一種用于直接3d打印金屬零件的合金粉及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于3D打印制造材料領(lǐng)域，具體涉及一種合金粉，該合金粉可直接利用3D 打印制造出高強(qiáng)度高密實(shí)度的金屬零件，進(jìn)一步涉及該合金粉的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 3D打印技術(shù)是一種通過逐層增加堆積材料來生成三維實(shí)體的快速增材制造技術(shù)， 不但克服了傳統(tǒng)減材制造造成的損耗，而且使產(chǎn)品制造更智能化，更精準(zhǔn)，更高效。尤其是 涉及到復(fù)雜形狀的高端制造，3D打印技術(shù)顯示出巨大的優(yōu)越性。3D打印技術(shù)是一項(xiàng)具有工 業(yè)革命意義的高新制造技術(shù)，代表了世界制造業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，近年來3D打印應(yīng)用不斷拓 展，主要有樹脂、石蠟為原料進(jìn)行快速成型。而3D打印的最終發(fā)展是在高端工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用， 樹脂塑料還無法滿足高端工業(yè)3D打印的需要，因此3D打印材料逐步從樹脂塑料向金屬材 料發(fā)展。
[0003] 金屬粉末用于3D打印，對(duì)金屬粉末要求較高，通常金屬粉末必須滿足粉末粒徑細(xì) 小、粒度分布較窄、球形度高、流動(dòng)性好、松裝密度高的特性。而這些性能難以同時(shí)滿足，因 此3D打印金屬粉末難以滿足高精打印的需求。導(dǎo)致通過選擇性激光燒結(jié)進(jìn)行3D打印金屬 粉末制造的金屬零件普遍存在強(qiáng)度不高、精度較低及表面質(zhì)量較差等問題。如材料的物理 與化學(xué)性質(zhì)、激光參數(shù)和燒結(jié)工藝參數(shù)等影響著燒結(jié)過程、成型精度和質(zhì)量。零件在成型過 程中，由于各種材料因素、工藝因素等的影響，會(huì)使燒結(jié)件產(chǎn)生各種冶金缺陷如裂紋、變形、 氣孔、組織不均勻等。
[0004] 金屬材料的3D打印制造技術(shù)之所以難度大，是因?yàn)榻饘俚娜埸c(diǎn)比較高，涉及到了 金屬的固液相變、表面擴(kuò)散以及熱傳導(dǎo)等多種物理過程。熔化和冷卻過程生成的晶體組織 是否良好、整個(gè)試件是否均勻、內(nèi)部雜質(zhì)和孔隙的大小都會(huì)引起金屬零件的應(yīng)力變化。因 此，目前采用3D打印進(jìn)行金屬粉末制造金屬制品大都采用間接制備方法將金屬粉預(yù)粘接 后再進(jìn)行燒結(jié)。如： 中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?00510020015. 5公開了一種激光燒結(jié)快速成形材料的制備方 法，該方法將粘結(jié)劑酚醛樹脂與金屬或合金粉末與粉碎混合，通過粘結(jié)劑實(shí)現(xiàn)金屬零件的 選擇性激光燒結(jié)快速制造。這種間接成型方法由于燒結(jié)會(huì)形成大量空洞，需要后期浸料處 理，來提升強(qiáng)度。
[0005] 中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?01310605634. 5公開了一種低功率激光燒結(jié)法金屬3D打 印產(chǎn)品生產(chǎn)方法，采用金屬粉末材料加熱塑性成型粘接劑的方法，制備出低融點(diǎn)的3D金屬 打印原材料混合料，由于金屬粉末顆粒表面形成薄層熱塑性粘結(jié)劑，通過低功率選擇性激 光燒結(jié)或電子束燒結(jié)法3D打印機(jī)，金屬粉末材料經(jīng)過表層熱塑性粘結(jié)劑低溫融化一冷卻 粘結(jié)固化過程，層層堆積成型。該金屬零部件為間接粘接形成的生坯，需要后續(xù)處理。而且 由于引入的粘接劑對(duì)金屬制品而言是一種雜質(zhì)，會(huì)對(duì)制品的力學(xué)性能產(chǎn)生不利的影響。
[0006] 中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?01410028642. 2公開了一種3D打印機(jī)用的金屬粉末。通過 將金屬粉末的粒徑降至亞微米級(jí)，使熔點(diǎn)低和熔融速度快，可以提高金屬3D打印機(jī)的打印 速度以及打印構(gòu)件的精度。該亞微米級(jí)金屬粉通過降低粒徑來降低熔融溫度，但由于是通 過粘接形成的亞微米金屬粉，因此，用于直接打印時(shí)由于缺少支撐，熔化和冷卻過程容易造 成金屬制品變形。
[0007] 根據(jù)上述，3D打印金屬粉末通過間接粘接的方法制造金屬制品的致密性較低，需 要后續(xù)對(duì)形成的多孔進(jìn)行浸料、填充處理，導(dǎo)致金屬制品強(qiáng)度受損。通過3D打印激光熔化 技術(shù)直接成型時(shí)，可以直接制成終端金屬產(chǎn)品，得到冶金結(jié)構(gòu)的金屬實(shí)體，但由于受金屬粉 末熔化溫度、粒徑分布、冷卻結(jié)晶的影響，因此，金屬粉末直接通過3D打印制造金屬制品時(shí) 難以得到高精密度、高密實(shí)度、高強(qiáng)度的金屬制品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)目前金屬粉末難以直接通過3D打印制造高精密度、高密實(shí)、高強(qiáng)度金屬零件 的缺陷，本發(fā)明提出一種用于直接3D打印金屬零件的合金粉。該合金粉是由納米鋁通過一 層薄錫粉粘接在鐵的氧化物表面形成的鐵基合金微球，微球的粒徑在2-10微米，球度大于 95%?？芍苯佑糜?D打印金屬零件。用于直接3D打印金屬零件時(shí)，通過鋁對(duì)鐵氧化物的逐 步還原，克服了金屬直接熔化成型造成的結(jié)構(gòu)變形，而且冷卻結(jié)晶均勻，形成的氧化鋁提 高了成型件的強(qiáng)度，制品件孔隙率降低，具有良好的密實(shí)度，可用于高精度、復(fù)雜形狀的金 屬零件的直接打印。
[0009] -種用于直接3D打印金屬零件的合金粉,是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的： 一種用于直接3D打印金屬零件的合金粉，其特征是：由納米鋁通過一層薄錫粉粘接在 鐵的氧化物表面形成的鐵基合金微球，微球的粒徑在2-10微米，球度大于95%，合金中氧化 鐵的重量份為60-70份，納米錯(cuò)的重量份為30-40份，錫粉的重量份為0. 1-0. 5份。
[0010] 所述的氧化鐵平均粒徑500nm，純度99. 9%，比表面積50-80m2/g，呈球形晶相。
[0011] 所述的納米鋁平均粒徑10_20nm，純度99. 9%，比表面積90-120m2/g。
[0012] 所述的錫粉平均粒徑10 μ m，純度99. 5%以上。
[0013] 一種用于直接3D打印金屬零件的合金粉，其特征是：通過鋁對(duì)鐵氧化物的逐步還 原，無需支撐劑和粘接劑，克服了金屬直接熔化成型造成的結(jié)構(gòu)變形，可直接通過3D打印 制造最終的金屬零件，金屬零件精密度高、密實(shí)度高、強(qiáng)度高，無需后續(xù)填孔處理。
[0014] 本發(fā)明一種用于直接3D打印金屬零件的合金粉的制備方法，其特征是按照如下 方式進(jìn)行： 1) 將60-70重量份的球形微細(xì)氧化鐵置于高速分散設(shè)備中，設(shè)置分散設(shè)備溫度為 200-240°C，進(jìn)行900-1500rpm的高速攪拌分散，分散時(shí)間控制在5-15min，待球形微細(xì)氧化 鐵受熱穩(wěn)定后，加入〇. 1-0. 5重量份的錫粉，繼續(xù)攪拌20-30分鐘使錫粉完全熔化涂敷在球 形微細(xì)氧化鐵表面； 2) 將30-40重量份的納米鋁加入步驟1)得到的涂敷球形微細(xì)氧化鐵，設(shè)置分散設(shè)備溫 度為180-220°C，真空度設(shè)置為0. 03-0. 05MPa，在真空狀態(tài)下以400-800rpm的轉(zhuǎn)速將鋁粉 均勻分散粘涂在球形微細(xì)氧化鐵表面，分散時(shí)間控制在5-15min，得到由鋁粉包覆球形微細(xì) 氧化鐵的合金粉； 3) 將步驟2)得到的合金粉送入由氬氣保護(hù)的冷卻器中進(jìn)行冷卻、篩分得到直接用于 3D打印金屬零件的合金粉。
[0015] 上述制備方法，步驟1)所述的高速分散設(shè)備為配置圓盤式槳葉的高速混合機(jī)。
[0016] 上述制備方法，步驟3)所述的冷卻器為強(qiáng)力氬氣氣流冷卻器，由高速氬氣氣流使 合金粉冷卻，并通過氣流撞擊和形成渦旋將部分粘連的合金粉粉碎、通過旋轉(zhuǎn)篩分得到粒 徑均一的合金粉。
[0017