CN105364065A - 一种用于3d打印的金属粉料及其制备方法、以及3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于3D打印的金属粉料及其制备方法，以及3D打印方法，用于3D打印的金属粉料的制备方法包括以下步骤：以粒径在20～60微米范围内的铁基合金粉末作为基体，以粒径均在50纳米～2微米范围内的氧化铁粉末和碳粉作为添加物，混合均匀，获得金属粉料；所述氧化铁粉末和碳粉的质量之比在4.4：1～8.8：1的范围内，所述氧化铁粉末和碳粉的质量之和与所述铁基合金粉末的质量之比在1：100～1：400的范围内。制得上述金属粉料后，采用微喷射粘结的3D打印方法将所述金属粉料打印成三维坯体；将所述三维坯体进行脱脂烧结，烧结温度不低于900℃，获得3D打印制品。本发明的金属粉料，用于3D打印方法中制得的打印制品的致密度较高。
Description
【技术领域】
本发明涉及金属粉料及其制备方法，特别是涉及一种用于3D打印的金属粉料及其制备方法、以及3D打印方法。
【背景技术】
在3D打印的诸多材料中，金属材料是应用最为广泛的材料。目前金属材料的3D打印方法主要有选择性激光烧结、直接能量沉积、微喷射粘结等。相比之下，微喷射粘结这种方法的成本较低，工艺较简单，具有良好的应用前景。这种方法是利用喷头按照一定的路径向铺好的金属粉末上喷射粘结剂，将一定位置上的粉末粘接住，形成三维构件轮廓的一层。然后再铺一层新的金属粉末，再进行喷射粘接。如此多层粘接叠加，就能够得到三维的粘接坯体。这种粘接的坯体密度低、强度小，还需要进行脱脂、烧结才能够获得一定密度、强度的三维打印制品。然而，对于微喷射粘结这种3D打印工艺，由于粘接坯体脱脂后密度较低，孔隙较多，且烧结过程中仍然有相当一部分的孔隙存在，导致这种工艺并不利于获得高密度的制件。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种用于3D打印的金属粉料及其制备方法、以及3D打印方法，金属粉料用于3D打印方法中，制得的打印制品的致密度较高。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种用于3D打印的金属粉料的制备方法，包括以下步骤：以粒径在20～60微米范围内的铁基合金粉末作为基体，以粒径均在50纳米～2微米范围内的氧化铁粉末和碳粉作为添加物，混合均匀，获得金属粉料；所述氧化铁粉末和碳粉的质量之比在4.4：1～8.8：1的范围内，所述氧化铁粉末和碳粉的质量之和与所述铁基合金粉末的质量之比在1：100～1：400的范围内。
优选的技术方案中，
所述氧化铁粉末和碳粉的质量之比在4.4：1～5：1的范围内。
所述铁基合金粉末为不锈钢粉末、模具钢粉末、铁镍合金粉末中的一种或者多种的混合。
所述铁基合金粉末、氧化铁粉末和碳粉的外形均为球形。
混合均匀时，通过研磨机使粉末研磨充分后混合均匀。
本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决：
一种用于3D打印的金属粉料，为由铁基合金粉末、氧化铁粉末和碳粉混合均匀获得的金属粉料；所述铁基合金粉末的粒径20～60微米范围内；所述氧化铁粉末和碳粉的粒径均在50纳米～2微米范围内；所述氧化铁粉末和碳粉的质量之比在4.4：1～8.8：1的范围内，所述氧化铁粉末和碳粉的质量之和与所述铁基合金粉末的质量之比在1：100～1：400的范围内。
一种3D打印方法，包括以下步骤：1)根据如上所述的制备方法制备金属粉料；2)采用微喷射粘结的3D打印方法将所述金属粉料打印成三维坯体；3)将所述三维坯体进行脱脂烧结，烧结温度不低于900℃，获得3D打印制品。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
本发明的用于3D打印的金属粉料及其制备方法，金属粉料中以铁基合金粉末作为基体，以氧化铁粉末和碳粉作为添加物。添加物都是尺寸较小的微纳米级粉末，且用量有严格控制，不会对金属粉料的整体流动性造成影响。而且添加物中的氧化铁粉末和碳粉的质量比严格控制，使得应用于微喷射粘结的3D打印方法中时，在烧结过程中添加物中的氧化铁成分被碳粉充分还原成微米或纳米级的铁粒子，填充于基体的孔隙之中，并且在高温下与基体烧结在一起，从而可提高烧结坯体的密度。因此，使得通过微喷射粘结的3D打印工艺，也能获得高致密度的打印制品。
【具体实施方式】
本具体实施方式中提供一种用于3D打印的金属粉料的制备方法，包括以下步骤：以粒径在20～60微米范围内的铁基合金粉末作为基体，以粒径均在50纳米～2微米范围内的氧化铁粉末和碳粉作为添加物，混合均匀，获得金属粉料。所述氧化铁粉末和碳粉的质量之比在4.4：1～8.8：1的范围内，所述氧化铁粉末和碳粉的质量之和与所述铁基合金粉末的质量之比在1：100～1：400的范围内。其中，铁基合金粉末为不锈钢、模具钢、铁镍合金中的一种或多种的混合。
将上述制得的金属粉料应用于3D打印过程中，先将所述金属粉料通过微喷射粘结的3D打印方法打印，即通过逐层喷射粘结剂微液滴，逐层叠加金属粉料获得三维粘接坯体，粘结剂可选择聚乙烯吡咯烷酮或者聚乙烯醇；然后将所述三维粘接坯体进行脱脂烧结，烧结温度不低于900℃，获得3D打印制品。
上述金属粉料的制备过程中，铁基合金粉末的粒径在20-60微米范围内，便于后续应用于3D打印过程中。如果基体粉末的粒径过低，会影响金属粉末的流动性并且粉末容易飘起，不利于3D打印过程的正常进行；如果基体粉末的粒径过高，3D打印得到的坯体的表面精度将较差。氧化铁粉末和碳粉的粒径都在50纳米到2微米范围内，尺寸为微米或纳米级，从而作为添加物添加到基体中后不会对金属粉料的整体流动性造成影响。金属成型粉料的流动性对于3D打印过程来说十分重要，流动性差的粉料会影响打印过程中铺粉质量，影响3D打印坯体的表面精度。因此需严格控制上述粒径范围，从而确保金属成型粉料中的各组分不会对粉料整体的流动性造成大的影响。
氧化铁粉末和碳粉的质量之比在4.4：1～8.8：1的范围内，则两者能充分反应生成铁粒子不发生残留。具体地，氧化铁粉末和碳粉在3D打印烧结过程中会反应生成铁和CO(或CO2)，反应过程如下：
Fe2O3+3C→2Fe+3CO
2Fe2O3+3C→4Fe+3CO2
当氧化铁粉末和碳粉的质量之比在4.4：1～8.8：1，且烧结温度不低于900℃时，可确保二者能够在烧结过程中能够充分反应完不发生残留，充分反应生成铁粒子。烧结过程中，氧化铁粉末和碳粉反应生成的铁粒子填充在基体粉末的空隙中，并且与基体烧结在一起，从而提高烧结制品的致密度。配合氧化铁和碳粉的质量之和与基体铁基合金粉末的质量比在1:100到1:400范围内，使得添加剂的量适当，则添加剂反应生成的铁粒子的填充作用可得到充分到体现；也不至于添加剂过多，影响整体粉料的流动性，影响3D打印过程，也不利于获得高表面精度的产品。
优选地，所述氧化铁粉末和碳粉的质量之比在4.4：1～5：1的范围内。这样，添加物的碳粉的量相对充足，在后续3D打印过程中，一方面，添加物中的一部分碳粉能够起到与粘结剂中的高分子相互吸附的效果，提高粉料的粘接强度，有利于坯体在烧结过程中形状的维持和减少收缩率。另一方面，添加物中的另一部分碳粉，在烧结过程中，与氧化铁粉末充分反应生成铁粒子，填充于基体的孔隙之中，提高烧结体的致密度。
优选的，金属粉料中基体和添加物粉末的外形都为球形，从而更有利于获得高流动性的粉料。
本具体实施方式中的金属粉料及其制备方法中，首先，粉料中的添加物都是尺寸较小的微纳米级粉末，且用量有严格控制，不会对粉料的整体流动性造成影响。其次，添加物中的碳粉能够起到与3D打印时的粘结剂中的高分子相互吸附的效果，提高粉料的粘接强度。此外，在3D打印时的烧结过程中，粉料中的氧化铁成分会被碳粉还原成微米或纳米级的铁粒子，填充于基体的孔隙之中，并且在高温下与基体烧结在一起，从而有利于提高烧结坯体的密度。这样，采用本具体实施方式的金属粉料，使得即使通过微喷射粘结的3D打印工艺，也能获得高致密度的打印制品，可既发挥微喷射粘结3D打印工艺成本低，工艺简单的优势，又能打印获得高致密度的打印制品。
如下，通过设置实施例和对比例，以验证本具体实施方式的金属粉料制得的三维制品的致密度较好的优异性能。
实施例1：
金属粉料含有以下成分：不锈钢316L粉末，氧化铁粉末和碳粉。其中，不锈钢粉末的粒径在20～50微米范围内，D50＝36微米，外形为球形。氧化铁粉末的粒径在100～200纳米范围内，碳粉的粒径在50-100纳米范围内，外形都为球形。氧化铁和碳粉的质量之比为4.4:1。氧化铁和碳粉的质量之和与不锈钢粉末的质量比为1:300。
通过高速研磨使上述粉末充分混合均匀，获得复合金属成型粉料。采用逐层喷射聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液的粘结剂微液滴，然后逐层叠加金属粉料的3D打印方法获得此金属成型粉料的一种5×5×5mm3立方体结构的三维粘接坯体。成型后的粘接坯体再进行脱脂烧结，先在600℃以下进行脱脂，然后在真空状态下逐渐升温至1350℃进行烧结，获得3D打印制品。
经测试，采用这种粉料配方和成型工艺得到的烧结制品的密度为7.56g/cm3。
对比例1：
金属粉料成分为不锈钢316L粉末，不含任何添加剂。其中，不锈钢粉末的粒径在20～50微米范围内，D50＝36微米，外形为球形。
采用逐层喷射聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液的粘结剂微液滴，然后逐层叠加金属粉料的3D打印方法获得此金属粉料的三维粘接坯体。成型后的粘接坯体再进行脱脂烧结，获得3D打印制品。坯体形状、3D打印工艺和脱脂烧结工艺参数与实例1相同。
经测试，采用这种粉末原料及成型工艺得到的烧结制品的密度为7.25g/cm3。
实施例2：
金属粉料含有以下成分：不锈钢304粉末，氧化铁粉末和碳粉。其中，不锈钢粉末的粒径在30～60微米范围内，D50＝40微米，外形为球形。氧化铁粉末和碳粉的粒径在100～200纳米范围内，碳粉的粒径在50-100纳米范围内，外形都为球形。氧化铁和碳粉的质量之比为5:1。氧化铁和碳粉的质量之和与不锈钢粉末的质量比为1:280。
通过高速研磨使上述粉末充分混合均匀，获得复合金属成型粉料。采用逐层喷射聚乙烯醇(PVA)水溶液的粘结剂微液滴，然后逐层叠加金属粉料的3D打印方法获得此金属成型粉料的一种5×5×5mm3立方体结构的三维粘接坯体。成型后的粘接坯体再进行脱脂烧结，先在600℃以下进行脱脂，然后在真空状态下逐渐升温至1300℃进行烧结获得3D打印制品。
经测试，采用这种粉料配方和成型工艺得到的烧结制品的密度为7.49g/cm3。
对比例2：
金属粉料成分为不锈钢304粉末，不含任何添加剂。其中，不锈钢粉末的粒径在30-60微米范围内，D50＝40微米，外形为球形。
采用逐层喷射聚乙烯醇(PVA)水溶液的粘结剂微液滴，然后逐层叠加金属粉料的3D打印方法获得此金属粉料的一种5×5×5mm3立方体结构的三维粘接坯体。成型后的粘接坯体再进行脱脂烧结，获得3D打印制品。坯体形状、3D打印工艺和脱脂烧结工艺参数与实施例2相同。
经测试，采用这种金属粉末原料及成型工艺获得的烧结制品其密度为7.20g/cm3。
表1中列出了上述两个实施例和两个对比例中的烧结制品的致密度测试数据。
| 实施例1 | 实施例2 | 对比例1 | 对比例2 | |
| 密度(g/cm3) | 7.56g/cm3 | 7.49g/cm3 | 7.25g/cm3 | 7.20g/cm3 |
对比实施例1和对比例1的数据可知：与对比例1相比，实施例1中的三维制品的密度高出4.2％。对比实施例2和对比例2的数据可知：与对比例2相比，实施例2中的三维制品的密度提高了4％。综上，可知实施例的金属粉末有助于提高打印烧结后的三维制品的密度。此外，本实施例的金属粉末中，添加物的碳粉在3D打印时能与粘结剂中的高分子相互吸附，提高粘结剂与粉料的粘接效果。3D打印时，粘结剂与粉料之间的粘结效果越好，坯体的强度越高，越有利于坯体在烧结过程中形状的维持和减少收缩率，从而有利于获得尺寸更加稳定的制件。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于3D打印的金属粉料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：以粒径在20～60微米范围内的铁基合金粉末作为基体，以粒径均在50纳米～2微米范围内的氧化铁粉末和碳粉作为添加物，混合均匀，获得金属粉料；所述氧化铁粉末和碳粉的质量之比在4.4：1～8.8：1的范围内，所述氧化铁粉末和碳粉的质量之和与所述铁基合金粉末的质量之比在1：100～1：400的范围内。
2.根据权利要求1所述的用于3D打印的金属粉料的制备方法，其特征在于：所述氧化铁粉末和碳粉的质量之比在4.4：1～5：1的范围内。
3.根据权利要求1所述的用于3D打印的金属粉料的制备方法，其特征在于：所述铁基合金粉末为不锈钢粉末、模具钢粉末、铁镍合金粉末中的一种或者多种的混合。
4.根据权利要求1所述的用于3D打印的金属粉料的制备方法，其特征在于：所述铁基合金粉末、氧化铁粉末和碳粉的外形均为球形。
5.根据权利要求1所述的用于3D打印的金属粉料的制备方法，其特征在于：混合均匀时，通过研磨机使粉末研磨充分后混合均匀。
6.一种用于3D打印的金属粉料，其特征在于：为由铁基合金粉末、氧化铁粉末和碳粉混合均匀获得的金属粉料；所述铁基合金粉末的粒径20～60微米范围内；所述氧化铁粉末和碳粉的粒径均在50纳米～2微米范围内；所述氧化铁粉末和碳粉的质量之比在4.4：1～8.8：1的范围内，所述氧化铁粉末和碳粉的质量之和与所述铁基合金粉末的质量之比在1：100～1：400的范围内。
7.根据权利要求6所述的用于3D打印的金属粉料，其特征在于：所述氧化铁粉末和碳粉的质量之比在4.4：1～5：1的范围内。
8.根据权利要求6所述的用于3D打印的金属粉料，其特征在于：所述铁基合金粉末为不锈钢粉末、模具钢粉末、铁镍合金粉末中的一种或者多种的混合。
9.一种3D打印方法，其特征在于：包括以下步骤：1)根据权利要求1～6任一项所述的制备方法制备金属粉料；2)采用微喷射粘结的3D打印方法将所述金属粉料打印成三维坯体；3)将所述三维坯体进行脱脂烧结，烧结温度不低于900℃，获得3D打印制品。
10.根据权利要求9所述的3D打印方法，其特征在于：步骤2)中，所述微喷射粘结的3D打印方法具体包括逐层喷射粘结剂微液滴，逐层叠加所述金属粉料。
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