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高端3D打印球形钛粉制备技术:等离子雾化
高端3D打印钛合金粉末制备技术分为气雾化、离心雾化、球化几大类,代表技术包括:等离子雾化(PA:Plasma Atomization)、电极感应熔炼气雾化(EIGA:Electrode Induction- Melting Gas Atomization)、等离子旋转电极工艺(PREP:Plasma Rotating Electrode Process)、等离子球化(PS:Plasma Spheroidization)。

四大主流工艺中:1)受限于电极旋转速度,等离子旋转电极工艺难以制备100微米以下粉末,其产品主要用于LENS工艺,无法真正服务于SLM/EBM工艺;2)等离子球化工艺粉末的粒径、成分受原始不规则粉末控制,且高比表面积导致粉末氧含量很高,一般不应用于医疗3D打印产品中;3)等离子雾化、电极感应熔炼气雾化都属于气雾化制粉技术,所制备的3D打印金属粉末品质高,其中等离子雾化工艺产品更为优秀(两者比较见后文),尤其是骨科植入物类产品的首选原材料。

一、AP&C公司等离子雾化制粉工艺

加拿大AP&C公司是瑞典Arcam公司的子公司(Arcam已于2016年被美国GE收购),AP&C公司是全球等离子雾化金属球形粉末行业的领导者,已通过ISO 9001、AS 9100 C、ISO 13485认证。

等离子雾化工艺采用如图1所示制粉装置:1)采用丝材作为制粉的原材料(纯钛、钛合金、镍基高温合金),走丝速度可精确控制,进而调整粉末粒径分布、细粉收得率;2)三个等离子火炬呈环形分布,火炬出口的超音速喷嘴喷出高温等离子体、氩气混合介质,快速融化丝材末端;3)高温、高速混合介质融化丝材,同时使熔液雾化;4)在表面张力作用下,热的雾化介质使得液滴有足够长时间球化,粉末球形度更高;5)生产线中粉末处于低浓度悬浮状态,有效防止卫星球的产生。

等离子雾化

图1 AP&C等离子雾化制粉工艺示意图

等离子雾化工艺在制备高端难熔球形金属粉末方面有明显优势,如纯钛、钛合金、镍基高温合金等,在制备不锈钢、铝合金等粉末上成本偏高。

二、PA与EIGA制粉工艺比较

1、球形度:PA工艺采用热雾化介质,液滴有足够长时间发生球化,粉末球形度比EIGA工艺高。

2、卫星球:热介质雾化能力更高,故喷嘴流速可以更小,“伞效应”比EIGA工艺弱,卫星球数量也少于EIGA工艺。

3、粒度分布:PA工艺“伞效应”比EIGA工艺弱,故粉末粒径分布更为集中,粒度分布更窄,细粉收得率高。

4、流动性:PA粉末球形度更高、卫星球更少,故流动性也比EIGA工艺好。

5、松装密度、振实密度:受球形度、卫星球数量影响,PA粉末的松装密度、振实密度更大。

6、空心粉气体夹带:PA工艺“伞效应”非常弱,故几乎无空心粉,保证了航空航天、骨科植入领域对产品蠕变、疲劳性能的高要求。2014年,洛克希德·马丁测试了AP&C粉末、EIGA粉末的气体夹带,测试结果显示PA粉末几乎无气体夹带,即无空心粉末。

表1 PA与EIGA工艺空心粉气体夹带量比较

等离子雾化

7、质量稳定性、连续性:EIGA工艺保持稳定的熔液流态非常困难,实际雾化过程中会出现液滴状,甚至电极可能会中途断裂造成堵塞,导致同一批次、不同批次产品质量稳定性、连续性较差。

三、AP&C公司球形钛粉物性参数

AP&C公司主要产品为纯钛(1级、2级)、钛合金Ti-6Al-4V(5级、23级,对应国家标准为TC4、TC4 ELI)、IN 718、IN 625,产品具有球形度高、纯度高、氧含量低、卫星球少、流动性好、粒度分布窄、无空心粉气体夹带、不同批次产品质量稳定的优势,其中球形钛粉在3D打印行业全球市场所占份额最高,钛粉典型参数如下,更多技术信息请联系17340209930。

表2 AP&C纯钛及钛合金粉末典型物理性质

等离子雾化

表3 AP&C纯钛及钛合金粉末典型化学组成

等离子雾化
等离子雾化

图2 AP&C钛粉SEM图