IPB上海粉體展巡展在北京舉行，交流金屬3D打印粉末制備檢測(cè)技術(shù)

2018年4月20日，IPB上海粉體展北京巡展（中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)、紐倫堡會(huì)展（上海）有限公司主辦）在北京拉開(kāi)帷幕，據(jù)悉，活動(dòng)邀請(qǐng)全國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)秘書(shū)李海斌先生、西北有色金屬研究院朱紀(jì)磊教授等專家為我們就3D打印工藝對(duì)球形金屬粉末制備要求、檢測(cè)、篩分等話題進(jìn)行專家解析、行業(yè)交流。

與傳統(tǒng)的減材制造方式相比，3D打印幾乎不會(huì)造成金屬材料浪費(fèi)，而且這種“增材制造”直接成形的特點(diǎn)使得產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)備問(wèn)題大大減少。金屬粉體材料是金屬3D打印的原材料，其粉體的基本性能對(duì)最終的成型的產(chǎn)品品質(zhì)有著很大的關(guān)系。金屬3D打印對(duì)于粉體的要求主要在化學(xué)成分、顆粒形狀、粒度及粒度分布、流動(dòng)性、循環(huán)使用性等這幾個(gè)方面，其粉體制備工藝成為3D打印近年來(lái)關(guān)注的熱點(diǎn)。本次活動(dòng)對(duì)于3D打印與粉體制備間的技術(shù)解析具有重要意義。

金屬粉末是粉床增材制造的唯一原料，其性能決定增材制造工藝和制品的性能優(yōu)劣。針對(duì)航空航天、國(guó)防軍工和生物醫(yī)療領(lǐng)域的粉床增材制造技術(shù)對(duì)粉末的物理化學(xué)性能要求較為嚴(yán)苛，目前所用的球形金屬粉末原料大量進(jìn)口。粉床增材制造對(duì)金屬粉末原料的要求、國(guó)內(nèi)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況是我們著重探討的課題。

論壇邀請(qǐng)到西北有色金屬研究院朱紀(jì)磊教授出席本次活動(dòng)，解析旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉（PREP）技術(shù)制備球形金屬粉末的性能以及PREP工藝參數(shù)對(duì)粉末性能的影響，針對(duì)增材制造對(duì)孔隙粉末的控制要求，對(duì)比分析了氣霧化法、旋轉(zhuǎn)電極霧化法和等離子體熔絲霧化法等三種典型工藝球形鈦合金粉末的內(nèi)部孔隙特性，結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)電極霧化法制備的球形鈦合金粉末具有較低的孔隙率，通過(guò)控制棒料直徑和棒料轉(zhuǎn)速能夠獲得低氧含量和低孔隙率的高品質(zhì)球形金屬粉末。

雖然實(shí)現(xiàn)增材制造的技術(shù)方法有多種，但加工機(jī)理基本一致，即材料在高能熱源作用下快速融化，由于作用時(shí)間極短，熔融的金屬在基體的冷卻作用下發(fā)生快速凝固，從而實(shí)現(xiàn)在特定的掃描區(qū)域成型。增材制造制品的性能由熱源量屬性、材料特性及工藝參數(shù)所決定，而熱源類型及送粉方式是區(qū)分各種增材制造技術(shù)的最根本因素。
增材制造工藝的主要影響因素
①熱源
在金屬增材制造領(lǐng)域，應(yīng)用最為成熟的熱源是激光和高能電子束。電子束與激光的工作原理不同，電子束的加熱方式是高能電子穿過(guò)靶材的表面進(jìn)入到距表面一定深度后，再傳給靶材原子能量，從而使靶材原子的振動(dòng)加劇，把電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能；激光的加熱方式則為靶材表面吸收光子能量，激光并未穿過(guò)靶材表面。材料制造加工過(guò)程中，熱源的功率及掃描速度一般是恒定的，即作用于材料的能量密度是恒定的， 熱源作用效果由材料對(duì)熱源的吸收性能直接決定。材料對(duì)熱源能量的吸收由兩者的作用機(jī)理、材料表面狀態(tài)等因素所決定。對(duì)于最常用的激光熱源， 激光光能的吸收與波長(zhǎng)、被照材料的反射率以及能量密度相關(guān)，在成型過(guò)程中，材料的表面狀態(tài)、 尺寸等因素對(duì)激光都有明顯的制約作用。電子束由于其作用機(jī)理的不同，在增材制造過(guò)程中表現(xiàn)出較激光更加良好的適配性。


②材料
粉末材料是目前最為常用的金屬類增材制造用材料。金屬粉末作為金屬制件增材制造產(chǎn)業(yè)鏈中最重要的一環(huán)， 也是最大的價(jià)值所在。金屬粉體材料一般用于粉末冶金工業(yè)， 粉末冶金成型是將粉末預(yù)成型后利用高壓高溫條件進(jìn)行最終的定型，整個(gè)過(guò)程中，材料發(fā)生的物理冶金變化相對(duì)緩慢，材料有比較充分的時(shí)間進(jìn)行融合、 擴(kuò)散、反應(yīng)。由于受粉末冶金加工時(shí)溫度及壓力的限制， 為了保證工件的致密性，要求使用的粉體材料盡可能地將成型腔體填充完全。針對(duì)粉末冶金工藝的技術(shù)特點(diǎn)，已經(jīng)發(fā)展出了一套比較完善的粉末評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)， 有相對(duì)比較完善的指標(biāo)可用來(lái)恒量粉體材料的性能，如粒徑、比表面積、粒度分布、粉體密度、流速、松裝密度、孔隙率等。對(duì)于粉末冶金而言， 粉末的流動(dòng)性、振實(shí)密度等指標(biāo)是衡量粉末冶金用粉末材料的重要指標(biāo)。

增材制造工藝與粉末冶金工藝相比有明顯的區(qū)別，粉末材料在熱源作用下的冶金變化是極速的，成型過(guò)程中粉體材料與熱源直接作用，粉體材料沒(méi)有模具的約束以及外部持久壓力的作用。一般認(rèn)為直徑小于１ｍｍ的粉體材料適用于增材制造， 粒徑在５０μｍ左右的粉體材料具有較好的成型性能 。與 粉末冶金工業(yè)相比， 目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有形成成熟的評(píng)價(jià)方法或標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判定粉末材料與增材制造工藝的適用性，增材制造用粉末的相關(guān)評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)需要進(jìn)一步深入的研究與思考。

③工藝過(guò)程
用鋪粉方式時(shí)， 熱源優(yōu)先作用于粉末，為保證粉末與已成型區(qū)的冶金結(jié)合充分， 需要確保加工過(guò)程中熔池的深度及尺寸在一個(gè)合理范圍內(nèi)。當(dāng)采用同步送粉方式時(shí)，無(wú)論是同軸送粉還是側(cè)向送粉方式，熱源對(duì)材料的作用分成作用于已成型區(qū)及作用于粉末材料兩部分。粉末在運(yùn)動(dòng)途中被熱源加熱到一定溫度后，在自身動(dòng)能的作用下打入已成型區(qū)域，整個(gè)成型過(guò)程相當(dāng)于相對(duì)高能的粉末材料轟擊熔合區(qū)域的過(guò)程，這種方式較鋪粉方式更有利于提高制品的致密度。

本次會(huì)議中，來(lái)自德國(guó)新帕泰克有限公司的耿建芳博士、弗爾德科學(xué)儀器有限公司的葉上游先生和英國(guó)富瑞曼科技有限公司的張志俊先生也就3D打印應(yīng)用領(lǐng)域的粉體技術(shù)為大家?guī)��?lái)了精彩的報(bào)告。

南極熊在現(xiàn)場(chǎng)有個(gè)重要感受，我們3D打印領(lǐng)域?qū)Ψ勰┎牧系谋碚黧w系，還不夠完善。通過(guò)儀器檢測(cè)可以看出，除了球形度、顆粒度因素外，表面凸起形狀、氧氫元素含量等因素，也會(huì)大大影響金屬3D打印的質(zhì)量和性能。

IPB上海國(guó)際粉體展會(huì)每年秋季在上海舉辦，主要致力于為中外粉體行業(yè)相互交流與合作、企業(yè)與協(xié)會(huì)的交流與溝通搭建平臺(tái)，為企業(yè)拓展新業(yè)務(wù)、開(kāi)發(fā)新市場(chǎng)提供豐富的信息和商機(jī)，至今已成功舉辦15屆，第16屆將于2018 年 10 月 17-19 日在上海世博展覽館（上海市浦東新區(qū)博成路850號(hào)）舉辦。