粉末的案例
專題：粉末可回收性因素對金屬增材制造的影響及提高粉末重復(fù)使用性的方法
近年來，隨著設(shè)備制造商推動(dòng)傳統(tǒng)金屬粉末生產(chǎn)商提供專為航空航天、國防和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用而設(shè)計(jì)的特種粉末，使得高端材料增材制造的成本持續(xù)增加。基于此，粉末的可回收性和循環(huán)使用就變得更加重要。在本篇文章中，3D打印技術(shù)參考將具體闡述在金屬增材制造過程中，粉末回收與循環(huán)使用存在的一些挑戰(zhàn)，尤其是提高粉末重復(fù)使用性的方法。本期文章歸屬于《粉末循環(huán)使用與3D打印質(zhì)量專題二》。
了解粉末降解行為的差異性
在一個(gè)或多個(gè)打印周期后，不同類型的粉末會出表現(xiàn)出不同的性能變化。Inconel 718在循環(huán)使用過程中具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，但在評估可重復(fù)使用性時(shí)會受到形態(tài)和流動(dòng)性的物理特性限制。這些材料在較高溫度下熔化時(shí)，熔體周圍的材料變形并燒結(jié)在一起，這會使粉末顆粒變大并且不可用。而鈦合金粉末則更容易吸收氧，粉末較高的氧含量會導(dǎo)致打印失敗，因此，必須時(shí)刻關(guān)注粉末的氧化情況，其使用次數(shù)也會受到很大限制。
了解不同類型粉末的降解行為對于制定至今尚沒有的粉末再循環(huán)性標(biāo)準(zhǔn)是重要的。
金屬粉末多次循環(huán)使用后的降解情況
在一項(xiàng)高溫材料可回收性研究中，研究人員通過對多次SLM打印循環(huán)的粉末進(jìn)行分析，以了解對粉末和零件性能的影響。在多次打印過程中，附著在較大粉末顆粒上的衛(wèi)星粉開始分離，形成較小的單個(gè)顆粒。同時(shí)，粉末顆粒開始熔合在一起形成團(tuán)聚體，其中的顆粒破碎成不完整的細(xì)顆粒。所有這些都影響了粉體的流動(dòng)性和堆積密度，使粉體粒度分布變寬并且粉末的氧含量增加。然而，在使用相同批次的粉末連續(xù)13次循環(huán)之后，粉末仍符合成分規(guī)范，滿足可重復(fù)使用的要求（研究詳情已上傳）。
兩種方法提高粉末的可重復(fù)使用性
提高金屬粉末的可重復(fù)使用性，需要確定合格的技術(shù)來修復(fù)不合格的粉末并使其可重復(fù)使用。
展開 從“粉末冶金”進(jìn)階，看粉末擠出3D打印技術(shù)如何賦能
粉末冶金制造技術(shù)借助節(jié)能節(jié)材、綠色環(huán)保和效率高、精度高等優(yōu)勢，被業(yè)界公認(rèn)為是一種綠色、可持續(xù)的制造工藝技術(shù)。近年來，隨著信息技術(shù)與制造業(yè)的進(jìn)一步深度融合，各種前沿的3D打印技術(shù)也正在煥發(fā)活力，并獲得蓬勃發(fā)展。
1、粉末冶金工藝的關(guān)鍵特點(diǎn)
粉末冶金技術(shù)集制粉、成形、燒結(jié)等多重工藝于一身，具有低成本、高效率、少（無）污染等顯著特點(diǎn)。同時(shí)其作為增材制造（3D打印）的重要成型工藝，是中國制造2025的重要一環(huán)。
根據(jù)配方不同，粉末冶金零件的抗拉強(qiáng)度在170~1200MPa之間，相比傳統(tǒng)零件制造工藝，具有如下特點(diǎn)：
·某些特殊性能材料的唯一制造方法（目前有很多復(fù)合材料產(chǎn)品性能優(yōu)異, 只能通過粉末冶金才能加工出來）；
·加工工藝流程短而簡單，易于控制（機(jī)械加工十幾道工序才能完成的產(chǎn)品在粉末金屬工藝中，有時(shí)候幾道工序就能實(shí)現(xiàn)）；
·零件接近最終尺寸，表面光潔的，減少后續(xù)加工成本；
·節(jié)約能源，原料利用率高, 加工效率高（相對傳統(tǒng)機(jī)加工切削工藝，粉末冶金節(jié)能60%，材料利用率高達(dá)95%）；
·制品強(qiáng)度較低；流動(dòng)性較差，形狀受限制；
·壓制成形的壓強(qiáng)較高，制品尺寸較小；
·壓模成本較高。
為推進(jìn)粉末冶金技術(shù)更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，目前粉末注射成形（Powder Injection Molding，PIM）、3D打印技術(shù)等快速成形技術(shù)斬嶄露頭角，使得粉末冶金不斷朝著高致密化成、高性能化、集成化和低成本的方向持續(xù)升級。
2、粉末注射成形再創(chuàng)新
PIM是一種制造高質(zhì)量精密零件的近凈成形技術(shù)，具有常規(guī)粉末冶金和機(jī)加工方法無法比擬的優(yōu)勢。從客戶角度上看，產(chǎn)品的加工能力與成本效益會成為選擇PIM的主要原因。
展開 航空發(fā)動(dòng)機(jī)用粉末高溫合金及制備技術(shù)研究進(jìn)展
早期變形高溫合金的強(qiáng)度提高主要是通過合金化來實(shí)現(xiàn)，但隨著使用溫度和合金強(qiáng)度要求的不斷提高，其合金化程度也越來越高，以至于鑄錠的合金元素偏析嚴(yán)重，熱工藝塑性惡化，使常規(guī)鑄鍛工藝制造渦輪盤時(shí)變形加工變得非常困難，粉末冶金高溫合金的應(yīng)用是解決這一問題的有效途徑[5~9]。20世紀(jì)60年代初，氣霧化粉末制備技術(shù)開始興起，1965年發(fā)展了高純高溫合金粉末制備技術(shù)[10,11]，隨后制備出粉末高溫合金渦輪盤[12]，并于20 世紀(jì)70 年代首先應(yīng)用于軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上。粉末高溫合金的優(yōu)勢在于，霧化制粉過程中微米級直徑的合金液滴快速凝固形成粉末顆粒，粉末組織均勻、晶粒細(xì)小，多為細(xì)樹枝晶或胞晶。從Ar 氣霧化高溫合金粉末[13]和普通鑄造鎳基高溫合金[14]的顯微組織中可知，粉末的枝晶間距較傳統(tǒng)鑄造高溫合金小1 個(gè)數(shù)量級以上，其成分偏析也被限制在球形粉末顆粒內(nèi)細(xì)小的枝晶尺度范圍內(nèi)，從而達(dá)到均質(zhì)化的目的。
采用粉末高溫合金可顯著提高力學(xué)性能和熱工藝性能。近幾十年，隨著合金和制備技術(shù)的快速發(fā)展，粉末高溫合金已成為目前高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤的首選材料。
1 粉末高溫合金的發(fā)展
1.1 歐美和我國粉末高溫合金的發(fā)展
歐美發(fā)達(dá)國家和我國在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛采用粉末高溫合金渦輪盤，先后研制出四代粉末高溫合金(圖1)，在軍、民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了應(yīng)用。典型的粉末高溫合金成分如表1[5,15,16]所示。
展開 Moldex3D模流分析之粉末注射成型模塊模擬
粉末注射成型（PIM）為傳統(tǒng)射出成型的重要衍生制程，其提供另一種解決方案，用以生產(chǎn)由金屬或陶瓷材料所制成的高精度產(chǎn)品。金屬粉末注射成型制程被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)性電子與信息工業(yè)領(lǐng)域，而陶瓷粉末注射成型制程則主要用于汽機(jī)車與醫(yī)療產(chǎn)業(yè)。粉末注射成型與傳統(tǒng)射出成型的主要差異在于備料（feedstock）。在粉末注射成型中，粒狀備料是由金屬或陶瓷粉末和高分子黏著劑兩種材料混合而成，其粉末體積通常為40%-60%。金屬或陶瓷粉末是形成最終產(chǎn)品的主要原料，但一般很難被加工，因此藉由黏著劑如塑料或蠟以降低粉末的黏度，以利將粉末注入模穴中。
粉末注射成型制程包含四項(xiàng)基本步驟：(1) 制備含有所需粉末的備料；(2) 備料經(jīng)射出成型成為生胚；(3) 脫脂以移除生胚中的黏著劑；(4) 燒結(jié)剩余的粉末結(jié)構(gòu)以得到最終產(chǎn)品。一般而言，燒結(jié)后發(fā)現(xiàn)的塑件缺陷多在射出成型過程中就已形成，例如：蠟痕、頂針痕、分模線等，這些缺陷并不能在脫脂或燒結(jié)過程中減少或消除。在金屬粉末注射成型工業(yè)中，黑線（black line）是由于粉末－黏著劑的相分離現(xiàn)象而在塑件表面產(chǎn)生的缺陷，常發(fā)生于高速與高壓的射出成型制程中，此相分離現(xiàn)象會影響生胚的質(zhì)量，對于燒結(jié)過程中的翹曲與機(jī)械性質(zhì)都非常重要。因此，如何預(yù)測模具充填時(shí)的粉末濃度是必須重視的課題。
Moldex3D 粉末注射成型模塊功能導(dǎo)覽
Moldex3D粉末注射成型模塊（PIM）能仿真三維粉末注射成型制程，包含金屬與陶瓷兩種粉末。粉末注射成型充填的一般概念多數(shù)承襲于傳統(tǒng)射出成型制程模型，這兩者的主要差別在于射入模穴的材料復(fù)雜程度。Moldex3D粉末注射成型模塊能提供充填階段時(shí)的粉末濃度分析結(jié)果，以觀察粉末－黏著劑的相分離現(xiàn)象。
注意：Moldex3D粉末注射成型模塊支持solid與eDesign網(wǎng)格模型。
1.
展開 
煙道內(nèi)活性炭及消石灰粉末噴射均勻性模擬分析
結(jié)合活性炭及消石灰粉末噴射改進(jìn)結(jié)果看，根據(jù)固定的煙道來流形式，可進(jìn)行煙道內(nèi)的噴管精準(zhǔn)布置[5]，達(dá)到所噴粉末顆粒擴(kuò)散均勻的目的,該種改進(jìn)方案可減少粉末顆粒的噴入量，降低物料消耗。
3.3.3 活性炭和消石灰同時(shí)噴射分析
活性炭粉末和消石灰噴射管位置按上述方式調(diào)整后同時(shí)噴射活性炭和消石灰粉末顆粒，其粒子擴(kuò)散圖如圖14所示：
圖14 活性炭和消石灰粒子擴(kuò)散圖
可以看出，活性炭和消石灰粉末顆粒同時(shí)噴射時(shí)，兩種顆粒經(jīng)與氣流充分混合擴(kuò)散后在煙道出口位置達(dá)到均勻分布，同其單獨(dú)噴射時(shí)顆粒軌跡相似。
圖15 活性炭和消石灰粒子在煙道不同斷面分布圖
由圖15分析,單獨(dú)噴射活性炭或消石灰時(shí)，兩種顆粒均在擴(kuò)散至a處的煙道截面上分布已趨于均勻，在b和c處的截面上粉末顆粒擴(kuò)散多集中于煙道中上方；當(dāng)兩種粉末顆粒同時(shí)噴射時(shí)，在a和b兩處的截面上粒子分布已無明顯區(qū)別，都趨于均勻，為保證兩種粉末顆粒單獨(dú)噴射和同時(shí)噴射時(shí)的斷面粉末均勻的統(tǒng)一性，在活性炭和消石灰噴射位置改進(jìn)后，取a處截面作為活性炭和消石灰兩種粉末顆粒的最小擴(kuò)散距離。如圖16所示：
圖16 活性炭粉末最小擴(kuò)散距離圖
3.3.4 粉末停留時(shí)間對比
延長粉末在煙道內(nèi)的停留時(shí)間，有利于增加粉末中和、吸附的機(jī)會，根據(jù)以上不同噴射點(diǎn)所形成的粉末分布分析可知，原始位置噴射時(shí)會造成大量粉末無法擴(kuò)散并跟隨氣體主流快速流出煙道，經(jīng)過調(diào)節(jié)噴射點(diǎn)位置后，噴入的粉末可以借助煙道內(nèi)氣流主流所形成的湍流及渦流擾動(dòng)擴(kuò)散，該過程既增加了粉末在煙道的停留時(shí)間又利于粉末充分?jǐn)U散均勻。圖17、圖18為出口截面上兩種粉末在不同噴射位置下的煙道停留時(shí)間分布對比，出口截面上粒子停留時(shí)間反映了粒子從進(jìn)入到離開流場區(qū)域所消耗的時(shí)間，停留時(shí)間越久，粉末與氣流之間的吸附反應(yīng)時(shí)間越久。
展開 航空級防爆：金屬3D打印粉末全流程處理系統(tǒng)
任何制造業(yè)都有一定安全風(fēng)險(xiǎn)，金屬3D打印用粉末更是如此。在當(dāng)前金屬3D打印使用過程中，球形粉末從打印前灌裝、篩分到打印后回收、存儲各環(huán)節(jié)尚未形成完全的防粉末泄露的閉環(huán)，灑落出來的粉末不僅成本浪費(fèi)而且有嚴(yán)重的燃爆風(fēng)險(xiǎn)，尤其是鋁粉、鎂粉和鈦粉等活潑金屬，在空氣中少量存在即可導(dǎo)致易燃易爆的風(fēng)險(xiǎn)，長期以來像是一把懸在3D打印產(chǎn)業(yè)人員頭頂上的達(dá)摩克利斯之劍。
金屬3D打印粉末全流程處理系統(tǒng)
針對這個(gè)行業(yè)痛點(diǎn)以及滿足國際適航認(rèn)證的產(chǎn)業(yè)需求，倍豐科技在國際上首創(chuàng)了“金屬3D打印粉末全流程處理系統(tǒng)“，由粉末灌裝、篩分、回收、清粉、除濕、存儲六個(gè)操作單元組成，
具體工作流程包括
第一步：將各類包裝的粉末放置在粉末填裝設(shè)備倉內(nèi)中，關(guān)閉倉門后，用惰性氣體置換出倉內(nèi)和儲粉罐中的空氣，當(dāng)氧含量下降到設(shè)定值后，通過手套操作將粉末灌裝到儲粉罐中。
第二步：將儲粉罐移到粉末篩分設(shè)備上方，在惰性氣體保護(hù)環(huán)境下振動(dòng)篩分粉末到可以打印的目標(biāo)粒徑，再落入下方儲粉罐中。
第三步：將儲粉罐與打印機(jī)連接供粉打印。
第四步：打印完成后，通過粉末回收設(shè)備在惰性氣體保護(hù)環(huán)境下將倉內(nèi)粉末回收，再落入儲粉罐中。
第五步：復(fù)雜產(chǎn)品內(nèi)部殘留粉末可通過殘粉清理設(shè)備在惰性氣體保護(hù)環(huán)境下完全清理干凈，并通過小儲粉罐回收。
第六步：將儲粉罐和粉末真空干燥設(shè)備連接，先抽罐內(nèi)殘留濕氣和空氣，再注入惰性氣體保護(hù)罐內(nèi)粉末，粉末可以長期安全防爆存儲。
這套可實(shí)現(xiàn)粉末在全3D打印過程中于全封閉環(huán)境下進(jìn)行安全、高效、無污染周轉(zhuǎn)，可完全避免粉末泄露在空氣中而產(chǎn)生的燃爆、人員吸入等安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)避免了粉末材料浪費(fèi)問題。每個(gè)單元可以任意組合，適用于當(dāng)前所有類型金屬3D打印機(jī)，可真正實(shí)現(xiàn)“金屬3D打印使制造業(yè)更先進(jìn)、更高效，倍豐科技粉末處理系統(tǒng)使3D打印更安全、更美好”的行業(yè)愿景。
展開 粉末冶金技術(shù)論文
粉末冶金技術(shù)論文
摘要：
粉末冶金(P/M)技術(shù)是一門重要的材料制備與成形技術(shù)，被稱為是解決高科技、新材料問題的鑰匙。高性能、低成本、凈近成形一直以來是粉末冶金工作者重要研究課題之一。粉末冶金法能實(shí)現(xiàn)工件的少切削、無切削加工，是一種高效、優(yōu)質(zhì)、精密、低耗節(jié)能制造零件的先進(jìn)技術(shù)。
粉末冶金技術(shù)簡介
粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金工藝的第一步是制取原料粉末，第二步是將原料粉末通過成形、燒結(jié)以及燒結(jié)后處理制得成品。粉末冶金的工藝發(fā)展已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此范疇而日趨多樣化，已成為解決新材料問題的鑰匙，在新材料的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。
粉末冶金技術(shù)有如下特點(diǎn)：
(1)可以直接制備出具有最終形狀和尺寸的零件，是一種無切削、少切削的新工藝，從而可以有效地降低零部件生產(chǎn)的資源和能源消耗；
(2)可以容易地實(shí)現(xiàn)多種類型的復(fù)合，充分發(fā)揮各組元材料各自的特性，是一種低成本生產(chǎn)高性能金屬基和陶瓷基復(fù)合材料的工藝技術(shù)；
(3)可以生產(chǎn)普通熔煉法無法生產(chǎn)的具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料和制品，如多孔含油軸承、過濾材料、生物材料、分離膜材料、難熔金屬與合金、高性能陶瓷材料等；
(4)可以最大限度地減少合金成分偏聚，消除粗大、不均勻的鑄造組織，在制備高性能稀土永磁材料、稀土儲氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化劑、高溫超導(dǎo)材料、新型金屬材料具有重要的作用；
(5)可以制備非晶、微晶、準(zhǔn)晶、納米晶和過飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料，這些材料具有優(yōu)異的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能；
(6)可以充分利用礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料，是一種可有效進(jìn)行材料再生和綜合利用的新技術(shù)。
展開 2021年金屬3D打印粉末材料簡報(bào).PDF
作為金屬3D打印最常用的原材料之一，金屬球形粉末發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。由于3D打印在制造工藝上的特殊性，其所需的金屬粉末也有區(qū)別于傳統(tǒng)的粉末冶金方法，目前打印用粉末多是以球形度高、流動(dòng)性好、純度高的細(xì)粉為主。因此，像傳統(tǒng)的還原法、電解法等方法生產(chǎn)出的不規(guī)則粉末難以在金屬3D打印中得到實(shí)際應(yīng)用。近年來，隨著金屬產(chǎn)品在裝備制造領(lǐng)域應(yīng)用的普及，金屬3D打印的應(yīng)用市場也不斷擴(kuò)大。為實(shí)現(xiàn)金屬3D打印產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模發(fā)展，對原材料金屬粉末的產(chǎn)量、成本等要求也需要不斷提高。
南極熊將通過《全球3D打印金屬粉末材料報(bào)告·2021》專題報(bào)告（可往南極熊公眾號后臺回復(fù)關(guān)鍵詞“ 粉末材料2021”獲取PDF文件）來梳理金屬3D打印粉末材料產(chǎn)業(yè)情況，主要包括：
3D打印金屬粉末應(yīng)用現(xiàn)狀
3D打印金屬粉末市場情況
3D打印金屬粉末的制備工藝
3D打印金屬粉末供應(yīng)商
金屬3D打印粉末的制備工藝
從工藝方面劃分，當(dāng)前全球主流的3D打印金屬粉末制備方法包括：氣霧化法（GA）、等離子旋轉(zhuǎn)電極法（PREP）、等離子霧化法（PA），以及等離子球化法（PS）等。
1）氣霧化法
氣霧化法是利用惰性氣體在高速狀態(tài)下對液態(tài)金屬進(jìn)行噴射，使其霧化、冷凝后形成球形粉。根據(jù)熱源的不同又可以將氣霧化法細(xì)分為電極感應(yīng)熔煉氣霧化(EIGA)和等離子惰性氣體霧化(PIGA)兩種工藝，采用惰性氣體既能防止產(chǎn)物氧化，又能避免環(huán)境污染。在EIGA工藝中，為電極形式的預(yù)合金棒將在不使用熔煉坩堝的情況下進(jìn)行感應(yīng)熔煉和霧化，其工藝原理圖如下圖所示。采用氣霧化法所得粉末粒度分布廣，大部分為細(xì)粉，雜質(zhì)易于控制，但粉末由于粒徑不同而冷卻速度不同，導(dǎo)致顆粒內(nèi)部易產(chǎn)生氣泡，形成空心結(jié)構(gòu)，粉末形狀不均勻，出現(xiàn)行星球等，對粉末后期應(yīng)用造成不利影響。
展開 專題：金屬3D打印工藝鏈對TC4粉末性能的影響
在粉末床激光熔融技術(shù)中，材料從生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲存到打印以及循環(huán)使用過程中，粉末在整個(gè)工藝鏈中一直處于多種機(jī)械和大氣環(huán)境之下，粉末顆粒的化學(xué)成分和形狀，以及整個(gè)粉末材料的特性，可能會受到大氣、溫度、濕度以及外力等因素的影響。
本文討論了TC4粉末在整個(gè)工藝流程中潛在的重要影響因素，研究結(jié)果可用于其他粉末處理和管理，確保材料在整個(gè)使用壽命內(nèi)的質(zhì)量，使SLM工藝更加穩(wěn)健和可靠。本期文章歸屬于《粉末循環(huán)使用與3D打印質(zhì)量專題二》。
粉末生產(chǎn)因素
為了評價(jià)粉末的特性和批次穩(wěn)定性，研究了TC4（5級）三種不同工藝（氣霧化EIGA、等離子霧化PA、電感耦合等離子霧化ICPA）生產(chǎn)的相同規(guī)格、兩個(gè)批次的粉末，分別測定這些粉末的粒度分布、顆粒形貌以及流動(dòng)性。
結(jié)果顯示，三種粉末顆粒的尺寸均在15-65微米之間，呈高斯分布，但PA和ICPA粉末與EIGA粉末相比顯示出更寬的粒度分布。霍爾流量計(jì)測量的流動(dòng)時(shí)間在14.6s-16.1s的范圍內(nèi)，說明所有粉末和批次都具有良好的流動(dòng)性。電鏡結(jié)果顯示出，三種粉末都具有高球形，不過EIGA粉末顆粒有些輕微拉長，而ICPA粉末含有不少衛(wèi)星粉。
三種工藝生產(chǎn)的粉末粒度分布
EIGA、ICPA、PA工藝生產(chǎn)的粉末形貌
為了評估每批粉末的可打印性，在SLM 250HL設(shè)備上進(jìn)行工藝調(diào)試，得到32個(gè)不同的參數(shù)集。對于每組工藝制備的試樣，分別進(jìn)行孔隙測量和分析。
密度塊的測試結(jié)果顯示，所有粉末（不同工藝和批次）都可以獲得密度高于99%的立方體。應(yīng)注意的是，每種粉末和批次可能適用不同的工藝。
展開 【材料課堂】3D打印用球形金屬粉末制備工藝
1.1 霧化法
霧化法制取的粉末已占當(dāng)今世界金屬3D打印粉末的80%以上, 其原理是以快速運(yùn)動(dòng)的流體 (霧化介質(zhì)) 沖擊或以其他方式將金屬或合金液流破碎為細(xì)小液滴, 隨之冷凝為固體粉末的粉末制取方法, 其原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示, 根據(jù)霧化介質(zhì)不同, 霧化法主要分為水霧化和氣霧化。
圖1 霧化制粉原理圖
1.1.1 水霧化
水霧化是以水為霧化介質(zhì)制備金屬粉末, 其生產(chǎn)成本低, 霧化效率高, 常用來生產(chǎn)鋼鐵粉末、含油軸承用預(yù)合金粉末、鎳基磁性材料粉末等。相對氣霧化, 水的比熱容比較大, 在霧化過程中破碎的金屬熔滴快速凝固變成不規(guī)則狀, 導(dǎo)致粉體形狀難以控制, 且難以滿足金屬3D打印對粉末球形度的要求, 此外由于活性金屬及其合金在高溫下與霧化介質(zhì)水接觸后會發(fā)生反應(yīng), 增加粉末氧含量, 這些問題限制了水霧化法制備球形度高、氧含量低的金屬粉末。
1.1.2 氣霧化
氣霧化的原理是通過高速氣流將液態(tài)金屬流粉碎為小滴并快速冷凝成粉末的過程。氣霧化制備金屬粉末具有粒度細(xì)、球形度高、純度高等優(yōu)點(diǎn), 是目前生產(chǎn)3D打印用金屬粉末的主要方法, 其制備的3D打印粉末金屬占霧化法制備粉末的40%左右。但氣霧化技術(shù)也存在一定的不足, 在氣流破碎金屬液體的過程中, 氣流能量低, 霧化效率低, 增加了金屬粉末制備成本。
德國Nanoval公司在氣霧化技術(shù)的基礎(chǔ)上, 對噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn), 提出層流霧化技術(shù)。層流霧化噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示。該技術(shù)使氣流和金屬液流在層流霧化噴嘴中呈層流分布, 氣流在金屬表面產(chǎn)生的剪切力和擠壓力, 將金屬液流剪切成直徑不斷縮小的液滴, 其冷卻速度達(dá)106~107K/s, 制備的粉末粒度分布窄, 在2.0MPa的霧化壓力下, 霧化制備的金屬粉末平均粒度可以達(dá)到10μm。
展開 【科普系列】Fe基非晶粉末應(yīng)用簡介
而非晶粉末的成功制備，為塊體非晶合金應(yīng)用難的問題提供了一條嶄新的途徑。其中，F(xiàn)e基非晶粉末具有低的材料成本、優(yōu)異的性能等優(yōu)勢，受到了科研領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，并在涂層制備、磁性材料、激光3D打印、廢水處理等領(lǐng)域得到了一定的研究與應(yīng)用，同時(shí)在傳感、控制等功能性器件及薄膜等小尺寸、低維材料及柔性電子領(lǐng)域也展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
Fe基非晶粉末的制備
目前，F(xiàn)e基非晶合金粉末的制備方法主要有3種：（1）通過霧化法（主要為氣霧化和水霧化)制備非晶合金粉末，此種方法制備的非晶合金粉末成形粒度好, 粒子表面圓滑,可制備多種粒徑粉末，適用于 Fe基非晶合金涂層的制備、偶氮染料印染廢水降解等多個(gè)領(lǐng)域（見圖 1）；（2）采用高速轉(zhuǎn)輪法制備非晶薄帶，再通過機(jī)械粉碎將其制備成非晶粉末，但此種方法制備的粉末表面形狀不規(guī)則，多使用于偶氮染料印染廢水降解、非晶磁粉芯制備等領(lǐng)域；（3）運(yùn)用化學(xué)合成方法制備非晶粉末，此種方法制備的非晶粉末多為納米級超微粉，不需要合金熔煉和冷卻設(shè)備，能耗較低，在非晶磁粉芯制備等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用。
圖1 氣霧化法制備Fe基非晶粉末（圖片來源蘭州理工大學(xué)李春燕課題組）
Fe基非晶粉末用于涂層制備
將Fe基非晶合金粉末（多為霧化法所制備）制備成涂層，不僅保留了塊體Fe基非晶合金的優(yōu)異性能，而且在制造與再制造領(lǐng)域有極大的應(yīng)用潛力。
展開 
Moldex3D模流分析之粉末 (Powder Injection Molding)
粉末注射成型簡介
粉末注射成型（PIM）為傳統(tǒng)射出成型的重要衍生制程，其提供另一種解決方案，用以生產(chǎn)由金屬或陶瓷材料所制成的高精度產(chǎn)品。金屬粉末注射成型制程被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)性電子與信息工業(yè)領(lǐng)域，而陶瓷粉末注射成型制程則主要用于汽機(jī)車與醫(yī)療產(chǎn)業(yè)。粉末注射成型與傳統(tǒng)射出成型的主要差異在于備料（feedstock）。在粉末注射成型中，粒狀備料是由金屬或陶瓷粉末和高分子黏著劑兩種材料混合而成，其粉末體積通常為40%-60%。金屬或陶瓷粉末是形成最終產(chǎn)品的主要原料，但一般很難被加工，因此藉由黏著劑如塑料或蠟以降低粉末的黏度，以利將粉末注入模穴中。
粉末注射成型制程包含四項(xiàng)基本步驟：(1) 制備含有所需粉末的備料；(2) 備料經(jīng)射出成型成為生胚；(3) 脫脂以移除生胚中的黏著劑；(4) 燒結(jié)剩余的粉末結(jié)構(gòu)以得到最終產(chǎn)品。一般而言，燒結(jié)后發(fā)現(xiàn)的塑件缺陷多在射出成型過程中就已形成，例如：蠟痕、頂針痕、分模線等，這些缺陷并不能在脫脂或燒結(jié)過程中減少或消除。在金屬粉末注射成型工業(yè)中，黑線（black line）是由于粉末－黏著劑的相分離現(xiàn)象而在塑件表面產(chǎn)生的缺陷，常發(fā)生于高速與高壓的射出成型制程中，此相分離現(xiàn)象會影響生胚的質(zhì)量，對于燒結(jié)過程中的翹曲與機(jī)械性質(zhì)都非常重要。因此，如何預(yù)測模具充填時(shí)的粉末濃度是必須重視的課題。
Moldex3D粉末注射成型模塊功能導(dǎo)覽
Moldex3D粉末注射成型模塊（PIM）能仿真三維粉末注射成型制程，包含金屬與陶瓷兩種粉末。粉末注射成型充填的一般概念多數(shù)承襲于傳統(tǒng)射出成型制程模型，這兩者的主要差別在于射入模穴的材料復(fù)雜程度。Moldex3D粉末注射成型模塊能提供充填階段時(shí)的粉末濃度分析結(jié)果，以觀察粉末－黏著劑的相分離現(xiàn)象。
注意：Moldex3D粉末注射成型模塊支持solid與eDesign網(wǎng)格模型。
1.
展開 威拉里發(fā)布陶瓷增強(qiáng)鋁合金3D打印粉末
南極熊看到國內(nèi)知名金屬3D打印粉末材料廠商威拉里的展位，隆重發(fā)布了陶瓷增強(qiáng)鋁合金粉末，受到業(yè)內(nèi)強(qiáng)烈關(guān)注。
傳統(tǒng)鋁合金粉末存在激光吸收率低、粘度較大、衛(wèi)星粉多、生產(chǎn)效率低等問題，3D打印工藝的開發(fā)難度很大，且打印件的綜合性能較差，應(yīng)用場景十分有限。
威拉里聯(lián)合上海交大王浩偉教授團(tuán)隊(duì)和安徽相邦三方深度合作，在材料體系開發(fā)和制粉工藝研究等方面進(jìn)行了大量研究，成功開發(fā)出適用于3D打印的高性能陶鋁復(fù)合材料粉末，其打印件最大抗拉強(qiáng)度超過540MPa，最大斷裂伸長率超過15%。
技術(shù)團(tuán)隊(duì)結(jié)合陶鋁復(fù)合材料的自身特點(diǎn)，從專用設(shè)備、工藝調(diào)控、材料組分一體化設(shè)計(jì)三方面入手：
①優(yōu)化溫控系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和霧化系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了專用的粉末后處理工藝，大幅減少衛(wèi)星球和空心球比例，將粉末霍爾流速縮短到75s/50g以內(nèi)，松裝密度提升到1.4g/cm3以上；
②通過全工藝流程控制，大幅提高了粉末成分、粒度及氧含量等關(guān)鍵指標(biāo)的批次穩(wěn)定性；
③引入TiB2納米顆粒的二次熔煉控制技術(shù)，配合成分設(shè)計(jì)，使TiB2強(qiáng)化相在制備原料、生產(chǎn)粉末和打印成件的過程中，均能維持在相同的狀態(tài)，不僅克服了鋁合金激光吸收率低的問題，還可以形成超細(xì)等軸晶結(jié)構(gòu)，解決了陶鋁復(fù)合材料工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)難題。
△粉末特性
已有的批量化打印案例中，無論是進(jìn)口設(shè)備還是國產(chǎn)設(shè)備，陶鋁粉末的打印性能都非常優(yōu)秀，甚至超出稀土強(qiáng)化的高強(qiáng)鋁合金。
△粉末材料物理性能
在實(shí)際打印過程中，由于強(qiáng)化相TiB2是從基體中原位生長的，與基體之間的界面不存在潤濕性問題，能夠形成強(qiáng)化學(xué)鍵，因此合金組織能夠呈現(xiàn)平均晶粒尺寸＜500nm的超細(xì)晶結(jié)構(gòu)，大幅強(qiáng)化了合金的綜合力學(xué)性能，并使工件的組織表現(xiàn)出一流的各向同性性能。
展開 粉末測量新技術(shù)：Mastersizer 3000+ vs Morphologi-4ID
臺灣科技大學(xué) 多功能材料制造實(shí)驗(yàn)室 / 文承瀚 研究生
(轉(zhuǎn)載自繁體版ACMT電子技術(shù)月刊No.091)
前言
隨著科技的進(jìn)步，積層制造技術(shù)正迅速改變現(xiàn)代制造業(yè)的面貌，在這一變革性的制造技術(shù)背后，粉末材料不僅直接決定了最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，還會影響制造過程的效率和成本。
近年來，粉末技術(shù)在材料選擇、制粉工藝、顆粒特性控制和應(yīng)用范圍等方面取得了顯著的突破，使得積層制造技術(shù)能夠應(yīng)用于更多元化和更尖端的領(lǐng)域。本文將探討粉末分析技術(shù)的最新發(fā)展，并使用積層制造作為新技術(shù)運(yùn)用的實(shí)例。
粉末特性
近年來，有許多研究探討粉末物理性質(zhì)的改變，特別是在粒徑和形狀的控制方面，這些進(jìn)步對于粉末材料的物理性質(zhì)和應(yīng)用性能產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。
粒徑改變造成的影響
比表面積：隨著粉末粒徑的減小，一般比表面積會顯著增大。比表面積的增加使得粉末在積層制造中可以更有效地與添加劑進(jìn)行混合。
分散性：小粒徑粉末具有更好的分散性，可以在液體或聚合物基體中均勻分布，這在漿料的制備中至關(guān)重要，有助于提升材料的打印性能，但是小顆粒也有相應(yīng)的缺點(diǎn)，其會容易發(fā)生團(tuán)聚，進(jìn)而影響分散性，因此，粉末的大小要根據(jù)使用需求進(jìn)行調(diào)控。
反應(yīng)速率：奈米級粉末由于其顆粒細(xì)小，一般比表面積較大，而使化學(xué)反應(yīng)速率顯著提高，這也會使?jié){料固化的性能顯著提升。
形狀控制的影響
流動(dòng)性：球形粉末具有更好的流動(dòng)性，這對于積層制造和粉末科學(xué)來說非常重要。良好的流動(dòng)性有助于提高材料的成型精度和制造效率，同時(shí)減少制造過程中所產(chǎn)生的缺陷。
堆積密度：粉末的形狀影響其堆積密度。球形粉末通常具有較高的堆積密度，這意味著在相同體積內(nèi)可以填充更多的材料，有助于提高燒結(jié)體的致密度和機(jī)械強(qiáng)度，這在制造高性能結(jié)構(gòu)材料時(shí)尤為重要。
展開 粉末制品制造工藝
01
粉末
粉末制取是粉末冶金的基礎(chǔ)，現(xiàn)有的制粉方法大體可分為兩類：機(jī)械法和物理化學(xué)法。機(jī)械法包括機(jī)械粉碎法和霧化法。物理化學(xué)法包括還原法、電解法、電化學(xué)腐蝕法、還原一化合法、氣相沉積法、液相沉積法等。其中以還原法、霧化法和電解法應(yīng)用最廣。
粉末的形狀與結(jié)構(gòu)、粒度、粒形、密度、流動(dòng)性、壓制性、成形性等對粉末冶金制品的質(zhì)量影響極大。
02
預(yù)處理
為了獲得合格的粉末冶金制品，制坯前需對粉末進(jìn)行降低雜質(zhì)等處理，即將粉末進(jìn)行退火、篩分、混合（包括與成形劑與潤滑劑及粘結(jié)劑混合）、制粒、干燥等處理。
03
壓坯
將經(jīng)過預(yù)處理金屬粉末或混合粉末壓實(shí)成具有一定形狀、尺寸、強(qiáng)度與孔隙度的壓坯，粉末坯的成形方法很多，如壓制成形、等靜壓成形、注射成形、粉末軋制成形、爆炸成形、粉漿澆注成形等方法。
粉末冶金最常用的成形方法是模壓成形（如圖1所示），壓力一般為1～1600MPa；在高溫下施以等靜壓成形，同時(shí)還可進(jìn)行燒結(jié)，以制得接近完全致密的制品。粉末注射成形與塑料注射成形技術(shù)相似，曾被譽(yù)為21世紀(jì)的成形技術(shù)。粉漿澆注成形則是將粉末與適當(dāng)?shù)囊后w混合，制成具有流動(dòng)性的粉漿，注入具有所需形狀的石膏模中澆注成形，待石膏模將粉漿中液體吸干后，拆模取出澆注的坯件。
圖1 模壓成形
04
燒結(jié)
燒結(jié)是粉末冶金工藝中的關(guān)鍵工序。成形后的坯塊還屬于散沙，不能直接使用，坯塊必須在適當(dāng)?shù)臏囟群蜌夥罩屑訜幔l(fā)生一系列物理和化學(xué)變化，使松散坯塊內(nèi)的粉末顆粒進(jìn)一步結(jié)合起來，減少孔隙體積、孔隙數(shù)量并使孔隙形狀變簡單，使成形的粉末坯塊強(qiáng)化和致密化，達(dá)到所要求的性能。
1
燒結(jié)過程
燒結(jié)是一個(gè)很復(fù)雜的過程。
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