增材制造球形金属粉末的制备与表征
作者单位：重庆科技学院
学位级别：硕士
导师姓名：戴庆伟;杨春楣
授予年度：2023年
学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）]
摘 要：随着资源与环境的发展,资源重复利用率以及环境友好性成为日益关注的话题。3D打印作为一种更加高效、绿色的生产方式而备受关注,其对粉末的粒径分布、松装密度、氧含量、流动性等性能要求较高,但适用的金属粉末种类受限,目前还没有形成一个行业性的标准。气雾化法同水雾化法相比,制备的金属粉末球形度高,但还存在细粉率低,成本较高等问题。工厂里通过“限制式喷嘴进行雾化,但金属熔液容易反喷和堵塞,影响生产效率。亟待研发一种简易高效的雾化喷嘴及装置以解决反喷和堵包问题,并摸索出一套高纯度、低细粉率粉末制备方法。本文分析了多种气雾化原理,并进行可行性实验,通过计算机辅助设计出环形雾化喷嘴,搭建雾化平台,采用单因素变量法制备了AlSi12粉末,通过激光粒径仪、扫描电子显微镜分析了AlSi12粉末粒径以及形貌,研究了不同类型雾化喷嘴中雾化参数(熔体温度、导流管直径、雾化气体压力)对AlSi12粉末粒径以及球形度的影响,并将粉末用于3D打印,探究了球形度比例以及粒径范围对3D打印AlSi12成形件组织以及性能的影响。主要研究结果如下:使用不同类型雾化喷嘴进行雾化时,制备的AlSi12粉末物相一致,皆为Al相和Si相,无氧化物相产生,表明粉末氧化不严重。熔体温度对不同类型雾化喷嘴中AlSi12粉末粒径、球形度存在影响,随着熔体温度的增加,单向雾化喷嘴中粉末中位粒径D分别为56.9μm、54.7μm、61.5μm、51.4μm,粉末粒径D曲线呈波浪形,主要因为杂质以及气流速率影响。环形雾化喷嘴中粉末中位粒径D分别为67.2μm、60.6μm、60.6μm、62.5μm,D曲线波动幅度不大,主要因为随着环形雾化喷嘴中气流量增加,导流管口处冷却速率增加,进而熔体冷却速率增加,熔体实际温度低于目标温度,熔体粘度的影响降低,以及环形喷嘴中喷头与导流管夹角过大,雾化存在优先级,导致粉末粒径变化不大。在不同类型雾化喷嘴中,球形度随温度升高而降低。导流管直径对粉末粒径、球形度存在影响,随着导流管直径增加,通过单向雾化喷嘴制备的粉末D分别为54.7μm、57.5μm、51.3μm、44.2μm,受氧化物及杂质影响,粉末粒径D曲线先上升后下降,粉末球形度先降低后维持不变。环形雾化喷嘴条件下,制备出粉末D分别为67.2μm、63.2μm、56.8μm,粉末粒径D曲线上升,球形度下降8%。雾化压力影响粉末粒径、球形度,随着雾化压力增加,单向雾化喷嘴中粉末D分别为68.5μm、56.9μm、59.6μm,粒径D曲线呈下降趋势。环形雾化喷嘴中制备出粉末D分别为58.7μm、58.1μm、57.0μm、60.6μm,粉末粒径D曲线波动不大。主要因为环形雾化喷嘴中喷头与竖直方向(z轴)导流管夹角过大,处于同轴线上的两个喷头产生的高速气流会在导流管下方碰撞,根据伯努利方程,等高条件时,气体流速越大,该处压强越小,在导流管下方容易形成负压区,雾化压力越大,导致雾化喷嘴气流量越大,单位面积内气体流速越快,该处压强越小,熔体流量越大,质流比保持不变,因此,随着雾化压力增加,粒径无明显变化。单向喷嘴中粉末球形度先持平后增加,而环形雾化喷嘴中球形度在7%浮动。主要因为在环形喷嘴中,熔体被雾化后,在飞行过程中受到其他喷嘴的阻挡,一部分熔体会在其他喷嘴上凝固,使球形度变化不稳定。使用单向雾化喷嘴更利于制备较细粉末,而在较低温度下,使用环形雾化喷嘴,粉末球形度更高,较高雾化压力以及较低导流管直径时,使用单向雾化喷嘴能更好的控制质流比,提升雾化效果以及球形度。将粉末处理后用于SLM打印,研究了不同球形度以及不同粒径范围粉末对组织性能的影响。拉伸试样中孔隙率随球形度的降低而减小,随粒径范围扩大而增加。随着球形度增加,熔池形貌逐渐由波纹状变为鱼鳞状,主要与单位质量金属粉末所吸收能有关。使用23-45μm粉末打印时,熔化轨迹连续。随着球形度增加,试样屈服强度降低30MPa,延伸率增加一倍,主要因为添加非球形度粉末后,韧窝中开始出现撕裂棱,对材料的延伸率产生影响。使用较宽粒径范围粉末打印后,极限强度下降30-40MPa,延伸率增加3%,主要因为粉末中的细小颗粒引起了更快的熔化,延长了熔池寿命,产生了更粗的晶粒结构,降低了强度。
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