3D打印机用的金属粉末及其制备方法

技术领域：

本发明涉及 3D打印机所有原料技术领域，具体涉及一种用� �� 3D打印机的金属粉末 及其制备方法。 该金属粉末是由许多亚微米级的金属粒子组成 的平均粒径为 10-50微米 的金属粉末。

背景技术：

3D打印技术目前已成为全球最关注的新兴技术� ��一。这种新型的生产方式与其他数 字化生产模式一起将推动第三次工业革命的实 现。制约 3D 打印技术迅速发展的其中一 大瓶颈是打印材料， 特别是金属打印材料。 研发和生产性能更好和通用性更强的金属材 料是提升 3D打印技术的关键。 在高性能金属构件直接采用 3D打印技术制造方面， 需 要粒径细、 粒径均匀、 高球形度、 低氧含量的各类金属粉末。 目前高端的金属粉末主要 依赖进口。 而国外厂商常将原材料与设备捆绑高价销量， 极大地制约了我国的金属 3D 打印技术的发展。

金属粉末的制备方法主要有雾化法、 旋转电极法等。 其中采用真空雾化法制备的金 属粉末具有球形度高、 成分均匀、 氧含量低等特点， 受到广泛应用。 雾化法制备的金属 粉末的平均粒径受到限制， 平均粒径在 10-50微米， 并且细粉得率低， 目前还无法采用 雾化法来制备亚微米级金属粉末。 一般来讲， 金属粉末粒径越小， 熔融速度越快， 可以 提高打印速度和精度。但当金属粉末粒径达到 亚微米级 (粒度直径 1 00ηΓΠ〜1 .0μ m)时， 金属粉末的分散性变差， 导致金属粉末输送困难， 限制了亚微米级的金属粉末在 3D打 印制造中的应用。 如何获得一种适合于 3D打印制造中的金属粉是 3D打印技术的关键 问题之一。

发明内容：

本发明针对现有技术的上述不足， 提供一种使金属粉末既具有亚微米粒子的各种 优 点， 又具有雾化金属粉末的分散性和输送性的 3D打印机用的金属粉末。

为了解决上述技术问题， 本发明采用的技术方案为： 一种 3D打印机用的金属粉末， 该金属粉末为先采用物理气相沉积法或化学气 相沉积法制备亚微米级金属粉末，所得的 亚微米级金属粉末的平均粒径为 0.1-3微米；该平均粒径为 0.1-3微米的亚微米级金属粉 末通过造粒团聚成平均粒径 10-50微米 3D打印机用的的金属粉末。

本发明上述的 3D打印机用的金属粉末种类可以是纯金属粉或� ��金粉。 本发明还提供一种 3D打印机用的金属粉末的制备方法， 具体制备步骤包括：

( 1 ) 先采用物理气相沉积法或化学气相沉积法制备 出亚微米级金属粉末， 所得的 亚微米级金属粉末的平均粒径为 0.1-3微米；

(2) 将步骤 （1 ) 所得的平均粒径为 0.1-3微米的亚微米级金属粉末与液体混合、 配制成金属粉浆料； 上述金属粉浆料的亚微米级金属粉末与液体的 重量比（即固液重量 比） 为 0.25-2.0:1 ;

(3 )在步骤（2)所得的金属粉浆料中加入亚微米级 金属粉末（固体）重量 0.1-10% 的有机粘合剂， 搅拌混合均匀；

( 4)将步骤（3 )搅拌混合均匀的浆料通过离心喷雾造粒机（� �心喷雾造粒器或称 离心造粒喷雾干燥机） 或压力喷雾造粒机 （压力喷雾造粒器或称压力喷雾干燥造粒机） 制备成球形、 平均粒径为 10-50微米的 3D打印用的金属粉末。

上述步骤 （4) 3D打印用的金属粉末的平均直径的获得可以通� ��调节离心喷雾的转 速或压力喷雾的压力和其他控制参数以及浆料 的固液比等得到所需的金属粉末大小； 为 了实现上述粒径的产品， 本发明步骤 （4 ) 所述的离心喷雾造粒机的转速控制在 10000-40000转 /分； 压力喷雾造粒机的压力为 6-30kg/cm ² (即 0. 6-3兆帕）； 对上述二 种造粒机器涉及到的工艺参数即操作参数（即 压力喷雾造粒机和离心喷雾造粒机均适用 的操作参数） 可控制在： 干燥空气的进口温度为 200-350 °C、 干燥空气的出口温度为 80-150°C _; 干燥空气的流量为 100-300 Nm ³ /h (标方每小时即指标准状况下的体积流量）； 金属粉浆料在压力喷雾造粒机或离心喷雾造粒 机的进料速度为 5-20kg/h。

作为优选， 本发明步骤（1 )所述的亚微米级金属粉末的平均粒径为 0.5-2微米， 采 用该粒径的金属粉， 再进行造粒工艺团聚过程， 更利于各亚微米级金属粉末彼此之间的 团聚， 结构更加稳固。

作为优选， 本发明步骤（4)所述的 3D打印机用的金属粉末其平均粒径为 20-30微 米， 采用该粒径范围的金属粉末， 更利于在 3D打印机上的应用。

作为优选， 本发明所述的金属粉末可以为钛、镍、铜等纯 金属粉， 也可以是镍基合金粉， 例如 NiCr21Fel8Mo9 、 NiCrl9Nb5Mo3等； 钛基合金粉， 例如 Ti6A14V ； 铝基合金 粉， 例如 Al-SilOMg 、 A1SU2等； 铁基合金粉， 例如 GP1-不锈钢、 316 L等以及可用 于 3D打印的其他金属粉， 例如 Co28Cr6Mo 、 CoCr-2LC 。

本发明上述步骤 （2) 中所述的液体可以是水、 乙醇或者其他有机溶液 （如异丙醇， 甲醇等）。 本发明上述的有机粘合剂如聚乙烯醇、 乙基纤维素或者专用的金属矿粉造粒粘合剂 等 （如保定京素生物科技有限公司生产的型号为 ： HY-1的冶金矿粉球团粘合剂、 型号：

G-S的钢渣粉球团粘合剂等）。

本发明的优点和有益效果：

1.本发明 3D打印机用的金属粉末， 采用的是将亚微米级（粒径为 0.1-3微米）金属 粉末通过造粒工艺团聚成平均粒径 10-50微米的金属粉末而成， 不是一个完整的一体化 的金属粉末， 而是有多个亚微米级的金属粉末彼此粘结团聚 而成， 因此， 该 3D打印机 用的金属粉末既具有亚微米粒子的各种优点 （如球形度高、 成分均匀、 氧含量低）， 又 具有雾化金属粉末的分散性和输送性， 因此， 解决了亚微米级金属粉末在 3D打印中分 散和输送困难的问题， 使亚微米级的金属粉末在 3D 打印技术中的应用成为可能， 本发 明的实施使得 3D 打印技术得到进一步的发展。

2.本发明 3D打印机用的金属粉末的制备方法， 采用在金属粉浆料里添加固体重量 0.1-5 %的有机粘合剂， 金属粉浆料通过离心喷雾造粒机、压力喷雾造 粒机或其他造粒设 备制备成球形状的、 平均直径在 10-50微米的金属粉末工艺。 金属粉末的平均直径可以 通过调节离心喷雾的转速或压力喷雾的压力以 及浆料的固液比得到所需的金属粉末大 小。 特别是调节浆料的固液比， 可以得到较小的金属粉末。 经过本发明实验可得在相同 的离心喷雾的转速下或相同的压力喷雾的压力 下， 固液比小的金属粉浆料可以得到较小 金属粉末， 这是因为在相同的转速下， 喷出的液滴直径相当， 由于在液滴中的金属粉粒 含量少， 液滴经过干燥， 较少的金属粉粒收缩成较小直径的金属粉末因 此， 本发明选用 0.25-2.0的固液比成功实现制备上述平均直径在 10-50微米金属粉体的技术效果。 通过 这种造粒方法， 可以得到比雾化的金属粉更小的粉末。 然后金属粉末通过分筛机， 除去 未成团的散粉和超大的粉团， 得到所需大小的金属粉末。 这种金属粉末既具有亚微米粒 子的各种优点， 又具有雾化金属粉末的分散性和输送性， 能够使亚微米的金属粉在现有 3D打印设备得到应用。

附图说明

图 1 亚微米级金属粉末的扫描电镜图。

图 2 3D打印机用的金属粉末 （I) 扫描电镜图。

图 3 平均粒径 1.0微米的铜基合金粉扫描电镜图。

图 4 平均粒径 40微米的铜基合金粉末扫描电镜图。 图 5 平均粒径 0.5微米的钛基合金粉扫描电镜图。

图 6 平均粒径 45微米的钛基合金粉末扫描电镜图。

图 7 平均粒径 0.25微米的镍基合金粉扫描电镜图。

图 8 平均粒径 30微米的镍基合金粉末扫描电镜图。

图 9 平均粒径 0.5微米的纯金属镍粉扫描电镜图。

图 10 平均粒径 40微米的纯金属镍粉末扫描电镜图。

图 11 3D打印机用的金属粉末 （II) 扫描电镜图。

具体实 51^式

下面通过实施例进一步详细描述本发明， 但本发明不仅仅局限于以下实施例。 本发明涉及到的设备如压力喷雾造粒机或离心 喷雾造粒机等均为市售产品，具体工 作原理为： 料液通过泵输入， 喷出雾状液滴， 然后同热空气 （干燥空气） 并流下降， 粉 粒由塔底排料口收集， 废气及其微小粉末经过旋风分离器分离， 废气由抽风机排出， 粉 末由设在旋风分离器下端的粉筒收集， 风机出口处还可装备二级除尘装置， 按产品规格 要求调节压力、 流量、 喷孔的大小， 得到所需的按一定大小比例的球形颗粒。

实施例 1

采用物理气相沉积法： 将作为原料的铜基合金在坩埚中溶解， 气体 （氢气、 氩气、 氮气等）从等离子体转移弧炬中的进气管进入 、 通过外加电源被等离子化， 在坩埚和等 离子体转移弧炬之间产生等离子体转移弧（即 等离子体转移弧炬产生的等离子体转移弧 下端与坩埚中的金属液面相接）； 金属通过等离子体转移弧被蒸发、 汽化； 金属蒸气通 过聚冷管道， 将室温的惰性气体或氮气高速加入到金属蒸气 中， 使金属蒸气温度降到

30CTC以下， 得到平均粒径为 1.0微米的铜基合金粉 (图 3) (上述物理气相沉积法为行业 常规方法， 在此步骤详细赘述）； 然后与乙醇配成固液比为 1.5:1的金属粉浆料。 有机粘 合剂 （聚乙烯醇） 的重量为固体重量的 2%。 通过离心喷雾造粒器把金属粉浆料制备成 球形状的金属粉末。离心喷雾造粒器的转速控 制在 12000转 /分，离心喷雾造粒器的干燥 空气的进口温度为 200 °C， 出口温度为 90°C， 干燥空气流量为 220Nm ³ /h。 金属粉浆料 的进料速度为 12kg/h。 干燥造粒后的金属粉末通过旋风器收集， 超细的金属粉末通过滤 袋收集。 旋风器收集的金属粉末用振动筛分级， 得到平均粒径为 40微米的金属粉末 (图 4)。 滤袋收集的金属粉末和分筛踢除的金属粉末回 收再制备成金属粉浆料。

实施例 2: 采用物理气相沉积法生产的平均粒径为 0.5微米的钛基合金粉 (图 5)，与水配成固液 比为 2:1的金属粉浆料。有机粘合剂（乙基纤维素） 的重量为固体重量的 1.5 %。通过离 心喷雾造粒器把金属粉浆料制备成球形状的金 属粉末。 离心喷雾造粒机的转速控制在

12000 转 /分， 干燥空气的进口温度为 350°C， 出口温度为 120°C， 干燥空气流量为 250Nm ³ /h。 金属粉浆料的进料速度为 10kg/h。 干燥造粒后的金属粉末通过旋风器收集， 超细的金属粉末通过滤袋收集。 旋风器收集的金属粉末用振动筛分级， 得到平均粒径为 45微米的金属粉末 (图 6)。 滤袋收集的金属粉末和分筛踢除的金属粉末回 收再制备成金 属粉浆料。

实施例 3:

采用物理气相沉积法生产的平均粒径为 0.25微米的镍基合金粉 (图 7)， 与乙醇配成 固液比为 1:1的金属粉浆料。 有机粘合剂 （保定京素生物科技有限公司生产的型号为： HY-1的冶金矿粉球团粘合剂） 的重量为固体重量的 1.5 %。 通过离心喷雾造粒器把金属 粉浆料制备成球形状的金属粉末。离心喷雾的 转速控制在 25000转 /分，干燥空气的进口 温度为 200°C， 出口温度为 90°C， 干燥空气流量为 220Nm ³ /h。 金属粉浆料的进料速度 为 10kg/h。 干燥造粒后的金属粉末通过旋风器收集， 超细的金属粉末通过滤袋收集。 旋 风器收集的金属粉末用振动筛分级， 得到平均粒径为 30微米的金属粉末 (图 8)。 滤袋收 集的金属粉末和分筛踢除的金属粉末回收再制 备成金属粉浆料。

实施例 4:

采用物理气相沉积法生产的平均粒径为 0.5微米的纯金属镍粉 (图 9)，与甲醇配成固 液比为 1.5:1的金属粉浆料。有机粘合剂的重量为固体� ��量的 1.0%。通过压力喷雾造粒 器把金属粉浆料制备成球形状的金属粉末。压 力喷雾的压力控制在 15kg/cm ² ， 干燥空气 的进口温度为 250°C， 出口温度为 95°C， 干燥空气流量为 250Nm ³ /h。 金属粉浆料的进 料速度为 12kg/h。干燥造粒后的金属粉末通过旋风器收集 ， 超细的金属粉末通过滤袋收 集。 旋风器收集的金属粉末用振动筛分级， 得到平均粒径为 40微米的金属粉末 (图 10)。 滤袋收集的金属粉末和分筛踢除的金属粉末回 收再制备成金属粉浆料。

上述实施例制备的 3D打印机用金属粉末， 从附图可以得知， 其结构不是一个完整 的一体化的金属粉末，而是有多个亚微米级的 金属粉末彼此粘结团聚而成， 因此，该 3D 打印机用的金属粉末既具有亚微米粒子的各种 优点（如球形度高、成分均匀、氧含量低）， 又具有雾化金属粉末的分散性和输送性。 将上述实施例制备的 3D打印机用金属粉末用于 3D打印， 3D打印机用金属粉末通 过 3D打印机的喷嘴喷撒到具有防护性气体的防护� ��中的加热模型工作台上逐层打印， 形成 3D打印产品； 在喷嘴喷撒过程具有分散性好， 金属粉末输送顺利的优点， 在逐层 打印过程充分保证相接处的每层金属粉末的接 触面积增大， 粘结紧固。