金屬3D打印技術(shù)作為一種先進(jìn)材料制造工藝，其制品已在航空航天、汽車、醫(yī)療等高端領(lǐng)域得到了小規(guī)模應(yīng)用。擁有優(yōu)良流動性的球形金屬粉末，是當(dāng)前金屬3D打印技術(shù)的重要基礎(chǔ)原料。然而，傳統(tǒng)霧化工藝生產(chǎn)的3D打印球形金屬粉末價格昂貴，通常45μm以下的球形鈦粉的價格普遍高于1500元/kg，而難熔合金球形粉末的價格更是高達(dá)1萬元/kg以上。高昂的原料成本已成為制約全球3D打印工業(yè)發(fā)展和規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

近來，北京科技大學(xué)曲選輝教授團(tuán)隊陳剛副教授等研究人員，基于氣-固兩相流理論，創(chuàng)立了流化制備3D打印用低成本金屬粉末的新方法：以傳統(tǒng)工藝制備的低成本不規(guī)則形貌粉末（如氫化脫氫鈦粉、還原鎢粉等）為原料，在適當(dāng)溫度下，不規(guī)則形貌的粉末顆粒（固體）在流動氣體（流體）作用下互相碰撞，呈現(xiàn)出流態(tài)化現(xiàn)象，顆粒間的冶金結(jié)合和塑性變形顯著改善不規(guī)則粉末的形貌、球形度和流動性，并可以實現(xiàn)粉末流動性和雜質(zhì)可控。

流化工藝示意圖

該工藝具有流程短、收得率高、能耗低、易于規(guī)模化等特點。流化粉末性能與球形粉末相當(dāng)，成本較霧化球形粉降低60%以上，所制3D打印制品性能優(yōu)異。采用SLM技術(shù)打印的純鈦流化粉成形件的氧含量為0.17±0.01wt.%，室溫抗拉強(qiáng)度602±4.6MPa，斷裂延伸率20.1±1.2%，這些數(shù)據(jù)和EOS給出的官方性能相當(dāng)。

采用流化金屬粉末制備的SLM成形件

基于該工藝制備的粉末能否用于SLM技術(shù)，最受質(zhì)疑的是關(guān)于粉末的流動性問題。對此，北科大的研究人員發(fā)表了相關(guān)論文。研究指出，處理后的粉末相比原料粉具有更好的平滑度；除了形狀的改變，5μm以下的細(xì)粉也顯著減少，平均粒徑從原料粉的28.6 μm增大到550℃處理后的33.9μm,這也意味著，流化處理對最終粒徑范圍和平均粒徑的影響較小。在粉末的流動性方面，450℃處理后粉末的流動性為35.2±0.3s/50g, 它與已商用化的類似粒度范圍的高球形度TC4具有相當(dāng)?shù)牧鲃有裕虼瞬⒉槐剡^多擔(dān)心鋪粉的問題。

基于該工藝制備的粉末能否用于SLM技術(shù)，最受關(guān)注的應(yīng)當(dāng)是粉末的流動性。對此，北科大的研究人員發(fā)表了相關(guān)論文。研究指出，經(jīng)流化改性處理后，不規(guī)則形貌粉末的粒度分布變窄，球形度得到改善，表面更光滑，從而顯著提高了粉末的流動性。例如，流化處理后的鈦粉流動性（粒度范圍：15~45μm）為35.2±0.3s/50g，該結(jié)果與市面上類似粒度范圍的霧化球形TC4粉末的流動性相當(dāng)，因此流化粉末也能實現(xiàn)順暢的送粉和鋪粉流程（相關(guān)論文并及授權(quán)專利已上傳QQ群）。

粉末原材料初始態(tài)和與處理后流化態(tài)的效果

粉末原料與處理后的形貌對比

該團(tuán)隊以低成本氫化脫氫粉末為原料，通過流化技術(shù)已經(jīng)研制出了Ti、Ti-6Al-4V、TiTa、Nb521、NbTi等3D打印高熔點微細(xì)粒徑金屬粉末，供應(yīng)給中國航發(fā)北京航空材料研究院、鋼鐵研究總院、北京隆源、上海第九人民醫(yī)院等單位，應(yīng)用于航天/航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件與醫(yī)用植入體的3D打印成形，用戶評價良好。該創(chuàng)新工藝榮獲了第四屆冶金青年創(chuàng)新創(chuàng)意大賽二等獎，第六屆中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”北京賽區(qū)二等獎。