CN104889390B

CN104889390B - 稀土永磁材料的3d打印工艺

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Publication number: CN104889390B
Application number: CN201410078399.5A
Authority: CN
Inventors: 张瑞龙
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2017-10-10
Anticipated expiration: 2034-03-04
Also published as: CN104889390A

Abstract

本发明公开了一种稀土永磁材料的3D打印工艺，选择金属粉末直接烧结型3D打印机作为加工设备，以激光等发热装置为热源，计算机建模获得的平面切片图输入3D打印机。稀土永磁材料用粉末冶金与制粉工艺制成的预合金粉末装入打印机粉料缸中。铺粉后，计算机操控激光头根据原型切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，激光束按填充轮廓线逐行逐层扫描烧结，最后叠加至三维永磁体成型，冷却出缸。成型室工作环境为预热与真空，充入保护性氢氩气体。烧结前后均可充磁。本发明工艺适用于所有稀土永磁材料，通过选择大中规格的打印机可制作大中尺寸的永磁体。免模具开发制作成本，缩短制作周期，可获得优于传统烧结工艺的成型质量，甚至达到锻件质量。

Description

稀土永磁材料的3D打印工艺

技术领域

本发明涉及一种稀土永磁材料的3D打印工艺

背景技术

当前，3D打印技术已风靡全球。未来学家预测它可能引领制造业新潮流，掀起第三次工业革命。由于该技术原创于西方发达国家，目前有关工艺的知识产权多为外国公司持有，将来我国企业要深入进入这一领域，需要支付高昂的专利费，或产生诸多专利纠纷。因此，面对3D打印热潮，我国急需迎头赶上，尽快开拓有关发明构想，研发实施工艺，尽快形成我国自有的3D打印知识产权体系。

目前，3D打印未能大规模地开展，是由于应用最广泛的制造业，大多数工业零件需要用金属材料制成，而由于金属粉末印材的制备与打印工艺远比塑料、树脂复杂，形成3D打印发展的瓶颈。换句话说，要让3D打印真正武装庞大的制造业，一定要尽快解决金属粉末印材制备与有关打印工艺。

在金属粉末中，尤以稀土永磁材料为引领新材料。永磁材料是不需要消耗能量而能保持其磁场的磁功能材料，稀土永磁材料是永磁材料的主体产品，广泛应用于现代工艺与科学技术中。由于稀土资源近80％在中国，21世纪中国将成为稀土永磁材料生产和开发的基地与中心。而新材料的开发应用，是国家产业政策大力鼓励的高新科技领域。

稀土永磁材料家族中，钕铁硼由于磁性能高(被称为“磁王”)，相对价格较低，因而得到广泛应用。用量最大的是电子信息行业，单台用量最大则是医疗设备行业的磁共振成像仪，主磁体可有十多吨重。

2013年6月26日，中国发明专利CN103170628A(下称“该发明”)公开了一种基于3D打印技术的钕铁硼制备方法，首次提出把3D打印技术应用于钕铁硼，扩大了3D打印在金属粉末印材上的选择。该发明与本发明的区别是：

1、钕铁硼虽是稀土永磁材料中应用最广泛的，但它毕竟只是稀土磁料的一种，属于稀土-铁系。还有稀土钐钴、稀土镨铁铜硼等众多系列。作为稀土磁材家族的共同成员，它们都有着相同的材料特征，应当有更多的发明把3D打印应用扩大到整个稀土磁材家族。

2、该发明涉及的产品为“小型、超薄”的微特电机(见该发明摘要)，而本发明以医用磁共振仪主磁体的大型、多元、高值产品为目标，有更大的适应范围。

3、稀土磁料的传统制备工艺分为烧结、粘结与热变形三种，其中烧结磁体的磁性能较高，而粘结磁材磁性能比较稳定。烧结工艺需用超千度高温烧结，而该发明是用20～900摄氏度加热工作台，如需烧结则需在发明范畴以外进行，说明书中也确认该发明工艺制作的是“粘结钕铁硼”，应属一种加温粘结新工艺。而本发明则是传统烧结工艺与3D打印对接的新工艺，工艺流程与该发明有很大区别，因此与该发明是两种不同类型的工艺。

4、正因为该发明是粘结型工艺，所以其原料用的钕铁硼造粒是机械混合粉末，而且需要添加粘结剂，而本发明工艺用的是冶炼合金粉末，且不需要添加粘结剂。

综上所述，该发明属于钕铁硼3D打印非烧结工艺；

本发明属于稀土永磁材料3D打印烧结工艺。

发明内容

本发明的目的，是提供一种可以整体稀土磁材家族为原料，特别适用于医用磁共振仪一类大型设备零部件制造，可对接传统稀土磁材烧结工艺的3D打印稀土磁材工艺，并提供用于该工艺的原料制备方法。

本发明工艺可免模具开发制作成本，缩短制作周期，可获得优于传统烧结工艺的成型质量，甚至达到锻件质量。

本发明技术文案为：

一、选择烧结型3D打印机作打印设备，以激光等发热装置为热源。

3D打印机为已知技术，“3D打印”是一个广义的概念，实际上是快速成型制造技术的通俗名称。其原理虽与普通打印机工作原理基本相同，但实现打印的技术与设备却五花八门。如果不能选择最合适的已知技术与设备配合，就无法进行打印操作，更谈不上研发先进工艺。所以，3D技术与设备的选择，成为本发明的起点。

鉴于本发明的目的是要提出制作烧结磁体的3D打印工艺，所以，本发明选择金属粉末直接激光烧结技术及相关设备作为实施本发明的工具。

二、计算机建模切片：

3D打印的三维建模为已知技术，用CAD软件创建拟加工零件三维实体模型，用分层软件将该模型分解成二维平面切片，再用扫描轨迹生成软件将切片轮廓信息转化成激光扫描轨迹信息。

3D打印的准备工序是铺粉，铺粉质量对打印质量影响很大。铺粉质量不只取决于铺粉时的操作，而是在建模切片阶段就必须提前实施质量控制。粉末是分层铺放的，每层粉末的铺放厚度也就是切片的厚度。切片过厚，烧结体会出现“台阶”效应(形成台阶状)，成型件形状误差大，表面质量差。切片过薄，成型件的制作精度高，但铺粉难度增加，烧结的时间也拖长。因此，需要在烧结精度与制作时间两者之间掌握平衡。本发明提出“切片差异策略”：即形状变化大或精度要求高的地方切得薄些，在形状变化小或精度要求低的地方切得厚些：

厚片厚度：70～100微米

中片厚度：40～70微米

薄片厚度：10～40微米

三、原料制备：

本发明工艺需要制备的原料为稀土永磁金属粉末。鉴于金属粉末3D打印目前是3D打印的瓶颈，而磁粉打印还需要像在传统烧结工艺中那样在磁场中取向，比非磁材金属增加了充磁的环节，而且对成型件有磁性能的要求，所以3D打印磁材有着比普通磁材更严格的要求，每一项性能与每一道工序都要考虑对成型磁体磁性能的影响。本发明工艺对原料性能的要求包括如下5方面：

1、粒度(或称粒径，指粉末颗粒的平均大小)：

磁粉末源于永磁合金锭的研磨，颗粒的内禀矫顽力(表征永磁材料抵抗外部反向磁场或其他退磁效应，以保持其原始磁化状态能力的主要指标)随粒度细化而增加，在某一粒度时达到最佳值。如研磨过度，粒度再细化，会使内禀矫顽力下降。目前，用于3D打印的非磁材金属粉末粒径普遍在10微米至100微米之间，以30-70微米居多。实验证明，永磁粉末粒度为4～6微米时，矫顽力与磁体密度都达到最大值，实现良好的配合。可见，磁材的粒度要求比非磁材要细得多。

2、粒度分布(粉体中不同粒径区间的颗粒含量，即颗粒分布均匀度)：

由于磁粉颗粒过大与过小均对磁性能不利，所以要求粒度分布要窄一些，4～6微米颗粒占总颗粒的80％以上，大于10微米的＜5％，小于1微米即纳米级的＜15％；

3、保证磁粉颗粒晶体结构为单晶体，单晶体率＞98％。只有单晶体在磁场取向时才能获得高取向度，提高成型件磁性能；

4、磁粉颗粒呈球状或近似球状，以利于打印烧结时，未熔固相颗粒间通过液相凝固后生成的“烧结颈”形成有效连接。球面应光滑且晶体缺陷尽可能少，有效降低烧结温度。粉末球化率应＞98％，保证粉末均匀度；

5、磁粉表面吸附的杂质与气体应尽可能少，尤其是氧含量应＜0.7％，稀土材料制成品性硬而脆，耐腐蚀性能较差，极易氧化。粉末含氧量与粒度也有关联，粒度小于4微米时，粉末越细含氧量越高，所以粒度不宜过小。

四、铺粉：

磁粉在打印机成型室的粉料缸中填装时处于松装状态，松装的磁粉在激光烧结时会出现明显的收缩，对烧结件形状精度会有影响，所以应逐层保留适当的空间收缩余量。

五、烧结(打印)：

烧结是3D打印最关键的工艺环节，用激光头对每层铺设好的磁粉进行扫描烧结。烧结的质量取决于激光能量密度，而能量密度与激光功率、聚焦光斑直径、扫描速率及扫描间距都有关。

(一)基本工艺策略与参数：

1、激光能量密度：5x100W/cm²以上；

2、激光功率与聚焦光斑直径：功率100W～200W，聚焦光斑直径70～100微米。功率过低或光斑过小，生成的液相量偏小，熔体粘度过高，致使烧结恶化；功率过高或光斑过大，液相过量，引起“球化”，烧结熔池过热严重，产生较大的热应力，导致变形和开裂。

3、扫描速率：80微米/S～160微米/S。速率过高，造成瞬间激光能量密度减少，粉末熔化程度下降，熔道不易平直，孔隙空洞多，“球化”效应明显。速率过低则单位面积粉末吸收能量过多，熔体汇聚，致密度下降，且延长了烧结时间，加工效率低。

4、扫描间距：0.06mm～0.08mm。扫描间距大小的利弊与扫描速率高低利弊接近。间距过大如同速率高，都会造成能量密度低，烧结不均匀。间距过小则能量密度高，熔道过于挤迫。

以上参数的组合，本发明称之为综合优化策略。

(二)特殊工艺策略与参数：相邻两层间的烧结是3D打印工艺的难点，为此本发明提出如下两项策略：

1、相邻层穿透烧结策略：为保证相邻两层间烧结完成后达到良好的粘结状态，激光束在烧结新烧结层时，必须穿透新烧结层达到已烧结层内，对已烧结层进行二次烧结，使上下层面结合部分重新熔化而粘结成一体。此策略如使用通俗语言，可称之为“羊肉串烧策略”。

2、相邻层凹凸镶嵌烧结策略：由于每层烧结时都会出现各熔道熔池形成的凹凸不平，相邻层之间的不平则更为明显。为此可在相邻层扫描时，采用凹凸镶嵌方式进行。此策略如使用通俗语言，可称为“鸡蛋凹状泡沫包装策略”。

附图说明

附图是稀土永磁材料3D打印工艺流程图。

具体实施方式

实施例1：3D打印钕铁硼永磁体制备方法

一、选择设备：

选择直接烧结型3D打印机作为加工设备，以激光等发热装置为热源。根据永磁体产品设计要求选择合适规格(长宽高尺寸)的3D打印机。

二、设计建模

3D打印为已知技术，用CAD软件创建拟加工零件三维实体模型，用分层软件将该模型分解成二维平面切片，再用扫描轨迹生成软件将切片轮廓信息转化成激光扫描轨迹信息。

三、备料：

备好用各种粉末冶金及制粉工艺制造的钕铁硼粉末，原料质量要求为：

1、粒度：4～6微米；

2、粒度分布：4～6微米的颗粒占总颗粒的80％以上，大于10微米的＜5％，小于1微米即纳米级的＜15％；

3、磁粉颗粒晶体结构为单晶体，单晶体率＞98％；

4、磁粉球化率＞98％；

5、磁粉含氧量＜0.7％。

四、操作流程：

1、装料：把准备好的合金粉末装入成型室的粉料缸中(松装)。

2、充磁：用充磁机或特制充磁线圈对粉料缸里的粉末进行预充磁(磁场取向)；

3、抽真空：启动成型室密封装置与真空泵抽真空；

4、预热：对成型室内的工作台进行预热，预热温度摄氏350度至380度；

5、充入保护气体：向成型室充入含有10％氢气的氢氩混合气体，使烧结过程在保护气氛中进行。充气后停止抽真空以减少功率消耗。

6、首层(底层)铺粉：

启动送粉装置，操纵粉料缸活塞(送粉活塞)上升，由铺粉刷或铺粉辊将粉料平推到成型缸工作活塞或基板(升降工作台)上均匀铺上第一层(首层)，并加以压实。铺粉厚度10～100微米，由计算机中的平面切片决定。

7、首层烧结(打印)：

烧结是3D打印最关键的工艺环节，由成型室内的光路单元执行。激光发射器(激光头)开始工作，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，激光束按首层的填充轮廓线有选择地逐行扫描工作台上的粉末，第一行扫描完成后按一定间距进行下一行扫描，直到整层粉末烧结完成，粉末形成一定层厚的成型层。扫描的工艺参数为：

激光能量密度：5x100W/cm²以上

激光功率：100W～200W

聚焦光斑直径：70微米～100微米

扫描速率：80mm/s～160mm/s

扫描间距：0.06mm～0.08mm

成型层厚：0.03mm～0.04mm

8、后续层烧结：

首层粉末烧结完成后，工作台下降一个层厚，粉料缸则上升一定厚度的距离，铺粉装置再在已加工好的首层铺上新粉，计算机调入第二层轮廓的数据，控制激光束再扫描烧结第二层。烧结新烧结层时应使用发明内容中所述相邻层穿透烧结与相邻层凹凸镶嵌烧结策略。

第二层完成后，继续铺粉-烧结的过程，如此循环往复，层层叠加，直到三维永磁体成型。

9、冷却出缸与粉末回收：

烧结结束后即解除成型室密封状态，启动降温风扇，让成型件快速冷]却。从成型缸取出成型件，并把未烧结的粉末回收到粉料缸中。

10、加工处理：

根据产品设计要求，对成型件进行表面加工处理，如打磨、抛光、电镀等。

11、充磁：

根据设计要求对成型件进行饱和充磁及磁性检验。

依据本发明方法制造的实施例1钕铁硼磁体，经测量性能参数为：

磁体密度d＝6.32g/cm³，磁能积BHmax＝76KJ/m³

(传统工艺参数密度＝6.25g/cm³，磁能积＝70KJ/m³)

实施例2：3D打印钐钴永磁体制备方法

钐钴永磁体制备方法与钕铁硼大体相同，但由于钴的熔点(摄氏1495度，氧化钴摄氏1935度)比铁的熔点(摄氏1535度)高，钴与钐的熔点差也远大于铁与钕的熔点差，因此其打印烧结工艺方法及某些参数与钕铁硼有如下差别：

1、钕铁硼磁粉颗粒要求为单晶体，而钐钴粉为多晶体；

2、钐钴粉烧结时对真空度及温度稳定性有极高要求。烧结过程中需持续启动真空泵，以保持成型室内的真空度。传统工艺中，烧结温度是决定磁体磁性能的关键参数。3D打印工艺中，则由激光能量密度决定。密度偏高则导致磁体烧坏，偏低则磁性能达不到要求。操作时要求激光功率保持高度均匀性，实施高度的时效工艺规范化。其参数为：

激光能量密度：5x120W/cm²

激光功率：120W～220W

聚焦光斑直径：90～120微米

依据本发明制造的实施例2钐钴磁体，经测量性能参数为：

剩磁Br＝10.8～10.9KGs，磁能积BHmax＝180～200KJ/m²)

(传统工艺剩磁＝10.5～10.8KGs，磁能积＝160～180kj/m³)

Claims

1.稀土永磁材料的3D打印工艺，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选择金属粉末直接烧结型3D打印机作为加工设备，以激光发热装置为热源；

(2)设计建模：用CAD及分层软件创建的零件三维实体模型输入所选的直接烧结型3D打印机；

(3)备料：用各种粉末冶金及制粉工艺制造的钐钴粉末，原料质量要求为：

1、粒度：4～6微米；

3、磁粉颗粒晶体结构为多晶体；

4、磁粉球化率＞98％；

5、磁粉氧化量＜0.7％；

(4)装料：把合金粉末装入所选的直接烧结型3D打印机的粉料缸中；

(5)充磁：用充磁机或特制充磁线圈对粉料缸里的粉末进行预充磁；

(6)抽真空：启动成型室密封装置与真空泵抽真空，且在整个烧结过程中持续启动真空泵；

(7)预热：对成型室内工作台预热，预热温度350℃至380℃；

(8)铺粉：操纵粉料缸送粉活塞上升，将粉料平推到成型缸工作活塞上并压实，铺粉厚度10～100微米，由计算机中的平面切片决定；

(9)烧结(打印)：激光头工作，计算机根据原型切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，激光束按填充轮廓线有选择地逐行扫描工作台上的粉末，第一行扫描完成后按一定间距进行下一行扫描，直至整层粉末烧结成成型层，再逐层铺粉烧结，层层叠加至三维永磁体成型，扫描的工艺参数为：

激光能量密度：5×120W/cm²

激光功率：120W～220W

聚焦光斑直径：90～120微米；

(10)冷却出缸与粉末回收：烧结结束后即接触成型室密封状态，启动降温风扇，让成型件快速冷却；从成型缸取出成型件，并把未烧结的磨粉回收到粉料缸中；

(11)加工处理：根据产品设计要求，对成型件进行表面加工处理，其中，所述表面加工处理包括打磨、抛光、电镀；

(12)充磁：根据设计要求，对成型件进行饱和充磁及磁性检验。