CN108273999A - 一种基于3d打印技术的金属材料高通量制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于3D打印技术的金属材料高通量制备方法，属于增材制造和材料基因组领域。本发明主要由球形金属粉末制备、多路独立粉末定量输送系统、粉末混合系统和激光加工系统四部分协同完成。本发明的主要技术特征在于利用多路独立粉末输送系统和粉末混合系统，通过精确调节不同粉末输送系统的送粉量，实现不同成分粉末按照特定比例混合，再结合3D打印激光成型系统，完成不同成分的金属材料的高通量制备。本方法的显著优点为可制备具有特定成分变化的从1～1000cm3不同尺度的金属材料，制备速度最大可达50cm3/h。本方法制备的金属材料可用于金属及颗粒增强金属基复合材料的高效优化与筛选，指导新材料的设计开发。

Description

一种基于3D打印技术的金属材料高通量制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于3D打印技术的金属材料高通量制备方法，属于增材制造领域和材料基因组领域，特别是指不同成分的金属材料的高通量制备方法。
背景技术
激光3D打印技术是近年来快速发展起来的一种先进制造技术，该技术运用了快速原型技术“离散+堆积”的增材制造思想，采用激光作为高能聚焦热源，以熔覆的方式将材料逐层堆积起来形成立体零件，从而能够实现高性能金属零部件的快速、无模具、近净成形。
材料基因组是美国经过信息技术革命后，充分认识到材料革新对技术进步和产业发展的重要作用，以及在复兴制造业的战略背景下提出来的。材料基因组计划是融合材料科学、计算科学、物理学等学科，采用模型计算技术、数值模拟技术、数据库知识和数据挖掘技术、高通量制备技术等，揭示工艺过程、微观结构以及材料性能之间的本质关联规律。在传统材料的研发中，合金的成分设计、微观组织调控以及性能的优化需要通过大量消耗性实验不断地调整温度、成分和时间等工艺参数，从而得到最佳工艺参数和材料性能。而在材料基因组计划核心思想中，传统的试错法被数理模型和高通量实验取代，借助高性能计算和信息化技术耦合尖端的材料表征技术，构成一个高度集成的高通量材料设计方法，从而可以极大地加速材料的研发过程，扩展新材料的种类。
材料高通量制备和表征技术，与材料数据库和集成计算共同构建了材料基因组三大核心技术。材料高通量制备和表征技术不仅为材料计算模型和材料基因组数据库提供重要的准确基础参数，同时也为材料计算模型的验证与优化起到至关重要的作用。
目前，高通量组合材料实验方法已在较大范围被材料科技工业领域接受，应用于金属、陶瓷、无机化合物、高分子等材料的研发与产业化。适用的材料形态从最初的薄膜形态扩展至液体、胶体、块体等多种形态，并取得了一系列商业上的成功。其中，不同成分的金属材料高通量制备通常采用扩展多元节方法，该方法成形速度慢，试样尺寸受限，无法制备出单一成分的金属材料，主要适用于具有成分梯度的金属材料制备。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种基于3D打印技术的金属材料高通量制备方法。本发明方法基于3D打印技术，通过调节不同金属粉末配比，在高能激光作用下熔覆沉积，高通量制备不同成分的金属材料。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于3D打印技术的金属材料高通量制备方法，包括以下步骤：
步骤一，金属粉末制备：根据所需特定成分变化的金属材料的制备要求，进行金属组分质量配比，并将其加热熔化后采用气雾化技术制备出特定成分的多种合金粉末；
步骤二，金属粉末筛分：将步骤一所制得粉末进行筛分；
步骤三，步骤二所筛分的粉末，分别按照成分的不同将两种或多种合金粉末分别加入到不同独立粉末输送系统中，如需制备不同增强颗粒比例的金属基复合材料，则加入前将步骤二中所筛分金属粉末与特定比例增强颗粒均匀混合；
步骤四，设定不同独立粉末输送系统粉末盘的转速，利用粉末输送过程中的混合装置，实现不同成分粉末按照特定比例均匀混合；
步骤五，步骤四中的特定比例的不同成分粉末混合后通过惰性气体辅助输送至3D打印激光成型区域，在高能激光的作用下，粉末熔融沉积成形；
步骤六，调节每个独立粉末输送系统粉末盘转速，以实现不同粉末输送系统的定量送粉，实现不同比例粉末的配比混合；
步骤七，重复步骤五过程，实现不同成分金属材料的高通量制备。
步骤一中所制备的金属粉末为球形或近球形，以保证粉末良好的流动性。
步骤二中筛分后所需金属粉末的粒径范围为45～150μm。
步骤四中独立粉末输送系统采用转盘式送粉装置，转盘转速为0～5转/min。
步骤四中粉末输送系统中粉末经过转盘转动将定量的粉末输送到出粉管，再由惰性气体辅助输送至混合装置，根据金属材料密度的差异，粉末输送量为0～100g/min。
步骤四中混合装置，可将不同粉末输送系统的金属粉末均匀混合，实现不同成分粉末按照特定比例均匀混合。
步骤五中高能激光功率为1000～4000W，移动速度2-15mm/s，单层沉积层厚度为1～3mm。
通过加入混有特定比例增强颗粒的金属粉末，还可制备出含不同比例颗粒增强的金属基复合材料。
本发明的原理为：
本发明所采用的方法，利用具有不同成分的球形或近球形粉末，以特定的比例混合后通过惰性气体的辅助输送至激光光束处逐层熔融沉积，从而可实现从1～1000cm3不同尺度金属材料的快速制备。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
本发明基于3D打印技术与传统金属材料高通量制备技术，具有沉积速度快，可控加工尺寸宽等优点，不仅可实现不同成分的金属材料的高通量制备，同时也可实现具有不同比例颗粒增强相的金属基复合材料的高通量制备。本方法可制备具有特定成分变化的从1～1000cm3不同尺度的金属材料，制备速度最大可达50cm3/h。由于采用3D打印逐层沉积的方式，所制备的金属材料具有组织细小、成分均匀、无偏析等一系列优点。可为目前新材料研发过程提供成分设计指导，实现新材料的快速研发和优化筛选。
附图说明
图1为本发明方法整体示意图。
具体实施方式
一种基于3D打印技术的金属材料高通量制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一，金属粉末制备：根据所需特定成分变化的金属材料的制备要求，进行金属组分质量配比，并将其加热熔化后采用气雾化技术制备出特定成分的多种合金粉末(即图1中标号1所示，即气雾化粉末制备)；
步骤二，金属粉末筛分：将步骤一所制得粉末进行筛分(即图1中标号2所示，)；
步骤三，步骤二所筛分的粉末，分别按照成分的不同将两种或多种合金粉末分别加入到不同独立粉末输送系统中，如需制备不同增强颗粒比例的金属基复合材料，则加入前将步骤二中所筛分金属粉末与特定比例增强颗粒均匀混合(图1中标号3、4表示两个独立粉末输送系统)；
步骤四，设定不同独立粉末输送系统粉末盘的转速，利用粉末输送过程中的混合装置，实现不同成分粉末按照特定比例均匀混合(图1中标号5表示粉末混合装置)；
步骤五，步骤四中的特定比例的不同成分粉末混合后通过惰性气体辅助输送至3D打印激光成型区域，在高能激光的作用下，粉末熔融沉积成形(图1中标号6表示3D打印激光成型区域)；
步骤六，调节每个独立粉末输送系统粉末盘转速，以实现不同粉末输送系统的定量送粉，实现不同比例粉末的配比混合；
步骤七，重复步骤五过程，实现不同成分金属材料的高通量制备(图1中标号7表示不同成分金属材料制备)。
步骤一中所制备的金属粉末为球形或近球形，以保证粉末良好的流动性。
步骤二中筛分后所需金属粉末的粒径范围为45～150μm。
步骤四中独立粉末输送系统采用转盘式送粉装置，转盘转速为0～5转/min。
步骤四中粉末输送系统中粉末经过转盘转动将定量的粉末输送到出粉管，再由惰性气体辅助输送至混合装置，根据金属材料密度的差异，粉末输送量为0～100g/min。
步骤四中混合装置，可将不同粉末输送系统的金属粉末均匀混合，实现不同成分粉末按照特定比例均匀混合。
步骤五中高能激光功率为1000～4000W，移动速度2-15mm/s，单层沉积层厚度为1～3mm。
通过加入混有特定比例增强颗粒的金属粉末，还可制备出含不同比例颗粒增强的金属基复合材料。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明方法制备含有0wt.％～10wt.％Nb含量的不同成分镍基高温合金块状样品高通量制备，具体步骤如下：
(1)金属粉末制备：通过成分设计和各组分质量配比，用采用真空气雾化制粉技术，制备出两种含有不同Nb含量的球形镍基高温合金粉末，粉末A与粉末B，具体成分为：粉末A为0wt.％Nb，54.3wt.％Ni，19.1wt.％Cr，3.1wt.％Mo，1.1wt.％Ti，0.5wt.％Al，21.1wt.％Fe，0.8wt.％其他元素；粉末B为9.0wt.％Nb，45.1wt.％Ni，19.0wt.％Cr，3.1wt.％Mo，1.1wt.％Ti，0.5wt.％Al，21.3wt.％Fe，0.9wt.％其他元素；
(2)粉末的筛分：选取100目及325目筛网，利用超声震动筛获得粒度范围在45-150微米的粉末A与粉末B；
(3)将筛分好的粉末A与合金B分别放入两个相互独立的粉末输送系统中。
(4)调节粉末输送系统转盘转速，实现混合粉末中0％粉末A+100％粉末B的特定比例，混合粉末经惰性气体氩气辅助输送至激光加工区域。
(5)激光功率选取1500～2000W范围，激光头移动速率选取5～10mm/s，逐层沉积出1.5cm×1.5cm×1.5cm的立方块状样品。
(6)随着激光3D打印的进行，调节不同粉末输送系统转盘转速，逐步提高混合粉末中粉末A比例，降低粉末B比例。根据比例的不同，逐步调节激光功率，逐层沉积出1.5cm×1.5cm×1.5cm的立方块状样品。
(7)不断重复步骤(6)，制备出0wt.％～10wt.％Nb含量的不同成分镍基高温合金1.5cm×1.5cm×1.5cm的立方块状样品。
实施例2
本发明方法制备含有0wt.％～5wt.％TiC颗粒增强Inconel 718镍基高温合金块状样品高通量制备，具体步骤如下：
(1)金属粉末制备：通过成分设计和各组分质量配比，用采用真空气雾化制粉技术，制备出Inconel 718镍基高温合金粉末，具体成分为51.3wt.％Ni，4.9wt.％Nb，18.8wt.％Cr，2.8wt.％Mo，1.1wt.％Ti，0.5wt.％Al，20.3wt.％Fe，0.3wt.％其他元素；
(2)粉末的筛分：选取100目及325目筛网，利用超声震动筛获得粒度范围在45-150微米的Inconel 718合金粉末A；
(3)采用球磨方式，按5wt.％的比例将2-4微米的TiC粉末混入部分45～150μm的Inconel 718合金粉末中，制得粉末B；
(4)将制备好的Inconel 718合金粉末A与粉末B分别放入两个相互独立的粉末输送系统中。
(4)调节粉末输送系统转盘转速，实现混合粉末中0％Inconel 718合金粉末A+100％粉末B的特定比例，混合粉末经惰性气体氩气辅助输送至激光加工区域。
(5)激光功率选取1500～2000W范围，激光头移动速率选取5～10mm/s，逐层沉积出1.5cm×1.5cm×1.5cm的立方块状样品。
(6)调节不同粉末输送系统转盘转速，逐步提高混合粉末中Inconel 718合金粉末A比例，降低粉末B比例，逐层沉积出1.5cm×1.5cm×1.5cm的立方块状样品。
(7)不断重复步骤(6)，制备出含有0wt.％～5wt.％区间的不同比例的TiC颗粒增强Inconel 718镍基高温复合材料样品。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于3D打印技术的金属材料高通量制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，金属粉末制备：根据所需特定成分变化的金属材料的制备要求，进行金属组分质量配比，并将其加热熔化后采用气雾化技术制备出特定成分的多种合金粉末；
步骤二，金属粉末筛分：将步骤一所制得粉末进行筛分；
步骤三，步骤二所筛分的粉末，分别按照成分的不同将两种或多种合金粉末分别加入到不同独立粉末输送系统中，如需制备不同增强颗粒比例的金属基复合材料，则加入前将步骤二中所筛分金属粉末与特定比例增强颗粒均匀混合；
步骤四，设定不同独立粉末输送系统粉末盘的转速，利用粉末输送过程中的混合装置，实现不同成分粉末按照特定比例均匀混合；
步骤五，步骤四中的特定比例的不同成分粉末混合后通过惰性气体辅助输送至3D打印激光成型区域，在高能激光的作用下，粉末熔融沉积成形；
步骤六，调节每个独立粉末输送系统粉末盘转速，以实现不同粉末输送系统的定量送粉，实现不同比例粉末的配比混合；
步骤七，重复步骤五过程，实现不同成分金属材料的高通量制备。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的金属材料高通量制备方法，其特征在于，步骤一中所制备的金属粉末为球形或近球形。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的金属材料高通量制备方法，其特征在于，步骤二中筛分后所需金属粉末的粒径范围为45～150μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的金属材料高通量制备方法，其特征在于，步骤四中独立粉末输送系统采用转盘式送粉装置，转盘转速为0～5转/min。
5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的金属材料高通量制备方法，其特征在于，步骤四中粉末输送系统中粉末经过转盘转动将定量的粉末输送到出粉管，再由惰性气体辅助输送至混合装置，粉末输送量为0～100g/min。
6.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的金属材料高通量制备方法，其特征在于，步骤五中高能激光功率为1000～4000W，移动速度2-15mm/s，单层沉积层厚度为1～3mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的金属材料高通量制备方法，其特征在于，通过加入混有特定比例增强颗粒的金属粉末，制备出含不同比例颗粒增强的金属基复合材料。
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