得气雾化粉末的雾化效率较低,从而减少了雾化粉末的制取成本。目前,具备代表性的几种气雾化制粉技术气雾化如下:2.2.1层流雾化技术层流雾化技术是由德国Nanoval公司等明确提出,该技术对常规燃烧室展开了根本性改良。图3为层流雾化燃烧室结构图。

改良后的雾化燃烧室雾化效率高,粉末粒度产于较宽,加热速度约106~107K/s。在2.0MPa的雾化压力下,以Ar或N2为介质雾化铜、铝、316L不锈钢等,粉末平均值粒度超过10μm。该工艺的另一个优点是气体消耗量较低,经济效益明显,并且限于于大多数金属粉末的生产。

缺点是技术掌控可玩性大,雾化过程不平稳,产量小(金属质量流率大于1kg/min),有利于工业化生产。Nanoval公司于是以致力于这些问题的解决问题。

2.2.2成像凸耦合雾化技术成像凸耦合雾化技术是由英国PSI公司明确提出。该技术对凸耦合环缝式燃烧室展开结构优化,使气流的出口速度多达声速,并且减少金属的质量流率。图4为典型的凸藕合雾化燃烧室结构图-Unal雾化燃烧室。

在雾化低表面能的金属如不锈钢时,粉末平均值粒度平均20μm左右,粉末的标准偏差低于可以降到1.5μm。该技术的另众多优点是大大提高了粉末的加热速度,可以生产慢冻或非晶拢的粉末。

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从当前的发展来看,该项技术设备代表了紧耦合雾化技术的新的发展方向,且具备工业简单意义,可以普遍应用于识不锈钢、铁合金、镍合金、铜合金、磁性材料、储氢材料等合金粉末的生产。2.2.3热气体雾化法近年来,英国的PSI公司和美国的HJF公司分别对热气体雾化的起到及机理展开了大量的研究。HJF公司在1.72MPa压力下,将气体冷却至200~400℃雾化银合金和金合金,得出结论粉末的平均值粒径和标准偏差皆随温度增高而减少。

与传统的雾化技术比起,热气体雾化技术可以提升雾化效率,减少气体消耗量,更容易在传统的雾化设备上构建该工艺,是一项具备应用于前景的技术。但是,热气体雾化技术受到气体冷却系统和燃烧室的容许,仅有少数几家研究机构展开研究。2.3国内3D打印机金属粉末的雾化工艺目前,我国河南黄河旋风股份有限公司早已开始转入3D打印机金属粉末研发。其所用的粉末制取工艺如真空雾化制粉、超高压水雾化制粉、惰性气体凸耦合雾化制粉技术。

下面侧重讲解前两种雾化技术。2.3.1真空雾化制粉真空雾化制粉是所指在真空条件下冶炼金属或金属合金,在气体维护的条件下,高压气流将金属液体雾化碎裂成大量细小的液滴,液滴在飞行中凝结成球形或是亚球形颗粒。真空雾化制粉可以制取大多数无法使用在空气中和水雾化方法生产的金属及其合金粉末,可获得球形或亚球形粉末。

由于凝结慢解决了偏析现象,可以制备许多类似合金粉末。使用适合的工艺,可以使粉末粒度超过一个拒绝的范围。2.3.2超高压雾化法超高压雾化法是使用超高压雾化燃烧室制取金属粉末的一种方法。

图5(a)为高压雾化燃烧室,图5(b)为超高压雾化燃烧室。超高压雾化燃烧室的特点是可以在较低的气压下产生更高的超音速气流和均匀分布的气体速度场,从而更为有效地诱导危害激波的产生,明显增加气体的动能,使雾化效率更高。该燃烧室在较低的气压下产生与高压雾化燃烧室完全相同的雾化效果,而且气流速度更为平稳和均匀分布。

同时,制得的粉末粒径小、产于较宽。我国3D打印机金属粉末现状近年来,我国积极探索3D打印机金属粉末制取技术,可行性取得成效。

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自20世纪90年代初以来,清华大学、西安交通大学、华中科技大学、华南理工大学、北京航空航天大学、西北工业大学等高校,在3D打印机材料技术方面,积极开展了大力的探寻,有数部分技术正处于世界先进设备水平。黄河旋风股份有限公司早已开始转入3D打印机金属粉末研发。享有多套国内领先水平的雾化制粉设备,工艺涵括真空雾化制粉、超高压水雾化制粉、惰性气体凸耦合雾化制粉技术,将为中国的3D打印机事业贡献一份力量。

之前南极熊报导河南黄河旋风5.18亿投向3D打印机金属粉末,但是,目前,我国3D打印机金属粉末仍不存在如下4个问题:1.缺少宏观规划和引领、2.对技术研发投放严重不足、3.产业链缺少专责发展、4.缺少教育培训和社会推展。同时,在常规的金属粉末雾化燃烧室中,金属粉末的构成是靠气流对金属液流的扰动和冲击使其碎裂成粉末,由于气流的扰动具备统计资料特征,粉末的粒度产于较宽,同时在所有的雾化技术中,不管燃烧室的结构如何,气流在起到于液流前的飞行中大大收缩,速度增大,造成雾化气体能量损失较小,影响了雾化效率。

因此,这为3D打印机技术带给挑战的同时,也带给了商机。3D打印机技术作为“增材生产”的主要构建形式,节约成本、增加燃料消耗,终将沦为最不具潜力发展的产业。根据独立国家市场研究公司MarketsandMarkets在2015年年底公开发表的报告,全球金属粉末供应的5大公司分别是Sandvik,Carpenter,GKN,Arcam,LPWTechnology。

3D打印机粉末市场预计在未来几年不会贞着快速增长,其中,金属粉末被报导是目前3D打印机粉末中最主要的。Carpenter目前作为全球3D打印机粉末市场中最强劲的公司之一,并且认同是美国的领先公司。

根据报告,北美是目前市场上最主要的地区,预计在未来几年将之后维持领先地位。


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