CN112846197A - 一种提高3d打印金属粉体激光吸收率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高3D打印用粉体激光收率的方法，属于粉末冶金领域。本发明中分别对钛粉、不锈钢粉、铝合金粉三种原料粉末进行了气流磨改性处理。步骤1)将金属粉末原料分别用筛网筛分后，原料粉末中位径D50为15～53μm，再经过超声清洗并干燥，去除粉末中的杂质；步骤2)将筛分、清洗干燥后得到的金属粉末原料置于气流磨设备中进行改性处理，改善粉末表面形貌，提高其粉体激光吸收率。所得的钛粉、不锈钢粉、铝合金粉中位径D50分别为40μm、48μm、53μm；经气流磨改性处理提高了粉末的激光吸收率，且改善了粉末形貌和流动性，使得粉末可以实现高质量高性能打印工艺。尤其地，对于铝合金粉末，解决了铝合金因激光吸收率低而无法有效进行3D打印的问题。

Description

一种提高3D打印金属粉体激光吸收率的方法
技术领域
本发明属于粉末冶金领域，涉及一种3D打印用金属粉末改性的处理方法，尤其涉及一种提高3D打印用金属粉体激光吸收率的方法。
技术背景
近年来，3D打印技术依靠短周期、低成本、一体化成形的优势，在材料制备领域逐渐崭露头角。然而，3D打印用金属粉末原料的性能是制约该技术发展的关键所在。其中，粉体的激光吸收率是影响3D打印成形工艺及其制件性能的重要因素之一。针对钛、不锈钢等材料而言，提高其激光吸收率，可以降低打印过程的能量消耗，还可以提高打印件的精度。特别地，对于铜、铝及其合金等低激光吸收率的材料来说，在打印成形过程中对激光的吸收量少，导致难以成形，故成形效率低下且制件质量较差，严重制约了目前3D打印技术及制件应用的发展。可见，现阶段亟需开发一种提高3D打印用粉体激光吸收率的方法，一方面可以降低打印工艺的能量消耗，另一方面可使得铜、铝及其合金等激光吸收率极低的粉末满足高质量3D打印工艺的需求。
目前，工业上改善金属材料激光吸收率的方法是通过在金属表面进行包覆一层材料对其进行修饰，用以改善金属粉体的激光吸收性能。但是，这种方法处理后的粉末表面引入了其他元素或材料，会使材料本质特性发生改变，从而影响制件性能。针对上述问题，本发明提出了基于气流磨技术，对粉体进行改性处理，从而提高粉末激光吸收率的方法。
发明内容
本发明利用气流磨设备对原料粉末进行改性处理，从而提高粉末的激光吸收率。基本原理在于，粉末在高速气流的带动下，在设备仓室内发生相互碰撞、摩擦，达到研磨整形并使团聚粒子分散的目的，另外粉体中的超细颗粒也会随高速气流被带出粉体，使得粉末中位径增大。粉末颗粒在相互摩擦和剪切过程中，对不规则的粉末颗粒会产生磨削作用，使颗粒棱角减少，球形度提高，同时粉体表面发生塑性变形，产生大量位错、空位等缺陷，从而使粉末的激光吸收率得到提高。
技术实现要素：
在本发明中分别对钛、不锈钢、铝合金三种粉末原料进行了气流磨改性处理。原料粉末利用扫描电镜观察发现，粉末颗粒形貌不规则，存在许多超细颗粒，同时存在颗粒团聚现象，此外，三种粉末激光吸收率较低，钛与不锈钢粉末的激光吸收率为50～60％，而铝合金粉仅为20％左右。
一种提高3D打印金属粉体激光吸收率的方法，包括以下步骤：
步骤1)将金属粉末原料分别用筛网筛分后，原料粉末中位径D50为15～53μm，再经过超声清洗并干燥，去除粉末中的杂质；
步骤2)将筛分、清洗干燥后得到的金属粉末原料置于气流磨设备中进行改性处理，改善粉末表面形貌，提高其粉体激光吸收率。
进一步地，所述金属粉末为钛、不锈钢、铝合金三种粉末原料，钛粉中位径D50为15～23μm，不锈钢粉中位径D50为28～45μm，铝合金粉中位径D50为20～35μm。
进一步地，所述改性处理，气流磨加工时采用氮气作为保护气氛和工作气体，气体压力为0.10～0.80MPa，转速为2000～4000r/min，处理时间5～60min。
进一步地，步骤2)所得的气流磨改性金属粉为钛粉、不锈钢粉、铝合金粉，钛粉中位径D50为40μm，不锈钢粉中位径D50为48μm，铝合金粉中位径D50为53μm；粉末经SEM观测发现粉末形貌规则，颗粒棱角减少，卫星粉和团聚粉消失，粉体中超细颗粒明显减少，粉末激光吸收率显著提高。
进一步地，本发明处理后的金属粉末中位径D50为40～53μm，颗粒形貌规整，粉末团聚现象消失，细小粉末颗粒明显减少，钛粉以及不锈钢粉末激光吸收率在70％以上，铝合金粉末激光吸收率可达到50％以上；采用改性钛粉、不锈钢粉可以实现高质量高性能的3D打印成形；利用改性铝合金粉可以有效解决铝合金因激光吸收率低，且无法实现高质量打印的问题。
本发明的技术效果如下：
(1)传统的原料粉末存在激光吸收率低、团聚等问题。本发明所制备的气流磨改性粉末与常规工艺制备粉末相比，粉末激光吸收率得到提高。所得到的气流磨改性钛粉和不锈钢粉的激光吸收率在70％以上、改性铝合金粉末的激光吸收率可达到50％以上，提升效果显著；团聚现象与流动性得到改善。
(2)本发明所得到的气流磨改性钛粉、不锈钢粉、铝合金粉微观形貌为表面光滑无明显棱角，流动性得到明显改善，卫星粉和团聚粉明显减少，同时粉体中超细颗粒明显减少，粉末中位径为40～53μm。
(3)本发明所得的气流磨改性钛粉、不锈钢粉打印时可实现能量消耗减少，使得制备成本降低，同时提高打印精度；利用本发明所得的气流磨改性铝合金粉，可以有效解决铝合金因为激光吸收率低而无法进行高质量3D打印的问题，可实现铝合金的高质量高性能打印成形。
附图说明
图1为本发明实施例1中经气流磨处理前后的氢化脱氢钛粉SEM显微形貌图。其中，(a)图显示为气流磨处理前的钛粉形貌，(b)图为气流磨处理后的钛粉形貌。
具体实施方式
通过阅读下文中的优选实施方式详细描述，这使本领域从业者更了解本发明的优点和益处。
实施例1
1.以氢化脱氢钛粉为原料，其粉末中位径D50为23μm，经SEM观察可发现粉末颗粒细小且形貌不规则，存在团聚粉末和超细小颗粒，如图1(b)所示。经检测，原料钛粉的激光吸收率为52.4％。
2.将上述原料钛粉经过超声清洗并真空干燥后，放入气流磨设备中进行改性处理，改善粉体形貌和表面状态，提高粉末激光吸收率以及流动性等性能。采用高纯氮气作为保护气氛和工作气氛，气体压力0.72MPa，转速4000r/min，处理时间10min。待设备完全停止后，将粉末收回，并对处理后粉末进行粒度、形貌、激光吸收率的表征。
3.上述处理后的气流磨改性钛粉，经检测，粉末中位径D50为40μm，粉末激光吸收率为70.7％，激光吸收率较处理前得到明显提升，且粉末表面形貌得到整形，如图1所示。
实施例2
1.以雾化不锈钢粉为原料，其粉末中位径D50为28μm，不锈钢原料粉的激光吸收率为50.4％，粉末颗粒表面存在卫星粉。
2.将上述原料不锈钢粉经过清洗干燥后，利用气流磨设备进行改性处理。利用高纯氮气作为工作气体，气体压力0.6MPa，转速3500r/min，处理20min。待处理结束后收得气流磨改性不锈钢粉末，并进行性能表征。
3.上述处理后的气流磨改性不锈钢粉，其中位径D50为48μm，粉末激光吸收率为75.7％，激光吸收率较处理前得到明显提升，且表面卫星粉消失。
实施例3
1.以雾化铝合金粉为原料，其粉末中位径D50为30μm，存在超细粉末和团聚粉末，原料铝合金粉的激光吸收率仅为16.7％。
2.将上述铝合金原料粉末经超声清洗并真空干燥后，置于气流磨设备中进行改性处理。利用高纯氮气作为工作气体，气体压力0.8MPa，转速3000r/min，处理30min。待处理结束后，获得气流磨改性铝合金粉末，并进行性能检测。
3.上述处理后的气流磨改性铝合金粉末中位径D50为53μm，且团聚粉末减少，其表面出现明显塑性变形，激光吸收率提高至53.6％。

Claims (5)

1.一种提高3D打印金属粉体激光吸收率的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1)将金属粉末原料分别用筛网筛分后，原料粉末中位径D50为15～53μm，再经过超声清洗并干燥，去除粉末中的杂质；
步骤2)将筛分、清洗干燥后得到的金属粉末原料置于气流磨设备中进行改性处理，改善粉末表面形貌，提高其粉体激光吸收率。
2.根据权利要求1所述提高3D打印粉体激光吸收率的方法，其特征在于，所述金属粉末为钛、不锈钢、铝合金三种粉末原料，钛粉中位径D50为15～23μm，不锈钢粉中位径D50为28～45μm，铝合金粉中位径D50为20～35μm。
3.根据权利要求1所述提高3D打印粉体激光吸收率的方法，其特征在于，所述改性处理，气流磨加工时采用氮气作为保护气氛和工作气体，气体压力为0.10～0.80MPa，转速为2000～4000r/min，处理时间5～60min。
4.根据权利要求1所述提高3D打印粉体激光吸收率的方法，其特征在于，步骤2)所得的气流磨改性金属粉为钛粉、不锈钢粉、铝合金粉，钛粉中位径D50为40μm，不锈钢粉中位径D50为48μm，铝合金粉中位径D50为53μm；粉末经SEM观测发现粉末形貌规则，颗粒棱角减少，卫星粉和团聚粉消失，粉体中超细粉末颗粒减少，粉末激光吸收率明显提高。
5.根据权利要求1所述提高3D打印粉体激光吸收率的方法，其特征在于，处理后的金属粉末粉体中细小颗粒明显减少，粉末中位径提升为40～53μm，颗粒形貌规整，粉末团聚现象消失，钛粉以及不锈钢粉末激光吸收率在70％以上，铝合金粉末激光吸收率可达到50％以上；采用改性钛粉、不锈钢粉可以实现高质量高性能的3D打印成形；利用改性铝合金粉可以有效解决铝合金因激光吸收率低，且无法实现高质量打印的问题。
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