CN113814394B - 一种用于微滴喷射打印的金属粉末材料及配备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于微滴喷射打印的金属粉末材料，所述金属粉末材料的组分包括金属粉末95‑100份和纳米粉末0‑5份，按粒径大小计，所述金属粉末的组分包括0‑1.5um的金属粉末0‑0.02％、1.5‑4.5um的金属粉末5‑10％、4.6‑8.0um的金属粉末15‑25％、8.1‑11.0um的金属粉末15‑25％、11.1‑15um的金属粉末10‑20％、15.1‑22um的金属粉末10‑20％、22.1‑32um的金属粉末5‑10％、32.1‑38um的金属粉末0‑0.1％。本申请还涉及一种金属打印材料的制备方法。本方案能够解决目前采用微滴喷射方法打印的金属产品存在致密度较低的问题。

Description

一种用于微滴喷射打印的金属粉末材料及配备方法

技术领域

本发明涉及金属打印技术领域，特别是涉及一种用于微滴喷射打印的金属粉末材料及配备方法。

背景技术

3D打印是一种通过逐层添加材料获得三维制件的增材制造技术。通常所见的3D打印的材料有丝状、粉末状的金属、塑料、陶瓷等等。在3D打印的诸多材料中，金属材料可作为终端材料使用。目前金属材料的3D打印方法主要有选择性激光烧结、直接能量沉积技术，这种方法是将金属粉末通过供粉缸，用刮刀或辊子将粉末铺平，然后通过激光束、电子束等设备缓慢扫射熔化金属达到雕刻图像的目的，如此往复打出整个产品。此种打印方法下，设备整体造价较高、粉末必须用球形粉末，打印效率低。

相比之下，微喷射粘结方法的成本较低，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，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。

但是，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无法去除，导致这种工艺并不利于获得高密度的制件，由于其空隙缺陷的存在，产品性能大幅度衰减，导致最终成型产品性能无法满足要求，这大大限制了粘结剂喷射打印金属制品的应用。

发明内容

基于此，有必要针对目前采用微滴喷射方法打印的金属产品存在致密度较低的问题，提供一种用于微滴喷射打印的金属粉末材料及配备方法。

为了解决上述问题，本发明采用下述技术方案：

第一方面，本发明实施例公开一种用于微滴喷射打印的金属粉末材料，所述金属粉末材料的组分包括金属粉末95-100份和纳米粉末0-5份，按粒径大小计，所述金属粉末的组分包括0-1.5um的金属粉末0-0.02%、1.5-4.5um的金属粉末5-10%、4.6-8.0um的金属粉末15-25%、8.1-11.0um的金属粉末15-25%、11.1-15um的金属粉末10-20%、15.1-22um的金属粉末10-20%、22.1-32um的金属粉末5-10%、32.1-38um的金属粉末0-0.1%。

在其中一种实施例中，所述金属粉末为不锈钢粉末、模具钢、铜合金、高温合金、钛合金、铝合金和镁合金中的一者。

在其中一种实施例中，所述金属粉末为不锈钢粉末，所述纳米粉末包括硫化铁、氧化铁、氧化镍、氧化铬、铬粉、镍粉和钼粉中的一者或多者。

在其中一种实施例中，所述金属粉末为铜合金粉末，所述纳米粉末包括纳米氧化铜、纳米氢氧化铜、纳米碳酸铜和纳米硫化铜粉中的一者或多者。

在其中一种实施例中，所述金属粉末为模具钢粉末，所述纳米粉末包括硫化铁、氧化铁、氧化锰、氧化镍、氧化铬、铬粉、镍粉、钼粉和锰粉中的一者或多者。

在其中一种实施例中，所述金属粉末为高温合金粉末，所述纳米粉末包括氧化镍、氧化铬、氧化钼、铬粉、镍粉和钼粉中的一者或多者。

在其中一种实施例中，所述金属粉末为钛合金粉末，所述纳米粉末包括氧化铝、氧化钒、铝粉和钒粉中的一者或多者。

在其中一种实施例中，所述金属粉末为铝合金粉末，所述纳米粉末包括氧化锰、氧化镁、锰粉和镁粉中的一者或多者。

在其中一种实施例中，所述金属粉末为镁合金，所述纳米粉末包括氧化铝、氧化锌、氧化锰、氧化铈、铝粉、锌粉、锰粉和铈粉中的一者或多者。

第二方面，本发明实施例公开一种金属打印材料的制备方法，应用于上述的用于微滴喷射打印的金属粉末材料，包括：

筛分气雾化生产出来的金属粉末，并按组分配比；

将纳米粉末按比例加入到配比后的金属粉末中；

将整体粉末放入搅拌机中搅拌5-10min后取出；

将搅拌好的粉末放入真空干燥箱中150-300℃烘烤4-6h，待冷却后装入密封袋中。

本发明采用的技术方案能够达到以下有益效果：

本发明实施例公开的用于微滴喷射打印的金属粉末材料中，金属粉末具有较宽的粒径大小分布，颗粒可以通过最密堆积提高粘结剂喷射打印产品密度；同时，向金属粉末中添加纳米材料，打印产品经氢气或一氧化碳在高温下发生还原反应生成纳米金属单体填充至产品孔隙中提升产品的致密度，改善产品性能，降低粉末材料成本，从而大大提高产品质量。

实施方式

本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“顶部”、“底部”、“底端”、“顶端”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明实施例公开一种用于微滴喷射打印的金属粉末材料，所公开的金属粉末材料的组分包括金属粉末95-100份和纳米粉末0-5份。

同时，按金属粉末的粒径大小计，金属粉末的组分包括0-1.5um的金属粉末0-0.02%、1.5-4.5um的金属粉末5-10%、4.6-8.0um的金属粉末15-25%、8.1-11.0um的金属粉末15-25%、11.1-15um的金属粉末10-20%、15.1-22um的金属粉末10-20%、22.1-32um的金属粉末5-10%、32.1-38um的金属粉末0-0.1%。

需要说明的是，产品精细度与金属粉末的粒径大小有很大关系，金属粉末的粒径大小影响粘结剂喷射打印产品的层厚，从而影响产品表面粗糙度及精度，所述粒径的金属粉末可以打印0.03-0.06mm层厚的产品，超过上述粒径范围，打印产品粗糙度高，同时粒径大于32um的金属粉末要严格控制，此种金属粉末影响打印产品密度，粒径小于1.5um的粉末也需严格控制，它是影响粉末流动性、安息角的主要因素，也会影响铺粉及打印质量。

本发明实施例中，金属粉末的基本物理性能应满足以下要求：松装密度或粉末真实密度≥35%、振实密度或粉末真实密度≥50%；安息角：35-55°、空心粉数≤0.02%、球形度≥0.8。

本发明实施例公开的用于微滴喷射打印的金属粉末材料中，金属粉末具有较宽的粒径大小分布，颗粒可以通过最密堆积提高粘结剂喷射打印产品密度；同时，向金属粉末中添加纳米材料，打印产品经氢气或一氧化碳在高温下发生还原反应生成纳米金属单体填充至产品孔隙中提升产品的致密度，改善产品性能，降低粉末材料成本，从而大大提高产品质量。

在一种可选的实施例中，金属粉末为不锈钢粉末、模具钢、铜合金、高温合金、钛合金、铝合金和镁合金中的一者。

在另一种可选的实施例中，金属粉末为不锈钢粉末，纳米粉末包括硫化铁、氧化铁、氧化镍、氧化铬、铬粉、镍粉和钼粉中的一者或多者。

在另一种可选的实施例中，金属粉末为铜合金粉末，纳米粉末包括纳米氧化铜、纳米氢氧化铜、纳米碳酸铜和纳米硫化铜粉中的一者或多者。

在另一种可选的实施例中，金属粉末为模具钢粉末，纳米粉末包括硫化铁、氧化铁、氧化锰、氧化镍、氧化铬、铬粉、镍粉、钼粉和锰粉中的一者或多者。

在另一种可选的实施例中，金属粉末为高温合金粉末，纳米粉末包括氧化镍、氧化铬、氧化钼、铬粉、镍粉和钼粉中的一者或多者。

在另一种可选的实施例中，金属粉末为钛合金粉末，纳米粉末包括氧化铝、氧化钒、铝粉和钒粉中的一者或多者。

在另一种可选的实施例中，金属粉末为铝合金粉末，纳米粉末包括氧化锰、氧化镁、锰粉和镁粉中的一者或多者。

在另一种可选的实施例中，金属粉末为镁合金，纳米粉末包括氧化铝、氧化锌、氧化锰、氧化铈、铝粉、锌粉、锰粉和铈粉中的一者或多者。

上述纳米粉末的添加主要作用为提升打印产品密度，打印产品在高温条件下经还原性气体的保护下还原成元素单体，填充至产品间隙中提升产品密度。上述金属粉末与纳米粉末按照重量配比，经过机械混合后可作为上机打印的原材料。

基于本发明实施例公开的用于微滴喷射打印的金属粉末材料，本发明实施例公开还公开一种金属打印材料的制备方法，应用于上文任意实施例所述的用于微滴喷射打印的金属粉末材料，所公开的制备方法包括：

筛分气雾化生产出来的金属粉末，并按组分配比。具体的，首先将气雾化生产出来的金属粉末安装具体的粒径大小进行筛分，以选出不同粒径大小的金属粉末，然后将筛分出来的不同粒径的金属粉末安装一定比例进行配比，以形成混合的金属粉末。

将纳米粉末按比例加入到配比后的金属粉末中。

将整体粉末放入搅拌机中搅拌5-10min后取出。可选地，将粉末放入500-1500RPM防爆搅拌机中搅拌5-10min后取出，以保证搅拌均匀性，同时，粉末基本物理性能应当满足以下要求：松装密度或粉末真实密度≥35%、振实密度或粉末真实密度≥50%；安息角：35-55°、空心粉数≤0.02%、球形度≥0.8。

将搅拌好的粉末放入真空干燥箱中150-300℃烘烤4-6h，待冷却后装入密封袋中，从而形成待打印的金属粉末材料。

在具体的打印过程中，首先将上述粉末用专用金属打印机，层厚设置为0.03-0.06mm，层层叠加形成打印产品，此时打印密度应≥50%的真实粉末密度；然后将打印产品放入冷等静压设备中施加相应压力，提升产品密度，磁力打印密度可提升2-5%，可使产品孔隙进一步缩小甚至消失。最后将冷等静压后的产品放入还原性气体烧结炉中，在500-1800℃烧结后产品致密度达到97%以上、表面粗糙度Ra≤3.2um、产品线性尺寸收缩≤20%。

由此可知，此种制备方法使用所述微滴喷射打印的金属粉末材料，打印产品通过冷等静压处理向其各个方位施加同等压力，提升致密度1-5%，烧结后致密度达到98%以上，线性尺寸收缩率≤20%。此粒度通过粘结剂喷射的形式打印，对于粉末球形度要求不高，可大大降低材料制造费用，成本降低40%左右。

在具体的实施过程中，可以包括以下实施案例：

实施案例一：金属粉末材料的组分包括316L不锈钢金属粉末99.5份和硫化铁粉末0.5份，按粒径大小计，316L不锈钢金属粉末的组成包括：0-1.5um的金属粉末0.01%、1.5-4.5um的金属粉末8.2%、4.6-8.0um的金属粉末24%、8.1-11.0um的金属粉末19.69%、11.1-15um的金属粉末19.8%、15.1-22um的金属粉末18.8%、22.1-32um的金属粉末9.4%、32.1-38um的金属粉末0.1%。

316L不锈钢粉末基本物理性能要求：松装密度/粉末真实密度=36%；振实密度/粉末真实密度=51.5%；安息角为48°；空心粉数=0.02%；球形度=0.88。

具体的制备及打印方法：将气雾化生产出来的316L不锈钢金属粉末按照粉末粒径进行筛分，分别按照粒径范围分类；

将上述筛分的316L不锈钢金属粉末并按照粉末体积比例进行配比；

将纳米硫化铁粉末按重量比例份数加入到配比后的316L不锈钢粉末中；

整体将粉末放入800rpm的防爆搅拌机中搅拌8min后取出；

将搅拌好的粉末放入真空干燥箱中200℃烘烤5h，待冷却后装入密封袋中。

金属粉末打印、冷等静压、烧结工艺：将上述粉末用专用金属打印机，层厚设置为0.04mm，层层叠加形成打印产品，此时打印产品密度为55.0%的真实粉末密度。然后将打印产品放入冷等静压设备中施加相应压力，可提升产品密度3.4%，使产品孔隙进一步缩小，最后将冷等静压后的产品，放入烧结炉中，1400℃烧结后产品致密度达到99.0%以上、表面粗糙度Ra为1.2um，产品线性尺寸收缩率18%。

实施案例二：金属粉末材料的组分包括316L不锈钢金属粉末99.7份和氧化铬粉末0.3份，按粒径大小计，316L不锈钢金属粉末的组成包括：0-1.5um的金属粉末0.02%、1.5-4.5um的金属粉末9.4%、4.6-8.0um的金属粉末24.5%、8.1-11.0um的金属粉末22.8%、11.1-15um的金属粉末19.38%、15.1-22um的金属粉末18.8%、22.1-32um的金属粉末5.0%、32.1-38um的金属粉末0.1%。

316L不锈钢粉末基本物理性能要求：松装密度/粉末真实密度=39%；振实密度/粉末真实密度=54%；安息角为53°；空心粉数=0.02%；球形度=0.87。

具体的制备及打印方法：将气雾化生产出来的316L不锈钢金属粉末按照粉末粒径进行筛分，分别按照粒径范围分类；

将上述筛分的316L不锈钢金属粉末并按照粉末体积比例进行配比；

将纳米氧化铬粉末按重量比例份数加入到配比后的316L不锈钢粉末中；

整体将粉末放入1000rpm的防爆搅拌机中搅拌10min后取出；

将搅拌好的粉末放入真空干燥箱中200℃烘烤5.5h，待冷却后装入密封袋中。

金属粉末打印、冷等静压、烧结工艺：将上述粉末用专用金属打印机，层厚设置为0.03mm，层层叠加形成打印产品，此时打印产品密度为57%的真实粉末密度；然后将打印产品放入冷等静压设备中施加相应压力，可提升产品密度2.5%，使产品孔隙进一步缩小；最后将冷等静压后的产品，放入烧结炉中，1370℃烧结后产品致密度达到99.0%以上、表面粗糙度Ra为1.5um，产品线性尺寸收缩率15%。

实施案例三：金属粉末材料的组分包括铜粉粉末99.2份和氧化铜粉末0.8份，按粒径大小计，铜粉粉末的组成包括：0-1.5um的金属粉末0.01%、1.5-4.5um的金属粉末9.8%、4.6-8.0um的金属粉末20.5%、8.1-11.0um的金属粉末24.8%、11.1-15um的金属粉末19.58%、15.1-22um的金属粉末17.4%、22.1-32um的金属粉末8.81%、32.1-38um的金属粉末0.1%。

铜粉粉末基本物理性能要求：松装密度/粉末真实密度=37%；振实密度/粉末真实密度=52%；安息角为49°；空心粉数=0.01%；球形度=0.89；

具体的制备及打印方法：将气雾化生产出来的铜粉粉末按照粉末粒径进行筛分，分别按照粒径范围分类；

将上述筛分的铜粉粉末金属粉末并按照粉末体积比例进行配比；

将纳米氧化铜粉末按重量比例份数加入到配比后的铜粉粉末中；

整体将粉末放入600rpm的防爆搅拌机中搅拌8min后取出；

将搅拌好的粉末放入真空干燥箱中150℃烘烤4h，待冷却后装入密封袋中。

金属粉末打印、冷等静压、烧结工艺：将上述粉末用专用金属打印机，层厚设置为0.05mm，层层叠加形成打印产品，此时打印产品密度为54%的真实粉末密度；然后将打印产品放入冷等静压设备中施加相应压力，可提升产品密度1.8%，使产品孔隙进一步缩小；最后将冷等静压后的产品，放入烧结炉中，1080℃烧结后产品致密度达到98.8%以上、表面粗糙度Ra为2.2um，产品线性尺寸收缩率16%。

实施案例四：金属粉末材料的组分包括18Ni300模具钢粉末98份和氧化镍粉末2份，按粒径大小计，18Ni300模具钢粉末的组成包括：0-1.5um的金属粉末0.02%、1.5-4.5um的金属粉末9.8%、4.6-8.0um的金属粉末18.5%、8.1-11.0um的金属粉末22.8%、11.1-15um的金属粉末19.3%、15.1-22um的金属粉末19.8%、22.1-32um的金属粉末9.68%、32.1-38um的金属粉末0.1%。

18Ni300模具钢粉末基本物理性能要求：松装密度/粉末真实密度=36%；振实密度/粉末真实密度=58%；安息角为45°；空心粉数=0.02%；球形度=0.90。

具体的制备及打印方法：将气雾化生产出来的18Ni300模具钢粉粉末按照粉末粒径进行筛分，分别按照粒径范围分类；

将上述筛分的18Ni300模具钢粉末按照粉末体积比例进行配比；

将纳米氧化镍粉末按重量比例份数加入配比后的18Ni300模具钢粉粉末中；

整体将粉末放入900rpm的防爆搅拌机中搅拌10min后取出；

将搅拌好的粉末放入真空干燥箱中220℃烘烤5h，待冷却后装入密封袋中。

金属粉末打印、冷等静压、烧结工艺：首先将上述粉末用专用金属打印机，层厚设置为0.04mm，层层叠加形成打印产品，此时打印产品密度为60%的真实粉末密度；然后将打印产品放入冷等静压设备中施加相应压力，可提升产品密度2.5%，使产品孔隙进一步缩小；最后将冷等静压后的产品，放入烧结炉中，1400℃烧结后产品致密度达到99.3%以上、表面粗糙度Ra为2.5um，产品线性尺寸收缩率14.5%。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种用于微滴喷射打印的金属粉末材料，其特征在于，所述金属粉末材料的组分包括金属粉末95-98份和纳米粉末2-5份，按粒径大小计，所述金属粉末的组分包括0-1.5um的金属粉末0-0.02%、1.5-4.5um的金属粉末5-10%、4.6-8.0um的金属粉末15-25%、8.1-11.0um的金属粉末15-25%、11.1-15um的金属粉末10-20%、15.1-22um的金属粉末10-20%、22.1-32um的金属粉末5-10%、32.1-38um的金属粉末0-0.1%；

所述金属粉末为模具钢粉末，所述纳米粉末包括硫化铁、氧化铁、氧化锰、氧化镍、氧化铬、铬粉、镍粉、钼粉和锰粉中的一者或多者。

2.一种金属打印材料的制备方法，应用于权利要求1中的用于微滴喷射打印的金属粉末材料，其特征在于，包括：

筛分气雾化生产出来的金属粉末，并按组分配比；

将纳米粉末按比例加入到配比后的金属粉末中；

将整体粉末放入搅拌机中搅拌5-10min后取出；

将搅拌好的粉末放入真空干燥箱中150-300℃烘烤4-6h，待冷却后装入密封袋中。