一种用于直接3d打印金属零件的合金粉及其制备方法
【技术领域】
[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成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造技术，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不高、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： 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 根据上述，3D打印金属粉末通过间接粘接的方法制造金属制品的致密性较低，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。
【发明内容】
[0008] 针对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 的缺陷，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。
[0009] -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： 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，纳米错的重量份为30-40份，锡粉的重量份为0. 1-0. 5份。
[0010] 所述的氧化铁平均粒径500nm，纯度99. 9%，比表面积50-80m2/g，呈球形晶相。
[0011] 所述的纳米铝平均粒径10_20nm，纯度99. 9%，比表面积90-120m2/g。
[0012] 所述的锡粉平均粒径10 μ m，纯度99. 5%以上。
[0013] 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。
[0014] 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： 1) 将60-70重量份的球形微细氧化铁置于高速分散设备中，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，加入〇. 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； 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400-800rpm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5-15min，得到由铝粉包覆球形微细 氧化铁的合金粉； 3) 将步骤2)得到的合金粉送入由氩气保护的冷却器中进行冷却、筛分得到直接用于 3D打印金属零件的合金粉。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017