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,即尺寸小于1mm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打印金屬粉性能的范圍和表征方法。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面。
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, 據權威媒體表示,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打印金屬粉末的制備尤為重要。
當前有以下兩種方法生產制備球形金屬粉末,包括氬氣霧化法以及等離子旋轉電極法,氬氣霧化法制粉是利用快速流動的氬氣流沖擊金屬液體,將其破碎為細小顆粒,繼而冷凝成為固體粉末的制粉方法;等離子旋轉電極法,等離子態被稱為物質的第四態,等離子旋轉電極霧化(PREP法)制粉過程可簡單描述為:將金屬或合金制成自耗電極,自耗電極端部在同軸等離子體電弧加熱源的作用下熔化形成液膜,液膜在旋轉離心力的作用下被高速甩出形成液滴,熔融液滴與霧化室內惰性氣體(氬氣或氦氣)摩擦,在切應力作用下進一步破碎,隨后熔滴在表面張力的作用下快速冷卻凝固成球形粉末。
3D打印對金屬粉末的要求
1、純凈度
陶瓷夾雜物會顯著降低最終制件的性能,而且這些夾雜物一般具有較高的熔點,難以燒結成形,因此粉末中必須無陶瓷夾雜物。
除此之外,氧、氮含量也需要嚴格控制。目前用于金屬3D打印的粉末制備技術主要以霧化法為主,粉末具有大的比表面積,容易氧化,在航空航天等特殊應用領域,客戶對此指標的要求更為嚴格,如高溫合金粉末氧含量為0.006%-0.018%,鈦合金粉末氧含量為0.007%-0.013%,不銹鋼粉末氧含量為0.010%-0.025%。
2、粉末流動性和松裝密度
粉末流動性直接影響打印過程中鋪粉的均勻性和送粉過程的穩定性。
流動性與粉末形貌、粒度分布及松裝密度相關,粉末顆粒越大、顆粒形狀越規則、粒度組成中極細的粉末所占的比例越小,其流動性越好;顆粒密度不變,相對密度增加,粉末流動性則增加。另外,顆粒表面吸附水、氣體等會降低粉末流動性。
3、粉末粒度分布
不同3D打印設備及成形工藝對粉末粒度分布要求不同。目前金屬3D打印常用的粉末粒度范圍是15-53μm(細粉)、53-105μm(粗粉)。
4、粉末形貌
粉末形貌和粉末的制備方法密切相關。一般由金屬氣態或熔融液態轉變成粉末時,粉末顆粒形狀趨于球形,由固態狀變為粉末時,粉末顆粒多為不規則形狀,而由水溶液電解法制備的粉末多數呈樹枝狀,一般而言,球形度越高,粉末顆粒的流動性也越好,3D打印金屬粉末要求球形度在98%以上,這樣打印時鋪粉及送粉更容易進行。
綜上,靜態圖像法可在粒度和粒形兩個維度上對金屬粉末進行測試,獲得高達數十個參數,可完美表征包括宏觀、介觀、和微觀在內三個層次的形貌特征,從而評價包括顆粒整體的高寬比,圓度,球形度以及衛星化信息,可對不同批次的粉體的流動性以及顆粒的粘連情況進行對比,可間接的量化分析。