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金屬3D打印技術(shù)及其專(zhuān)用粉末的研究進(jìn)展(6)

時(shí)間：2017-02-11 22:19 來(lái)源：南極熊作者：中國(guó)3D打印網(wǎng) 閱讀：次

4 金屬粉末

3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前，應(yīng)用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料等，此外還有用于打印首飾用的金、銀等貴金屬粉末材料。 3D 打印金屬粉末作為金屬零件 3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈最重要的一環(huán)，也是最大的價(jià)值所在。

在“2013年世界 3D 打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)”上，世界 3D 打印行業(yè)的權(quán)威專(zhuān)家對(duì)3D打印金屬粉末給予明確定義，即指尺寸小于 1mm 的金屬顆粒群。包括單一金屬粉末、合金粉末以及具有金屬性質(zhì)的某些難熔化合物粉末。目前，3D 打印金屬粉末材料包括鈷鉻合金、不銹鋼、工業(yè)鋼、青銅合金、鈦合金和鎳鋁合金等。但是3D打印金屬粉末除需具備良好的可塑性外，還必須滿(mǎn)足粉末粒徑細(xì)小、粒度分布較窄、球形度高、流動(dòng)性好和松裝密度高等要求。

4.1 鈦合金
鈦合金具有耐高溫、高耐腐蝕性、高強(qiáng)度、低密度以及生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、化工、核工業(yè)、運(yùn)動(dòng)器材及醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)鍛造和鑄造技術(shù)制備的鈦合金件已被廣泛地應(yīng)用在高新技術(shù)領(lǐng)域，一架波音747飛機(jī)用鈦量達(dá)到42.7t。但是傳統(tǒng)鍛造和鑄造方法生產(chǎn)大型鈦合金零件，由于產(chǎn)品成本高、工藝復(fù)雜、材料利用率低以及后續(xù)加工困難等不利因素，阻礙了其更為廣泛的應(yīng)用。而金屬3D打印技術(shù)可以從根本上解決這些問(wèn)題，因此該技術(shù)近年來(lái)成為一種直接制造鈦合金零件的新型技術(shù)。開(kāi)發(fā)新型鈦基合金是鈦合金SLM應(yīng)用研究的主要方向。由于鈦以及鈦合金的應(yīng)變硬化指數(shù)低（近似為0.15），抗塑性剪切變形能力和耐磨性差，因而限制了其制件在高溫和腐蝕磨損條件下的使用。

然而錸（Re）的熔點(diǎn)很高，一般用于超高溫和強(qiáng)熱震工作環(huán)境，如美國(guó) Ultramet公司采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）制備 Re基復(fù)合噴管已經(jīng)成功應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，工作溫度可達(dá)2200℃。因此，Re－TI合金的制備在航空航天、核能源和電子領(lǐng)域具有重大意義。Ni具有磁性和良好的可塑性，因此Ni－TI合金是常用的一種形狀記憶合金。合金具有偽彈性、高彈性模量、阻尼特性、生物相容性和耐腐蝕性等性能。另外鈦合金多孔結(jié)構(gòu)人造骨的研究日益增多，日本京都大學(xué)通過(guò)3D打印技術(shù)給4位頸椎間盤(pán)突出患者制作出不同的人造骨并成功移植，該人造骨即為Ni－TI合金。

4.2 不銹鋼
不銹鋼具有耐化學(xué)腐蝕、耐高溫和力學(xué)性能良好等特性，由于其粉末成型性好、制備工藝簡(jiǎn)單且成本低廉，是最早應(yīng)用于3D金屬打印的材料。如華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、東北大學(xué)等院校在金屬3D 打印方面研究比較深入。現(xiàn)研究主要集中在降低孔隙率、增加強(qiáng)度以及對(duì)熔化過(guò)程的金屬粉末球化機(jī)制等方面。李瑞迪等采用不同的工藝參數(shù)，對(duì)304L不銹鋼粉末進(jìn)行了SLM成形試驗(yàn)，得出304L不銹鋼致密度經(jīng)驗(yàn)公式，并總結(jié)出晶粒生長(zhǎng)機(jī)制。

潘琰峰分析和探討了316L不銹鋼成形過(guò)程中球化產(chǎn)生機(jī)理和影響球化的因素，認(rèn)為在激光功率和粉末層厚一定時(shí)，適當(dāng)增大掃描速度可減小球化現(xiàn)象，在掃描速度和粉末層厚固定時(shí)，隨著激光功率的增大，球化現(xiàn)象加重。Ma等通過(guò)對(duì)1Cr18Ni9Ti不銹鋼粉末進(jìn)行激光熔化，發(fā)現(xiàn)粉末層厚從60μｍ增加到150μｍ時(shí)，枝晶間距從0.5μｍ增加到1.5μｍ，最后穩(wěn)定在2.0μｍ左右，試樣的硬度依賴(lài)于熔化區(qū)域各向異性的微結(jié)構(gòu)和晶粒大小。姜煒采用一系列的不銹鋼粉末，分別研究粉末特性和工藝參數(shù)對(duì)SLM成形質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，粉末材料的特殊性能和工藝參數(shù)對(duì)SLM 成形影響的機(jī)理主要是在于對(duì)選擇性激光成形過(guò)程當(dāng)中熔池質(zhì)量的影響，工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度）主要影響熔池的深度和寬度，從而決定SLM 成形件的質(zhì)量。

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