三维打印金属粉末的制备技术研究
毕业论文关键词 三文打印 金属粉末 气雾化 喷嘴 结构表征Title Preparation of three-dimensional printing technology metalpowderAbstractThree-dimensional printing technology and traditional processing industry isdifferent,It can directly stacking the required parts through the CAM design modeldata.The advantage is short cycle, high precision, and has broad prospects fordevelopment.In this paper,on the basis of a detailed understanding of the principle of athree-dimensional printing technology on the powder.By summing up and millingabout the main method of induction, equipment and other literature,I design theaerosolization nozzle structure milling and try to obtain the power namedFe78Si9B13.Some experiments are carried out on the powder such as XRM analysis, SEManalysis.Then their organizations, surface morphology, particle size and particlesize distribution were studied. Through the study found:(1)Milling is the main method of aerosolizing spherical metal powders, andaerosolization apparatus nozzle structure is the core of the preparation ofhigh-quality powders, the nozzle should be designed such that the metal dropletsin accordance with the occurrence of the maximum reaction gas flow design ideas.(2)The resulting powder of this experiment is good,with narrow particle sizedistribution close to normal, high sphericity, smooth surface characteristics.Keywords Three Dimensional Printing Metal Powder Aerosolization NozzleStructural characterization
目 次
1 引言 1
1.1 三文打印金属粉末的制备技术 1
1.2 三文打印金属粉末在三文打印中的应用 4
1.3 本文的主要研究内容与意义 5
2 实验方法与实验条件 7
2.1 实验原材料 7
2.2 实验设备与方法 7
2.3 试样的形态、组织、结构分析方法 9
3 三文打印金属粉末制粉设备简图与喷嘴结构 11
3.1 三文打印金属粉末制粉设备简图 11
3.2 三文打印金属粉末制粉设备喷嘴结构图 11
3.3 本章小结 15
4 三文打印金属粉末的制备与形态分析 17
4.1 三文打印金属粉末的SEM宏观形貌 17
4.2 三文打印金属粉末的粒度分布 18
4.3 本章小结 20
5 三文打印金属粉末的组织结构分析 21
5.1 三文打印金属粉末的XRD测试分析 21
5.2 三文打印金属粉末的组织结构分析 21
5.3 本章小结 23
结论 25
致谢 26
参考文献27
1 引言1.1 三文打印金属粉末的制备技术1.1.1 三文打印金属粉末的制备方法三文打印技术，又称 3D 打印技术，是快速成型技术的一种[1]。它通过计算机辅助设备（CAM）或动画软件建立模型，再由成型设备以材料堆积打印的形式制成实物。相对传统制造业而言，三文打印技术不需要传统机器的使用，也不需要进行模具的生产设计，在制造过程中没有大量材料的浪费与去除，也不用通过复杂的锻造就可以制得最终产品。因而，它有效地缩短了产品的研发周期，缩减研究成本，还提升了产品的制造速率和加工精度[2]。在近年来，三文打印技术正受到国内外的越来越多的关注，有望成为下一个朝阳产业[3]。随着三文打印技术的发展，高性能的金属粉末的制备方法正越来越受到重视。金属粉末的制备基础是先进的制粉方法，粉末生产方法的变革同样伴随着高性能、低成本粉末的广泛普及而不断向前进行中。在多种多样的制粉方法中，气雾化制粉法应用的最为广泛。相关数据显示，目前雾化制粉方法制得的粉末已占世界粉末总产量的80%[4]。通过气雾化制粉方法制得的粉末，具有球形程度高、含氧量低、粉末粒度可控、成本低，并且适应多种多样的金属及合金粉末的生产的优点。气雾化制粉的基本原理是，通过高速气流的冲击，使得熔融液态金属破碎，再由冷却系统使得破碎的细小雾滴凝固为所需的金属粉末。在19 世纪20 年代，气雾化制粉方法诞生，当时人们利用空气作为介质来制取有色金属粉末了。在此之后，气雾化制粉技术得到了飞速发展，到 19世纪 30 年代，就已经形成了目前仍在普遍使用的两种类型喷嘴[5]：自由落体式喷嘴和限制式喷嘴。经过一个多世纪的发展，至 20世纪 50 年代，普通气体气雾化制粉工艺的发展就已经成熟，并且多种金属及合金粉末的工业化生产工艺得到广发普及。在 20世纪 70 年代，气雾化机理得到进一步的研究，工艺得到更一步的优化提升，气雾化制粉技术又上了一个新的台阶。国内气雾化制粉技术起步较晚，在 20世纪 80 年代在国内开始引起关注，并初步尝试工业化生产。虽然国内学者对气雾化技术的工业应用做出了大量的研究贡献，使得我国的气雾化制粉技术的发展得到极大推动，但是大部分高性能的金属粉末的制备技术仍然短缺，需向国外进口，国内在气雾化制粉的高端领域亟待提高。包括气雾化制粉技术在内，目前制粉的主要方法有以下几种：（1）紧耦合气雾化技术气雾化的核心是使得气雾化效率和粉末质量达到最大化。因而，雾化气体的速率提高或动能的最大可以达到上述目的。因而，紧耦合气雾化的概念随之提出，即使得气体飞行最短距离，在导液管出口处即与熔融金属液流发生作用[6]。紧耦合气雾化制备的金属粉末，具有粒径小，粒度分布窄，冷却效率高，生产速率快的优点。在紧耦合气雾化概念提出后，历经几十年的发展，目前紧耦合气雾化技术已经是研究应用最为广泛的一种气雾化制粉技术。（2）超声气体雾化技术超声雾化法是由美国 MIT 的 Grant[7]教授在瑞典人发明的超声雾化装置基础上改进而来的一种制粉工艺，其原理是向振动的液滴表面发出超声波，在振幅构成的振峰作用下，破碎液滴与液滴表面分离，并随着超声波频率的增加，破碎的雾化液滴变得越来越细，最终在一定的超声波振动频率下可获得微细液滴[5]。图1.1.1 是超声波雾化液体的原理示意图。在超声波从声源传递到液体表面的过程中，网波状振荡会因为空气振动而产生。随着超声波振动的加剧，小液滴在超声波波峰位置飞起分离，分出的液滴又被超声波振动而形成进一步的雾化[8]。（3）切丝重熔法切丝重熔法制得的粉末颗粒均匀，球形度好，具有光滑的表面[9]。许多因素可影响颗粒成型，有颗粒的质量、形状以及加热温度和保温时间。合理选择相关条件，能获得表面条件更好的颗粒。该方法设备简单，成本低，成型过程便于管理控制。切丝重熔法是将焊料合金进行拉丝、剪切等加工后得到均匀的微质量元，然后通过具有设定温度梯度的成型设备中进行重熔和凝固，从而使得微质量元转化为标准球体。这种方法优点是工艺可控性好，成本较低，设备简单。但其也有明显的缺陷，主要为工序较繁琐，效率低且精准度不高。（4）机械法机械粉碎法根据粉碎的粉末的最终粒度，可分为粗碎和细碎，这是一种通过挤压、冲击和磨削的方法将金属或合金机械地粉碎为粉末的办法。理论上所有金属和合金逗适用机械粉碎法来进行粉碎，但是实践结果表明，脆性的材料主要使用这种方法，而研磨塑性金属和合金一般采用冷空气粉碎法、漩涡研磨的方法等。机械振动法原理图如图1.1.2 所示。喷头 3在射流方向可以做自由振动，而射流液体流速由向喷头进行输液的喷头泵来调节，反馈调节系统 6 生成的振动信号由喷头向喷嘴继而传递并作用在射流液体上[10]，从而导致射流断裂的发生。
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