[0001] 本发明属于 3D打印制造材料领域， 具体涉及一种合金粉， 该合金粉可直接利用 3D打印制造出高强度高密实度的金属零件， 进一步涉及该合金粉的制备方法。 背景技术

[0002] 3D打印技术是一种通过逐层增加堆积材料来生� ��三维实体的快速增材制造技术 ， 不但克服了传统减材制造造成的损耗， 而且使产品制造更智能化， 更精准， 更高效。 尤其是涉及到复杂形状的高端制造， 3D打印技术显示出巨大的优越性 。 3D打印技术是一项具有工业革命意义的高新制� ��技术， 代表了世界制造业发 展的新趋势， 近年来 3D打印应用不断拓展， 主要有树脂、 石蜡为原料进行快速 成型。 而 3D打印的最终发展是在高端工业领域应用， 树脂塑料还无法满足高端 工业 3D打印的需要， 因此 3D打印材料逐步从树脂塑料向金属材料发展。

[0003] 金属粉末用于 3D 打印， 对金属粉末要求较高， 通常金属粉末必须满足粉末粒 径细小、 粒度分布较窄、 球形度高、 流动性好、 松装密度高的特性。 而这些性 能难以同时满足， 因此 3D打印金属粉末难以满足高精打印的需求。 导致通过选 择性激光烧结进行 3D打印金属粉末制造的金属零件普遍存在强度� ��高、 精度较 低及表面质量较差等问题。 如材料的物理与化学性质、 激光参数和烧结工艺参 数等影响着烧结过程、 成型精度和质量。 零件在成型过程中， 由于各种材料因 素、 工艺因素等的影响， 会使烧结件产生各种冶金缺陷如裂纹、 变形、 气孔、 组织不均匀等。

[0004] 金属材料的 3D打印制造技术之所以难度大， 是因为金属的熔点比较高， 涉及到 了金属的固液相变、 表面扩散以及热传导等多种物理过程。 熔化和冷却过程生 成的晶体组织是否良好、 整个试件是否均匀、 内部杂质和孔隙的大小都会引起 金属零件的应力变化。 因此， 目前采用 3D打印进行金属粉末制造金属制品大都 采用间接制备方法将金属粉预粘接后再进行烧 结。 如：

[0005] 中国发明专利申请号 200510020015. 5公开了一种激光烧结快速成形材料的制备 方法， 该方法将粘结剂酚醛树脂与金属或合金粉末与 粉碎混合， 通过粘结剂实 现金属零件的选择性激光烧结快速制造。 这种间接成型方法由于烧结会形成大 量空洞， 需要后期浸料处理， 来提升强度。

[0006] 中国发明专利申请号 201310605634. 5 公开了一种低功率激光烧结法金属 3D打 印产品生产方法， 采用金属粉末材料加热塑性成型粘接剂的方法 ， 制备出低融 点的 3D金属打印原材料混合料， 由于金属粉末颗粒表面形成薄层热塑性粘结剂 ， 通过低功率选择性激光烧结或电子束烧结法 3D打印机， 金属粉末材料经过表 层热塑性粘结剂低温融化一冷却粘结固化过程 ， 层层堆积成型。 该金属零部件 为间接粘接形成的生坯， 需要后续处理。 而且由于引入的粘接剂对金属制品而 言是一种杂质， 会对制品的力学性能产生不利的影响。

[0007] 中国发明专利申请号 201410028642. 2公开了一种 3D打印机用的金属粉末。 通过 将金属粉末的粒径降至亚微米级， 使熔点低和熔融速度快， 可以提高金属 3D打 印机的打印速度以及打印构件的精度。 该亚微米级金属粉通过降低粒径来降低 熔融温度， 但由于是通过粘接形成的亚微米金属粉， 因此， 用于直接打印时由 于缺少支撑， 熔化和冷却过程容易造成金属制品变形。

[0008] 根据上述， 3D打印金属粉末通过间接粘接的方法制造金属� ��品的致密性较低， 需要后续对形成的多孔进行浸料、 填充处理， 导致金属制品强度受损。 通过 3D 打印激光熔化技术直接成型时， 可以直接制成终端金属产品， 得到冶金结构的 金属实体， 但由于受金属粉末熔化温度、 粒径分布、 冷却结晶的影响， 因此， 金属粉末直接通过 3D打印制造金属制品时难以得到高精密度、 高密实度、 高强 度的金属制品。

发明概述

技术问题

[0009] 目前金属粉末难以直接通过 3D打印制造高精密度、 高密实、 高强度金属零件。

问题的解决方案

技术解决方案

[0010] 本发明提出一种用于直接 3D打印金属零件的合金粉。 该合金粉是由纳米铝通过 一层薄锡粉粘接在铁的氧化物表面形成的铁基 合金微球， 微球的粒径在 2-10微 米， 球度大于 95%。 可直接用于 3D打印金属零件。 用于直接 3D打印金属零件时， 通过铝对铁氧化物的逐步还原，克服了金属直 接熔化成型造成的结构变形，而且 冷却结晶均匀， 形成的氧化铝提高了成型件的强度， 制品件孔隙率降低， 具有 良好的密实度， 可用于高精度、 复杂形状的金属零件的直接打印。

[0011] 一种用于直接 3D打印金属零件的合金粉， 是通过如下技术方案实现的：

[0012] 一种用于直接 3D打印金属零件的合金粉， 其特征是： 由纳米铝通过一层薄锡粉 粘接在铁的氧化物表面形成的铁基合金微球， 微球的粒径在 2-10微米， 球度大 于 95%， 合金中氧化铁的重量份为 60-70份， 纳米铝的重量份为 30-40份， 锡粉的 重量份为 0. 1-0. 5份。

[0013] 所述的氧化铁平均粒径 500nm， 纯度 99. 9%， 比表面积 50-80 m Vg ， 呈球形晶 相。

[0014] 所述的纳米铝平均粒径 10_20nm， 纯度 99. 9%， 比表面积 90-120 m Vg 。

[0015] 所述的锡粉平均粒径 ΙΟ μ πι, 纯度 99. 5%以上 。

[0016] 一种用于直接 3D打印金属零件的合金粉， 其特征是： 通过铝对铁氧化物的逐步 还原，无需支撑剂和粘接剂， 克服了金属直接熔化成型造成的结构变形，可 直接 通过 3D打印制造最终的金属零件， 金属零件精密度高、 密实度高、 强度高， 无 需后续填孔处理。

[0017] 本发明一种用于直接 3D打印金属零件的合金粉的制备方法， 其特征是按照如下 方式进行：

[0018] 1 ) 将 60-70重量份的球形微细氧化铁置于高速分散设� ��中， 设置分散设备温度 为 200-240°C， 进行 900-1500rpm的高速搅拌分散， 分散时间控制在 5_15min， 待 球形微细氧化铁受热稳定后， 加入 0. 1-0. 5重量份的锡粉， 继续搅拌 20-30分钟 使锡粉完全熔化涂敷在球形微细氧化铁表面；

[0019] 2 ) 将 30-40重量份的纳米铝加入步骤 1 ) 得到的涂敷球形微细氧化铁， 设置分 散设备温度为 180-220°C， 真空度设置为 0. 03-0. 05MPa， 在真空状态下以 400-80 Orpm的转速将铝粉均匀分散粘涂在球形微细氧� �铁表面， 分散时间控制在 5-15m in, 得到由铝粉包覆球形微细氧化铁的合金粉；

[0020] 3 ) 将步骤 2)得到的合金粉送入由氩气保护的冷却器中进� ��冷却、 筛分得到直 接用于 3D打印金属零件的合金粉。

[0021] 上述制备方法， 步骤 1 ) 所述的高速分散设备为配置圆盘式桨叶的高速 混合机

[0022] 上述制备方法， 步骤 3 ) 所述的冷却器为强力氩气气流冷却器， 由高速氩气气 流使合金粉冷却， 并通过气流撞击和形成涡旋将部分粘连的合金 粉粉碎、 通过 旋转筛分得到粒径均一的合金粉。

[0023] 本发明一种用于直接 3D打印金属零件的合金粉， 由纳米铝通过一层薄锡粉粘接 在铁的氧化物表面形成的铁基合金微球， 粉末粒径为 2-10微米的、 分布均匀， 该合金粉不加非金属粘结剂， 对原料没有影响， 且在以后的加工过程中粉末流 动或快速熔化时， 成分不会损失， 激光烧结时铝粉逐步还原氧化铁， 防止铁快 速凝固， 形成的氧化铝提高了成型件的强度， 形成密实的金属零件， 克服了金 属直接熔化成型造成的结构变形，而且冷却结 晶均匀，保证了成分的均匀性和均 匀分布， 可用于高精度、 复杂形状的金属零件的直接打印。

[0024] 本发明一种用于直接 3D打印金属零件的合金粉， 具有良好的分散性和粉末输送 性， 通过 3D打印机的喷嘴进行预热至 400°C， 以 20-25mm/s的扫描速度， 在 800_1 00CTC激光烧结时氧化铁转化为铁， 转化的氧化铝作为支撑， 产品成型精度提高 ， 可以用于制备复杂构件的精密金属零件。 打印产品抗拉强度大于 280MPa， 密 度大于 6. 4 X 10 %g/m ³ ， 具有良好的强度和密实度。

发明的有益效果

有益效果

[0025] 本发明一种用于直接 3D打印金属零件的合金粉的制备方法， 与现有技术相比， 其突出的特点和优异的效果在于：

[0026] 1、 本发明一种用于直接 3D打印金属零件的合金粉， 由铝粉包覆球形微细氧化 铁形成合金粉， 该合金粉不加非金属粘结剂， 激光烧结时铝粉逐步还原氧化铁 ， 防止铁快速凝固， 直接成型为最终金属零件， 无需后续填孔处理。

[0027] 2、 本发明一种用于直接 3D打印金属零件的合金粉， 粉末粒径为 2-10微米， 球 度大于 95%， 具有良好的分散性和粉末输送性， 通过 3D打印机的喷嘴进行预热， 在 20-25mm/ _S 的扫描速度时， 激光烧结时转化的氧化铝作为支撑， 克服了成型过 程中变形开裂， 预防了内部缺陷， 可直接通过 3D打印制备复杂构件的精密金属 零件。 产品成型精度提高， 氧化铝均匀分布在成型件中形成高密实度、 高强度 的金属零件。

[0028] 3、 本发明一种用于直接 3D打印金属零件的合金粉的制备方法， 利用锡粉作为 连接材料， 在 200-24CTC温度下通过常规分散设备使铝粉均匀包 覆在氧化铁粉的 表面， 简化了和合金粉的制备流程， 提高了材料的均匀性， 使得 3D打印烧结时 金属熔化、 还原反应、 冷却结晶更为稳定。

实施该发明的最佳实施例

本发明的最佳实施方式

[0029] 实施例 1

[0030] 1 ) 将 60重量份的球形微细氧化铁置于高速分散设备� ��， 设置分散设备温度为 2 40°C， 进行 900rpm的高速搅拌分散， 分散时间控制在 10min， 待球形微细氧化铁 受热稳定后， 加入 0. 1重量份的锡粉， 继续搅拌 20分钟使锡粉完全熔化涂敷在球 形微细氧化铁表面；

[0031] 2 ) 将 40重量份的纳米铝加入步骤 1 ) 得到的涂敷球形微细氧化铁， 设置分散设 备温度为 220°C， 真空度设置为 0. 03MPa， 在真空状态下以 400rpm的转速将铝粉 均匀分散粘涂在球形微细氧化铁表面， 分散时间控制在 15min， 得到由铝粉包覆 球形微细氧化铁的合金粉；

[0032] 3 ) 将步骤 2)得到的合金粉送入由在氩气保护的冷却器中� ��行冷却、 筛分得到 直接用于 3D打印金属零件的合金粉。

[0033] 将实施例 1得到的合金粉通过检测： 性能数据如下表：

[] [表 1]

[0034] 通过 3D打印机的喷嘴进行预热至 400°C， 以 20mm/ _S 的扫描速度， 在 850°C激光烧 结时氧化铁转化为铁， 转化的氧化铝作为支撑， 得到一种轴套复杂零件。 通过 测试， 抗拉强度 320MPa， 密度 7. 1 X 10 %g/m ³ ， 硬度为 166HBW。

发明实施例

本发明的实施方式

[0035] 实施例 2

[0036] 1 ) 将 65重量份的球形微细氧化铁置于高速分散设备� ��， 设置分散设备温度为 2 00°C， 进行 1500rpm的高速搅拌分散， 分散时间控制在 15min， 待球形微细氧化 铁受热稳定后， 加入 0. 3重量份的锡粉， 继续搅拌 25分钟使锡粉完全熔化涂敷在 球形微细氧化铁表面；

[0037] 2 ) 将 30重量份的纳米铝加入步骤 1 ) 得到的涂敷球形微细氧化铁， 设置分散设 备温度为 220°C， 真空度设置为 0. 04MPa， 在真空状态下以 800rpm的转速将铝粉 均匀分散粘涂在球形微细氧化铁表面， 分散时间控制在 15min， 得到由铝粉包覆 球形微细氧化铁的合金粉；

[0038] 3 ) 将步骤 2)得到的合金粉送入由氩气保护的冷却器中进� ��冷却、 筛分得到直 接用于 3D打印金属零件的合金粉。

[0039] 将实施例 2得到的合金粉通过检测： 性能数据如下表：

[] [表 2]

[0040] 通过 3D打印机的喷嘴进行预热至 400°C， 以 22mm/ _S 的扫描速度， 在 900°C激光烧 结时氧化铁转化为铁， 转化的氧化铝作为支撑， 得到一种联轴器。 通过测试， 抗拉强度 360MPa， 密度 7. 3 X 10 %g/m ³ ， 硬度为 170HBW。

[0041] 实施例 3

[0042] 1 ) 将 70重量份的球形微细氧化铁置于高速分散设备� ��， 设置分散设备温度为 2 30°C， 进行 lOOOrpm的高速搅拌分散， 分散时间控制在 8min， 待球形微细氧化铁 受热稳定后， 加入 0. 5重量份的锡粉， 继续搅拌 30分钟使锡粉完全熔化涂敷在球 形微细氧化铁表面；

[0043] 2 ) 将 35重量份的纳米铝加入步骤 1 ) 得到的涂敷球形微细氧化铁， 设置分散设 备温度为 180°C， 真空度设置为 0. 05MPa， 在真空状态下以 500rpm的转速将铝粉 均匀分散粘涂在球形微细氧化铁表面， 分散时间控制在 12min， 得到由铝粉包覆 球形微细氧化铁的合金粉；

[0044] 3 ) 将步骤 2)得到的合金粉送入由氩气保护的冷却器中进� ��冷却、 筛分得到直 接用于 3D打印金属零件的合金粉。

[0045] 将实施例 3得到的合金粉通过检测： 性能数据如下表：

[] [表 3]

[0046] 通过 3D打印机的喷嘴进行预热至 400°C， 以 20mm/s的扫描速度， 在 100CTC激光 烧结时氧化铁转化为铁， 转化的氧化铝作为支撑， 得到一种复杂形状的异构压 盖板。 通过测试， 抗拉强度 310MPa， 密度 6. 9 X 10 %g/m ³ ， 硬度为 158HBW。

[0047] 实施例 4

[0048] 1 ) 将 65重量份的球形微细氧化铁置于高速分散设备� ��， 设置分散设备温度为 2 20°C， 进行 1200rpm的高速搅拌分散， 分散时间控制在 10min， 待球形微细氧化 铁受热稳定后， 加入 0. 4重量份的锡粉， 继续搅拌 25分钟使锡粉完全熔化涂敷在 球形微细氧化铁表面；

[0049] 2 ) 将 40重量份的纳米铝加入步骤 1 ) 得到的涂敷球形微细氧化铁， 设置分散设 备温度为 220°C， 真空度设置为 0. 03MPa， 在真空状态下以 450rpm的转速将铝粉 均匀分散粘涂在球形微细氧化铁表面， 分散时间控制在 5min， 得到由铝粉包覆 球形微细氧化铁的合金粉；

[0050] 3 ) 将步骤 2)得到的合金粉送入由氩气保护的冷却器中进� ��冷却、 筛分得到直 接用于 3D打印金属零件的合金粉。

[0051] 将实施例 4得到的合金粉通过检测： 性能数据如下表:

[] [表 4]

[0052] 通过 3D打印机的喷嘴进行预热至 400°C， 以 25mm/ _S 的扫描速度， 在 920°C激光烧 结时氧化铁转化为铁， 转化的氧化铝作为支撑， 得到一种异形套管。 通过测试 ， 抗拉强度 280MPa， 密度 6. 5 X 10 %g/m ³ ， 硬度为 173HBW。

[0053] 实施例 5

[0054] 1 ) 将 60重量份的球形微细氧化铁置于高速分散设备� ��， 设置分散设备温度为 2 40 °C , 进行 1500rpm的高速搅拌分散， 分散时间控制在 15min， 待球形微细氧化 铁受热稳定后， 加入 0. 5重量份的锡粉， 继续搅拌 30分钟使锡粉完全熔化涂敷在 球形微细氧化铁表面；

[0055] 2 ) 将 30重量份的纳米铝加入步骤 1 ) 得到的涂敷球形微细氧化铁， 设置分散设 备温度为 220°C， 真空度设置为 0. 05MPa， 在真空状态下以 400rpm的转速将铝粉 均匀分散粘涂在球形微细氧化铁表面， 分散时间控制在 5-15min， 得到由铝粉包 覆球形微细氧化铁的合金粉；

[0056] 3 ) 将步骤 2)得到的合金粉送入由氩气保护的冷却器中进� ��冷却、 筛分得到直 接用于 3D打印金属零件的合金粉。

[0057] 将实施例 5得到的合金粉通过检测： 性能数据如下表：

[] [表 5]

[0058] 通过 3D打印机的喷嘴进行预热至 400°C， 以 20mm/s的扫描速度， 在 100CTC激光 烧结时氧化铁转化为铁， 转化的氧化铝作为支撑， 得到一种模具。 通过测试， 抗拉强度 296MPa， 密度 6. 4 X 10 %g/m ³ ， 硬度为 157HBW。

工业实用性

[0059] 发明一种用于直接 3D打印金属零件的合金粉， 具有良好的分散性和粉末输送性 ， 通过 3D打印机的喷嘴进行预热至 400°C， 以 20-25mm/s的扫描速度， 在 800-100 0°C激光烧结时氧化铁转化为铁， 转化的氧化铝作为支撑， 产品成型精度提高， 可以用于制备复杂构件的精密金属零件。 打印产品抗拉强度大于 280MPa， 密度 大于 6. 4 X 10 %g/m ³ ， 具有良好的强度和密实度。