增材制造用球形金属粉末主要制备技术的研究进展

球形金属粉末作为金属增材制造的重要原材料,其特性对增材制造制件性能具有重要的影响。高效制备高品质球形金属粉末成为促进增材制造技术升级和产业化应用的重要发展方向。介绍了主要的球形金属粉末制备技术,包括气雾化法、等离子旋转电极雾化法和等离子雾化法,重点论述了技术原理和重要工艺参数对粉末特性的影响规律,并展望了3类技术的未来发展方向。

3D打印用球形金属粉末制备工艺

球形金属粉末是金属3D打印的核心原料,关系到3D打印技术的发展。目前3D打印球形金属粉末主要由外国厂家垄断市场,国内生产的球形粉末存在性能不稳定、成本高、产量低等问题。本文对3D打印用金属粉末主要制备工艺的基本原理进行了阐述,并分析了各自优缺点,并提出建设性建议。

基于单分散逐液滴雾化法制备锡合金微细球形金属粉末

提出了一种新型微细球形金属粉末的制备方法——单分散逐液滴雾化法。该方法将脉冲微孔喷射系统与离心雾化系统相结合,并对离心雾化系统进行重新设计,利用脉冲微孔喷射系统制备单分散液滴,再将液滴逐滴离心雾化,制得的粉末表面光滑、粒度小、粒度分布窄、球形度高、无卫星粉。利用该方法制备微细Sn63Pb37,Sn0.3AgCu合金粉末,研究转盘加热处理、不同转盘材料(Cu、Ni、304不锈钢)对粉末制备的影响,分析粒径实验值与理论值的差别,讨论雾化过程中液膜的分裂模式。研究结果表明,转盘加热处理可以使得转盘液膜变薄,粉末粒度细化。转盘与金属材料间的润湿性越好,制备的粉末平均粒度越小,且实验值均小于理论值,铜转盘制备的粉末平均粒径最小为24.0μm。液膜分裂模式与润湿性相关,铜转盘显示滴状分裂,镍转盘显示膜状分裂,不锈钢转盘没有发生液膜分裂。

球形难熔金属粉末的制备技术

高品质球形难熔金属粉末是应用热等静压、热喷涂、注射成型、3D打印等先进粉末冶金制造加工技术,生产高性能难熔金属构件的关键原料。目前球形难熔金属粉末的制备技术主要包含物理化学法、等离子球化法、等离子雾化法和等离子旋转电极法。综述了这4类制粉技术的原理及所制备难熔金属粉末的物理化学性能,并对这4类制粉技术特点及优劣进行评述,指出未来难熔金属粉末制备技术的主要发展方向。

气雾化球形金属粉末形成机理的研究进展

气雾化法是最早用来生产球形金属粉末的技术之一,有力地支持着3D打印技术的发展。由于粉末形成过程复杂,难以直接观察研究,为此研究人员采用仿真模拟的方法再现气雾化过程,揭示粉末形成机理。综述了气雾化过程中气流速度分布特征、金属熔体到粉末过程中破碎、球化、飞行、凝固的理论模型的研究成果,总结了影响粉末颗粒的形成过程相关的物理性能参数与工艺参数。最后指出气雾化制粉理论研究的发展趋势。

激光扫描金属粉末的“球化效应”及其应用

为了利用激光束扫描金属粉末时的"球化效应"将异形金属粉末球化,通过采用正交实验法,系统探明了获得球化效果的激光工艺参量,得到相应的球形粉末。结果表明,金属粉末的球化能力决定于金属粉末的粒径、导热性、熔点和激光吸收率等因素,可用球化因子K表征;当激光扫描速度与激光功率(高于临界功率后)的比值大致等于K时,可获得球形粉末。

增材制造用金属粉末原材料检测技术

增材制造技术又称3D打印,自提出以来受到国内外学者的广泛关注。金属材料的增材制造相比于其他材料难度较大,对于原材料、工艺控制等方面的要求更严苛。针对国内的增材制造用粉末生产及使用情况,本文从金属粉末粒度分布、形貌和流动性检测方法三个方面,结合实际生产、检测的经验,分别讨论了各种粉末检测方法对于增材制造技术的适用性和可行性。

雾化气体压强对2A14铝合金粉末形貌和粒度分布的影响

针对3D打印技术对球形、微米金属粉末的需求,利用超音速气雾化方法制备了2A14铝合金粉末,并系统研究了雾化气体压强对粉末球形度、粒径和粒度分布的影响.结果表明:最佳雾化气体压强为6.0 MPa,该压强下制备的2A14铝合金粉末球形度高,粒度分布窄,平均粒径为32μm,能够满足3D打印的要求.

超高转速等离子旋转电极制粉机制备镍基高温合金GH 4169粉末

使用超高转速等离子旋转电极制粉机制备了GH 4169镍基高温合金粉末,使用PREP法制得的粉末球形度高,少有卫星粉,粉末内部几乎没有孔洞,空心率低;球形粉末颗粒表面光滑洁净,表面组织由柱状枝晶及胞状组织组成。

Fe-Si-B粉末的气雾化制备及其对直接蓝6的降解作用研究

利用气雾化方法制备了Fe-Si-B合金粉末,并采用X线衍射仪、光学显微镜、扫描电镜、激光粒度仪等对其结构和粒度分布进行了表征分析.结果表明：所制备的Fe-Si-B粉末形貌为球形,粒径为5~60μm,粒径小于20μm的粉末具有非晶态结构,而更大粒径的粉末则具有纳米晶结构.通过研究所制备的Fe-Si-B粉末对直接蓝6溶液的催化降解作用,发现Fe-Si-B合金粉末可使直接蓝6溶液在60min内接近完全脱色,显示了优异的降解效果.

基于PREP设备粉末粒径细化的研究

等离子旋转电极雾化制粉设备(简称PREP设备)主要用于制备高品质球形金属粉末。基于国防军工及航空航天等领域对于细粒径、高品质球形金属粉末的迫切需求,以TC4电极棒料为例,探索了Φ60 mm和Φ75 mm两种不同直径电极棒料在不同转速试验条件下的粉末粒径值。结果证明粉末粒径的理论计算结果与试验结果相互吻合。最后提出了细化等离子旋转电极雾化制粉设备粉末粒径的三条途径。

3D打印用金属粉末的制备研究

针对国内3D打印用金属粉体材料的现状,通过对雾化喷嘴的设计改造,采用气雾化方法制备了304L不锈钢粉末;并通过扫描电镜、激光粒度测量仪以及霍尔流量计等对粉末的颗粒形貌、粒度分布、流动性等进行了观察研究。结果表明:采用自制双层雾化喷嘴制备的合金粉末,球形度高,粒度分布范围窄,粉末平均粒径为40μm,符合3D打印对金属粉体材料的要求。

EIGA雾化法制备3D打印用Ti6Al4V合金粉末

根据3D打印技术对金属粉末的特性要求,采用真空电极感应熔化气雾化法（EIGA）制备了Ti6Al4V合金粉末,研究了不同气雾化压力对粉末化学成分、粒径分布、颗粒形貌、流动性能的影响。结果表明：EIGA雾化法制备的Ti6Al4V合金粉末的氧增量小于0.02%（质量分数）,雾化过程中会形成一部分＂卫星球＂,＂空心粉＂颗粒。随着雾化压力的升高,粉末的平均粒径逐渐减小,流动性能变差。根据3D打印技术对粉末性能的要求,雾化压力控制在3.2-3.6 MPa为宜。

雾化制粉过程模拟仿真研究进展

球形金属粉末是重要的工业原材料,广泛应用于增材制造、热等静压、金属注射成形,喷涂等领域,其主要制备工艺包括常规气雾化法、电极感应熔炼气雾化法、等离子旋转电极法、等离子雾化法。制粉过程是十分复杂的物理化学过程,为了更深入地了解复杂的粉末制备过程、优化制粉工艺与装备,综述了近年来粉末制备过程相关的模拟仿真研究,并展望了未来雾化制粉过程模拟仿真研究的发展方向,以期为生产实践提供坚实的理论依据。