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3D打印用合金粉體材料產業發展現狀與趨勢-沈陽稀有金屬研究所

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                鐵基合金粉末

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                3D打印用合金粉體材料產業發展現狀與趨勢

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                3D打印用合金粉體材料產業發展現狀與趨勢

                發布日期:2019-05-16 作者: 點擊:

                  摘要:3D打印技術是快速原型制造技術的一種,也被稱為增材制造技術,被譽為"第三次工業革命"的核心技術,其中金屬3D打印被認為是將來制造業的主導方向.金屬粉末材料是金屬打印的物質基礎,同時也是3D打印技術發展的突破點.綜述了3D打印金屬粉體材料的研究現狀,重點介紹了鈦合金、鋁合金、不銹鋼、高溫合金和鎂合金等5種金屬粉體材料在3D打印技術中的應用,并對金屬粉體材料的運用進行總結和展望.

                  3D打印對原材料的要求比較苛刻,滿足激光工藝的適用性要求所選的材料需要以粉末或絲棒狀形態提供。材料融化后在軟件程序驅動下,自動按設計工藝完成各切片的凝固,使材料重新結合起來,完成成型。由于整個過程涉及材料的快速融化和凝固等物態變化,對適用的材料性能要求極高,從而材料成本居高不下。比如,即使打印一個手機大小的產品,整個耗材價格至少要150元以上?;诖?,未來3D打印產業需要不懈追求的目標仍將是:“研發出更多種類的材料”、“使材料獲得與工藝更匹配的性能”、“實現更高的制備工藝精度和更廉的原材料價格”以及“將3D打印的直接制造技術應用到更多更廣的領域”。  

                  3D打印技術包括“快速原型制造技術”和“金屬構件直接制造技術”2大類。目前公眾所了解的3D打印成果和案例大多屬于“快速原型制造技術”范疇。其實快速原型制造的范疇比較廣,除了3D打印還有“熔融沉積造型”、“選擇性激光燒結”、“立體印刷”、“疊層實體造型”等多種方式。因此,3D打印并不能完全涵蓋“快速原型制造”,而只是實現快速原型制造的路徑之一。另外一個分支是高性能的金屬零件直接制造,這一領域可謂意義重大,但難度也更大,對材料和設備的要求極其苛刻,是3D打印技術的制高點。(1)快速原型制造用材料  快速原型制造即通常所說的快速成型,近年來應用不斷拓展,發展極為迅速,已成為工業模型設計與制作中的一項關鍵技術。Z早主要是做樹脂、石蠟、紙等原型件,用途集中在新產品的快速設計方面,通過該技術可以簡便、快速地實現設計的優化和產品的評估,由于其“所見即所造”的特點,能夠省去大量生產準備環節,從而顯著縮短新產品的研發周期,Z終使新產品的研發成本顯著降低。我國3D打印目前2億元/a的產值基本來源于此。近年快速成型加入選擇性激光燒結工藝,使3D打印在保持高效率的同時,制造精度也得到顯著提升。

                   目前3D打印快速成型用特種粉體材料大多是設備工藝廠商針對各自設備特點定制的,優點是與專屬設備的適用性好、研制難度相對小,缺點是材料的產業通用性差、產品成型過程的精度有待提高、產品成型后的強度較低??梢?,制品表面精度受粉末原材特性的制約明顯,工藝對材料依賴性不容忽視。(2)高性能金屬構件直接制造技術用材料  高性能金屬構件直接制造技術起步于20世紀90年代初,工藝難度比較大,主要采用高功率的能量束如激光或電子束作為熱源,使粉末材料進行選區熔化,冷卻結晶后形成嚴格按設計制造的堆積層,堆積層連續成型,形成Z終產品。到目前為止,工業上的小型金屬構件直接制造相對容易,體積較大的金屬構件的直接制造難度非常大,對材料和工藝控制的要求很高。這將是增材制造產業推動相關工業發展的重點方向,也將是一項關鍵技術。其Z大的難度在于材料和成型工藝。以鈦合金為例,激光熔化后的材料凝固會造成鈦合金體積收縮,造成巨大的材料熱應力,內應力對小型構件影響不大,但隨著零件尺寸的增加,成型變得非常困難,即使能夠成型也會由于大的內應力嚴重影響材料強度。第二個難題是材料冷卻結晶過程復雜,材料結晶過程很難定量控制,一旦出現晶體粗大、枝晶等必將造成材料成型后的力學性能不佳等問題,Z終結果就是關鍵構件沒辦法獲得實際應用。   

                   高性能金屬構件直接制造技術自問世伊始,就與配套材料的發展密不可分。近年來,金屬構件直接制造所使用的高性能特種粉體材料備受關注。歐美等國已經比較成熟地實現了小尺寸不銹鋼、高溫合金等零件的激光直接成形,未來高溫合金、鈦合金材質大型金屬構件的激光快速成形作將成為主要技術的攻關方向。我國北京航空航天大學團隊在這一領域走在了世界前列,他們通過激光直接制造成套裝備的研制和對大型鈦合金金屬結構件成形原理的探究,已掌握高性能金屬構件直接制造核心技術,其成果已應用于多種型號飛機的研制中。但國內用于金屬構件直接制造的材料主要依賴進口,國產化的同類材料。目前還存在著氧含量高、球形度差、成分均勻性差以及粒度分布不佳等問題,這在一定程度上限制著我國高端3D打印產業的進一步發展。 

                   合金粉末內部的組織結構對3D打印Z終產品的影響較大,組織粗大的粉末熔覆性能較差。高性能金屬構件直接制造用特種粉末要求低氧含量和高球形度,行業內主要由氣霧化和真空氣霧化工藝制備。合金粉末的制備方法主要有水霧化、氣霧化和真空霧化等,其中真空霧化制備的粉末具有氧含量低、球形度高、成分均勻等特點,應用效果Z佳。 

                   高性能金屬構件直接制造所用材料主要是鈦及鈦合金粉末材料和鎳基或鈷基的高溫合金類粉末材料。鈦及鈦合金粉末材料采用粉末冶金法制造零部件是少切削或無切削的近凈成型工藝,金屬的利用率接近100%,是降低鈦及鈦合金零件使用成本的Z佳方式。目前鈦及鈦合金粉末制備方法主要有等離子旋轉電極、單棍快淬、霧化法等,其中旋轉電極法因其動平衡問題,主要制備20目左右的粗粉;單棍快淬法制備的粉末多為不規則形狀、雜質含量高,而氣體霧化法制備的粉末具有氧及其他雜質含量低、球形度好、粒度可控、冷卻速度快、細粉收得率高等優點,是高品質鈦及鈦合金粉末的主要制備工藝。   

                   國外鈦及鈦合金粉末的研究由來已久,技術相對成熟,美國在1985年發表了水冷銅坩堝惰氣霧化法的專利,在1988年建立起年產11t的粉末研制線;而日本在1990年已建立年產60t的惰氣霧化粉末生產線,并實現規?;a;而國內在霧化設備及粉末制備工藝方面,主要為移植和仿研,高性能制粉設備仍以進口為主,在水冷銅坩堝制備技術、底注式霧化方式等方面仍和國外差距較大;在粉末制備方面,目前粉末的粒度主要集中于:40~300目之間,雜質元素如鈣、氫、氧等也高于國外同類產品水平,如國內制備的真空鈦合金釬焊料由于雜質含量高,在使用過程中存在潤濕性差、焊縫質量不均勻、焊接強度低等問題。

                  鎳基或鈷基的高溫合金粉末的制備方法主要有霧化法、旋轉電極法、還原法等。霧化法主要有二流霧化、離心霧化等方法。氣霧化(含真空霧化)屬于二流霧化,具有環境污染小、粉末球形度高、氧含量低以及冷卻速率大等優點。經歷近200年的發展,氣霧化已經成為生產高性能金屬及合金粉末的主要方法。不過,霧化合金粉末易也出現一些缺陷,例如夾雜物、熱誘導孔洞、原始粉末顆粒邊界物。對于3D打印技術來說,粉體材料中夾雜物和熱誘導孔洞都會對成型部件產生影響。二、我國3D打印及其專用材料產業現狀    3D打印技術在我國還處于發展初期,產業體量相對較小。同時,中國制造業各個環節對3D打印技術的認識還存在很多不足。從實際發展情況來看,截至目前3D打印并沒有實現成熟的產業化,從設備到產品再到服務仍停留在“高級玩具”階段。但是,國內從政府到企業,普遍認可3D打印技術的發展前景,政府和社會普遍關注未來3D打印技術將對我國現有的生產、經濟、制造模式等造成的影響。  根據調研數據,目前,我國對3D打印技術的需求并非集中在設備上,而是體現在對3D打印用耗材種類多樣性和對代理加工服務的需求上。工業客戶是我國采購3D打印設備的主力軍,他們所購買的設備主要用于航空、航天、電子產品、交通工具、設計、醫療、文化創意等行業。目前,3D打印機在中國企業的裝機量約500臺,年增速為60%左右。即使這樣,目前的市場規模也僅為1億元/年左右。而3D打印用材料的研發和生產潛在需求規模已近10億元/年,隨著設備工藝的普及和進步,規模還將迅速增長;同時3D打印相關委托加工服務非?;鸨?,多家代理3D打印設備的公司對激光燒結工藝和設備應用已非常成熟,可對外進行加工服務,由于單臺設備價格一般在500萬元以上,市場接受度不高,但代理加工服務卻非?;鸨?。   

                   目前,我國3D打印用材料大都由快速成型廠家直接提供,尚未實現第三方供應通用材料的模式,導致材料的成本非常高。同時,國內尚無針對專用于3D打印的粉末制備研究,對粒度分布、氧含量要求嚴格,有些單位采用常規的噴涂粉末替代使用,存在著很多的不適用性。  在3D打印快速成型方面,研發和生產通用性更強的材料是技術提升的關鍵。解決好材料的性能和成本問題,將更好地推動我國的快速成型技術的發展。目前,我國3D打印快速成型技術使用的材料大多需從國外進口,或設備廠家自己投入巨大精力和經費研制,價格昂貴,致使生產成本提高,而國內該機器使用的材料其強度、精度都較低。3D打印材料國產化已勢在必行。  在高性能金屬構件直接制造方面,需要低氧含量、細粒徑、高球形度的鈦及鈦合金粉末或鎳基、鈷基高溫合金粉末,粉末粒度以-500目為主,氧含量宜低于0.1%,且粒徑均勻,目前高端的合金粉末和制造設備還主要依靠進口。而國外常將原材料與設備捆綁銷售,賺取大量的利潤。以鎳基粉末為例,原材料成本約200元/kg,國產產品售價一般為300~400元/kg,而進口粉末售價常在800元/kg以上。    近年來,我國3D打印技術發展較快,但3D打印材料一直是國內3D打印業發展的“短板”。3D打印Z重要的材料———金屬粉末主要依靠進口,價格十分昂貴。頂立科技攻克了此類技術的難題,開發出球形鈦粉等金屬基3D打印材料,解決了3D打印企業無米下炊的困境,填補了該類材料的國內空白。這類材料具有球形度、流動性好等特點,是金屬基3D打印技術的首選材料,將主要應用于制造航天結構件、承重件、航空發動機高溫合金渦輪盤、火力發電機渦輪等耐高溫、耐沖蝕等惡劣環境下的零部件。下階段頂立科技計劃與北航、國防科大等單位進行深入合作,在2014年將形成批量生產,將產品推向市場,實現成果轉化。

                本文網址:http://www.allegri-net.com/news/461.html

                關鍵詞:3D打印,粉末,合金

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