Als Hauptverbrauchsmaterial für Metall 3D-Druck, hat Metallpulver einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität von Druckerzeugnissen. Der 3D-Druck von präzisen und komplexen Teilen in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und Medizin stellt hohe Anforderungen an Pulvereigenschaften wie Partikelgröße, Morphologie und Reinheit. Dieses Dokument stellt die grundlegenden Anforderungen und wichtigsten Pulverherstellungsverfahren für mehrere häufig verwendete hochwertige Legierungen auf Nickel- und Kobaltbasis vor Metallpulver aus Titanlegierungen für den 3D-Druck im Luft- und Raumfahrtbereich.

Einführung von 3D-Druckmetallpulvern für die Luft- und Raumfahrt

Im Gegensatz zur herkömmlichen Fertigungstechnologie für Metallmaterialien mit riesigen Anlagen, langen Prozessen, hohem Energieverbrauch, Umweltverschmutzung und geringer Materialausnutzung hat der Metall-3D-Druck die folgenden Vorteile: (1) hohe Gesamtmaterialausnutzung; (2) keine Notwendigkeit, Formen zu öffnen, wenige Herstellungsprozesse und kurze Zykluszeiten; (3) Teile mit komplexen Strukturen können hergestellt werden; (4) Freies Design gemäß den Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften, ohne Berücksichtigung von Herstellungsprozessen. In den letzten Jahren hat sich der Metall-3D-Druck sprunghaft entwickelt.

Der Metall-3D-Druck wird hauptsächlich zur schnellen Herstellung von Modellen für das Industriedesign und die Verarbeitung komplexer Formen sowie zur Herstellung von Kleinserien, komplexen Strukturen, Hochleistungs- und großen Metallkomponenten verwendet. Der Metall-3D-Druck verwendet Metallpulver als Zusatzmaterial und verwendet schnelle Umformverfahren wie selektives Laserschmelzen (SLM), selektives Elektronenstrahlschmelzen (EBSM) oder Laser-Near-Net-Forming (LENS), um sich schnell direkt von einem computergestützten digitalen Modell in umzuwandeln ein solides Teil. Hochwertige 3D-gedruckte Metallteile für Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Medizin, Automobil und Elektronik müssen eine hohe Festigkeit, Maßhaltigkeit, Wasserdichtigkeit und geringes Gewicht aufweisen. Neben der Druckausrüstung hat auch die Qualität des Metallpulvers, einschließlich der Sphärizität und Reinheit des Pulvers, der Partikelgrößenverteilung, des Sauerstoffgehalts, der Fließfähigkeit und der Schüttdichte, einen erheblichen Einfluss auf die Qualitätskontrolle des Metall-3D-Druckprozesses. Dieses Papier konzentriert sich auf die Anforderungen an Metallpulver für hochwertige 3D-gedruckte Teile für Luft- und Raumfahrtanwendungen und die

Dieses Papier konzentriert sich auf die Anforderungen an hochwertige 3D-gedruckte Teile für Luft- und Raumfahrtanwendungen und den Pulveraufbereitungsprozess.

Anforderungen an Metallpulver für hochwertigen 3D-Druck

Metallpulver ist der wichtigste Rohstoff für den 3D-Druck von Metallteilen, und die Pulvereigenschaften sind einer der wichtigsten Faktoren, die die Qualität von 3D-Druckprodukten aus Metall beeinflussen. Pulvermaterialien mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm gelten im Allgemeinen als geeignet für den 3D-Druck, aber hochwertige 3D-gedruckte Metallprodukte haben höhere Anforderungen an die Form, Partikelgröße und Reinheit des Pulvers. Die Haupttypen von 3D-Druckgeräten sind Pulververteilung, koaxiale Pulverzufuhr und seitliche Pulverzufuhr, abhängig von der Pulvernachfüllmethode. Das 3D-Druck-Endteil mit seitlicher Pulverzuführung

Die Form- und Maßhaltigkeit des Endteils ist gering, die Laserenergie kann nicht vollständig ausgenutzt werden und der Leistungsnutzungsgrad ist gering. Daher verwenden hochwertige Metall-3D-Druckgeräte hauptsächlich zwei Arten von Pulvernachfüllmethoden, nämlich Pulververteilung oder koaxiale Pulverzufuhr.

Mehrere wichtige Indikatoren für 3D-gedruckte Metallpulver für die Luft- und Raumfahrt

Reinheit. Keramische Einschlüsse können die Leistung des fertigen Teils erheblich verringern, und diese Einschlüsse haben im Allgemeinen einen hohen Schmelzpunkt und sind schwierig zu sintern, sodass ein Pulver ohne keramische Einschlüsse erforderlich ist. Außerdem muss der Sauerstoff- und Stickstoffgehalt streng kontrolliert werden. Die aktuelle Pulvervorbereitungstechnologie für den Metall-3D-Druck basiert hauptsächlich auf Zerstäubung (einschließlich Techniken wie Aerosolisierung und Rotationselektrodenzerstäubung), bei der das Pulver eine große spezifische Oberfläche hat und leicht oxidiert werden kann. In der Luft- und Raumfahrt und anderen Spezialanwendungen sind die Anforderungen des Kunden an diesen Indikator strenger, wie z. B. der Sauerstoffgehalt von Hochtemperaturlegierungspulver von 0,006% bis 0,018%, der Sauerstoffgehalt von Titanlegierungspulver von 0,007% bis 0,013%, der Sauerstoffgehalt von Edelstahlpulver von 0,010% bis 0,025% (alle Massenanteile). Bei Titanlegierungspulver bilden Stickstoff, Wasserstoff und Titan bei hohen Temperaturen TiN und TiH2, wodurch die Plastizität und Zähigkeit der Titanlegierung verringert werden. Daher sollte die Atmosphäre während der Pulverherstellung streng kontrolliert werden.

Pulverpartikelgrößenverteilung. Unterschiedliche 3D-Druckgeräte und Umformprozesse erfordern unterschiedliche Pulverpartikelgrößenverteilungen. Derzeit beträgt der für den Metall-3D-Druck häufig verwendete Pulverpartikelgrößenbereich 15 ~ 53 μm (feines Pulver), 53 ~ 105 μm (grobes Pulver), in einigen Fällen kann es auf 105 ~ 150 μm (grobes Pulver) gelockert werden. Der 3D-Druck mit der Auswahl der Metallpulverpartikelgröße basiert hauptsächlich auf den verschiedenen Energiequellen der Metalldruckerabteilung, dem Laser als Energiequelle des Druckers, da der Fokuspunkt fein ist und feines Pulver leichter zu schmelzen ist. Der Drucker mit Laser als Energiequelle ist für die Verwendung von 15-53 μm Pulver als Verbrauchsmaterial geeignet, und die Pulvernachfüllmethode besteht darin, Pulver Schicht für Schicht aufzutragen; der Drucker mit dem Elektronenstrahl als Energiequelle eignet sich zur Verwendung von 53–105 μm grobem Pulver als Hauptpulver, da der fokussierte Fleck etwas gröber und besser zum Schmelzen von grobem Pulver geeignet ist; Für den Drucker mit koaxialer Pulverzufuhr kann 105–150 μm Pulver als Verbrauchsmaterial verwendet werden.

Pulvermorphologie. Pulverform und Pulverherstellungsverfahren sind eng miteinander verbunden, im Allgemeinen aus dem Metallgas oder der geschmolzenen Flüssigkeit in Pulver, die Pulverpartikelform neigt dazu, kugelförmig zu sein; aus dem Festkörper in Pulver, Pulverpartikel sind meist unregelmäßig geformt; und durch das Elektrolyseverfahren mit wässriger Lösung von Pulver ist die Herstellung meistens dendritisch. Allgemein gesagt, je höher die Sphärizität, desto besser die Fluidität der Pulverpartikel. Metallpulver für den 3D-Druck erfordert eine Asphärizität von 98% oder mehr, damit sich das Pulver beim Drucken leichter verteilen und zuführen lässt.

Pulverfließfähigkeit und lose Packungsdichte. Die Pulverfließfähigkeit wirkt sich direkt auf die Gleichmäßigkeit der Pulverablage und die Stabilität des Pulverzufuhrprozesses während des Druckens aus. Die Fließfähigkeit hängt mit der Pulvermorphologie, der Partikelgrößenverteilung und der Schüttdichte zusammen.

Je größer die Pulverpartikel sind, desto größer sind die Partikelgrößenverteilung und die Dichte des Pulvers. Je größer die Pulverpartikel, je regelmäßiger die Partikelform und je geringer der Anteil an Feinstpulver in der Korngrößenzusammensetzung, desto besser die Rieselfähigkeit. Die Dichte der Partikel bleibt gleich, aber die relative Dichte nimmt zu und die Fließfähigkeit des Pulvers nimmt zu. Die Partikeloberflächenadsorption von Wasser, Gas usw. verringert die Pulvermobilität. Die lose Packungsdichte ist die natürlich mit dem angegebenen Behälter gefüllte Pulverprobe, die Masse des Pulvers pro Volumeneinheit. Im Allgemeinen gilt: Je gröber die Pulvergröße, desto höher die Schüttdichte, und je gröber und feiner das Pulver, desto höher die Schüttdichte. Die Auswirkung der Schüttdichte auf die Dichte des endgültigen Metalldruckprodukts ist nicht schlüssig, aber eine Erhöhung der Schüttdichte verbessert das Fließen des Pulvers.

Die 3D-Drucktechnologie eignet sich für eine Vielzahl von Materialien, ein breites Anwendungsspektrum, eine hohe Materialbildungsrate und ist in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung einer aufstrebenden Materialherstellungstechnologie. Der Metall-3D-Druck als wichtiger Bestandteil des 3D-Drucks wird von einschlägigen Universitäten, Forschungsinstituten und Unternehmen hoch geschätzt und untersucht. Metallpulver ist ein wichtiges Verbrauchsmaterial für den Metall-3D-Druck und wurde erfolgreich in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt.