技术领域
[0001] 本
发明属于3D打印制造领域,具体涉及一种用于3D打印制造的铝粉,并进一步涉及该铝粉的制备方法。
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,对于加快先进制造业发展、促进工业转型升级具有重要的引领作用。随着高端制造业的发展,目前3D打印制造技术受到高度关注,与
机器人技术、
人工智能技术一起被称为推动第三次工业革命的关键技术。
[0003] 由于3D打印制造技术完全改变了产品的成型方式和原理,是对传统制造模式的颠覆,因此材料
瓶颈成为限制3D打印发展的问题,也是3D 打印突破创新的关键点和难点所在。目前,3D打印技术中常用的材料是塑料材料,利用塑料材料热塑性可熔融的特性,在熔融状态下,从喷头处
挤压出来,通过
凝固层层
叠加最终形成产品。由于塑料材料良好的热流动性、快速冷却粘接性、较高的机械强度,在3D打印制造领域得到快速的应用和发展。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。
[0004]
金属粉末作为3D打印原料,主要采用高功率的
能量束如激光、
电子束作为热源,使粉末材料进行选区
熔化,冷却结晶后形成堆积层连续成型,形成最终产品。由于金属粉末熔化
温度高,容易
氧化,影响制品的强度,且激光熔化后的材料凝固会造成金属体积收缩,造成巨大的材料热应
力,严重影响材料强度。另外,由于金属粉末粒径和分布的影响,冷却结晶过程复杂,结晶过程很难定量控制,一旦出现晶体粗大、枝晶等必将造成材料成型后的力学性能降低的问题,最终结果就是关键构件没办法获得实际应用。中国发明
专利CN103862040A公开了一种用于3D打印的镁基金属粉末材料,以包裹有松香包膜的镁粉为基本材料,以包裹有松香
薄膜的镍粉为
支撑材料,以铝粉为中间材料,通过混合搅拌而成。为了得到高强度的
合金器件,采用了多种金属共混的方法。
[0005] 中国发明专利CN103801704A公开了一种用于3D打印的
铜粉,采用氩气保护炉熔炼TU0无氧铜至1250~1400℃,通过炉底吹氩来去除熔融铜液内的夹杂,使铜液完全熔化并温度均匀。通过漏包
坩埚和
导流嘴流经气
雾化喷嘴,形成小液滴,得到的铜粉球形较好,但粒径较大,因此在用于3D打印制造时熔融温度高,难以控制。
[0006] 根据上述,目前在3D打印制造应用的金属粉末,存在着熔融温度高、粒径大、氧含量高、球形度差、成分均匀性差以及粒度分布不佳等问题。因此金属粉由于粗细不均匀,熔化不均,在凝固时会造成体积收缩,造成材料结构
缺陷,强度受损。
发明内容
[0007] 针对目前3D打印金属粉末粒径粗、分布不均匀、含氧量高、熔化温度高的缺陷,本发明提出一种用于3D打印的铝粉。该铝粉是以白
炭黑为载体,在
真空条件下,将铝在680℃熔融后,停留在白炭黑的空隙中,通过氩气保护
研磨形成球形铝粉,使球形铝粉含氧率降低,防止氧化铝对铝的融化造成影响,通过
单体在铝粉表面包覆聚合,从而使铝粉用于3D打印制造。进一步提供用于3D打印铝粉的制备方法。
[0008] 一种用于3D打印的铝粉,是通过如下技术方案实现的:
[0009] 一种用于3D打印的铝粉,其特征是:以白炭黑为载体,白炭黑与铝的
质量配比为1:300-500,金属铝熔融停留在白炭黑的空隙中,通过研磨细化得到平均粒径在50-100nm、球形度为0.75以上球形铝粉,球形铝粉表面包覆单体并聚合,可用于3D打印制造。
[0010] 所述白炭黑的孔径为100-150nm。
[0011] 所述的单体为
丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、苯乙烯中的至少一种。
[0012] 本发明一种用于3D打印的铝粉的制备方法,其特征是按照如下方式进行:
[0013] 1)将纯度为99.5%以上的金属铝置于真空炉中,在680℃熔融后,按照白炭黑与铝的质量配比为1:300-500将白炭黑加入真空炉,维持真空,以50-100rpm的转速将白炭黑与熔融铝分散3-5min,使熔融铝停留在白炭黑的多孔的空隙中;
[0014] 2)将步骤1)得到的熔融铝-白炭黑复合物冷却后,在氩气保护下进行研磨,以白炭黑100-150nm的孔径作为铝粉成粒的隔离膜,不但易于研磨
粉碎分散,而且得到的铝粉粒径分布均匀,氧含量低;
[0015] 3)将步骤2)得到的铝粉100重量份、0.5-1.0重量份的单体加入反应混合器,温度升至80-120℃,以400-900rpm的高速搅拌分散15-20分钟,然后加入0.008-0.01重量份的引发剂,所述的单体为丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、苯乙烯中的至少一种,所述的引发剂选用2,3-二苯基丁腈,在引发剂的作用下,单体在铝粉表面聚合形成一层包膜,聚合包覆铝粉,得到一种用于3D打印的铝粉。
[0016] 本发明一种用于3D打印的铝粉,通过白炭黑100-150nm的孔径作为铝粉成粒的隔离膜,使得铝粉易于研磨粉碎,得到的铝粉为
纳米级,粒径分布均匀,球形度为0.75以上,为了使纳米级铝粉充分分散和具有粘接性,采用了液状单体分散、包覆铝粉表面并聚合。得到的铝粉熔化温度低,熔化均匀,用于3D打印制造时金属内部组织均匀,产品成型
精度提高,可以用于制备复杂构件的精密金属制品;铝粉表面通过聚合包覆薄层粘接剂,有效防止被氧化,从而使铝粉用于3D打印制造具有高流动性和良好的热粘接成型性,含氧量低于323ppm,在135℃以下条件下铝粉表面包覆的
聚合物熔化并浸润铝粉颗粒,实现低温打印。
[0017] 本发明一种用于3D打印的铝粉及其制备方法,与
现有技术相比,其突出的特点和优异的效果在于:
[0018] 1、本发明一种用于3D打印的铝粉,以白炭黑为载体,平均粒径在50-100nm、球形度为0.75以上,球形铝粉表面包覆单体并聚合,可用于3D打印制造。
[0019] 2、本发明一种用于3D打印的铝粉,粒径达到纳米级,粒径分布均匀,因此熔化温度低,熔化均匀,用于3D打印制造时金属内部组织均匀,产品成型精度提高,可以用于制备复杂构件的精密金属制品。
[0020] 3、本发明一种用于3D打印的铝粉,铝粉表面通过聚合包覆薄层粘接剂,有效防止被氧化,从而使铝粉用于3D打印制造具有高流动性和良好的热粘接成型性,力学性能优异。
[0021] 4、本发明一种用于3D打印的铝粉的制备方法,通过白炭黑100-150nm的孔径作为铝粉成粒的隔离膜,使得铝粉易于研磨粉碎,得到的铝粉粒径分布均匀,球度高,通过单体在铝粉表面包覆聚合,包覆完全,包覆层薄,大幅减少了粘接剂对金属制品强度的影响。
具体实施方式
[0022] 以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明,但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
[0024] 1)将纯度为99.5%以上的金属铝置于真空炉中,在680℃熔融后,按照白炭黑与铝的质量配比为1:300将白炭黑加入真空炉,维持真空,以50rpm的转速将白炭黑与熔融铝分散5min,使熔融铝停留在白炭黑的多孔的空隙中;
[0025] 2)将步骤1)得到的熔融铝-白炭黑复合物冷却后,在氩气保护下进行研磨,以白炭黑100-150nm的孔径作为铝粉成粒的隔离膜,不但易于研磨粉碎分散,而且得到的铝粉粒径分布均匀,氧含量低;
[0026] 3)将步骤2)得到的铝粉100重量份、0.5重量份的丙烯酸酯加入反应混合器,温度升至80℃,以400rpm的高速搅拌分散15分钟,然后加入0.008重量份的引发剂2,3-二苯基丁腈,在引发剂的作用下,丙烯酸酯在铝粉表面聚合形成一层包膜,聚合包覆铝粉,得到一种用于3D打印的铝粉。
[0027] 将实施例1得到的铝粉通过检测:性能数据如下表: 检验项目 检测结果
平均粒径 82nm
球度(80%) ≥0.86
含氧量 323ppm
粉末流动性(BEF) 25mJ
熔化温度 125℃
硬度 75HRB
[0028] 通过3D
打印机的喷嘴进行打印,在125℃条件下铝粉表面包覆的聚合物熔化并浸润铝粉颗粒,冷却凝固后将铝粉颗粒粘接形成金属柸件,通过后期
烧结,将聚合物分解,铝粉逐步熔化
固化形成铝质金属件。由于铝粉粒径细小、分布均匀,因此熔化温度低,熔化均匀,用于3D打印制造时金属铝件内部组织均匀,产品成型精度提高。
[0029] 实施例2
[0030] 1)将纯度为99.5%以上的金属铝置于真空炉中,在680℃熔融后,按照白炭黑与铝的质量配比为1:400将白炭黑加入真空炉,维持真空,以100rpm的转速将白炭黑与熔融铝分散5min,使熔融铝停留在白炭黑的多孔的空隙中;
[0031] 2)将步骤1)得到的熔融铝-白炭黑复合物冷却后,在氩气保护下进行研磨,以白炭黑100-150nm的孔径作为铝粉成粒的隔离膜,不但易于研磨粉碎分散,而且得到的铝粉粒径分布均匀,氧含量低;
[0032] 3)将步骤2)得到的铝粉100重量份、0.5重量份的甲基丙烯酸酯加入反应混合器,温度升至80℃,以900rpm的高速搅拌分散20分钟,然后加入0.01重量份的引发剂2,3-二苯基丁腈,在引发剂的作用下,单体在铝粉表面聚合形成一层包膜,聚合包覆铝粉,得到一种用于3D打印的铝粉。
[0033] 将实施例2得到的铝粉通过检测:性能数据如下表: 检验项目 检测结果
平均粒径 64nm
球度(80%) ≥0.78
含氧量 246ppm
粉末流动性(BEF) 21mJ
熔化温度 135℃
硬度 78HRB
[0034] 通过
3D打印机的喷嘴进行打印,在135℃条件下铝粉表面包覆的聚合物熔化并浸润铝粉颗粒,冷却凝固后将铝粉颗粒粘接形成金属柸件,通过后期烧结,将聚合物分解,铝粉逐步熔化固化形成铝质金属件。由于铝粉粒径细小、分布均匀,因此熔化温度低,熔化均匀,用于3D打印制造时金属铝件内部组织均匀,产品成型精度提高。
[0035] 实施例3
[0036] 1)将纯度为99.5%以上的金属铝置于真空炉中,在680℃熔融后,按照白炭黑与铝的质量配比为1:500将白炭黑加入真空炉,维持真空,以80rpm的转速将白炭黑与熔融铝分散3-5min,使熔融铝停留在白炭黑的多孔的空隙中;
[0037] 2)将步骤1)得到的熔融铝-白炭黑复合物冷却后,在氩气保护下进行研磨,以白炭黑100-150nm的孔径作为铝粉成粒的隔离膜,不但易于研磨粉碎分散,而且得到的铝粉粒径分布均匀,氧含量低;
[0038] 3)将步骤2)得到的铝粉100重量份、0.5重量份的苯乙烯加入反应混合器,温度升至100℃,以400rpm的高速搅拌分散15分钟,然后加入0.01重量份的引发剂2,3-二苯基丁腈,在引发剂的作用下,单体在铝粉表面聚合形成一层包膜,聚合包覆铝粉,得到一种用于3D打印的铝粉。
[0039] 将实施例1得到的铝粉通过检测:性能数据如下表: 检验项目 检测结果
平均粒径 60nm
球度(80%) ≥0.79
含氧量 180ppm
粉末流动性(BEF) 31mJ
熔化温度 115℃
硬度 72HRB
[0040] 通过3D打印机的喷嘴进行打印,在115℃条件下铝粉表面包覆的聚合物熔化并浸润铝粉颗粒,冷却凝固后将铝粉颗粒粘接形成金属柸件,通过后期烧结,将聚合物分解,铝粉逐步熔化固化形成铝质金属件。由于铝粉粒径细小、分布均匀,因此熔化温度低,熔化均匀,用于3D打印制造时金属铝件内部组织均匀,产品成型精度提高。
[0041] 实施例4
[0042] 1)将纯度为99.5%以上的金属铝置于真空炉中,在680℃熔融后,按照白炭黑与铝的质量配比为1:450将白炭黑加入真空炉,维持真空,以50rpm的转速将白炭黑与熔融铝分散3min,使熔融铝停留在白炭黑的多孔的空隙中;
[0043] 2)将步骤1)得到的熔融铝-白炭黑复合物冷却后,在氩气保护下进行研磨,以白炭黑100-150nm的孔径作为铝粉成粒的隔离膜,不但易于研磨粉碎分散,而且得到的铝粉粒径分布均匀,氧含量低;
[0044] 3)将步骤2)得到的铝粉100重量份、0.8重量份的甲基丙烯酸酯加入反应混合器,温度升至120℃,以800rpm的高速搅拌分散18分钟,然后加入0.008重量份的引发剂2,3-二苯基丁腈,在引发剂的作用下,单体在铝粉表面聚合形成一层包膜,聚合包覆铝粉,得到一种用于3D打印的铝粉。
[0045] 将实施例1得到的铝粉通过检测:性能数据如下表: 检验项目 检测结果
平均粒径 100nm
球度(80%) ≥0.91
含氧量 361ppm
粉末流动性(BEF) 20mJ
熔化温度 130℃
硬度 81HRB
[0046] 通过3D打印机的喷嘴进行打印,在130℃条件下铝粉表面包覆的聚合物熔化并浸润铝粉颗粒,冷却凝固后将铝粉颗粒粘接形成金属柸件,通过后期烧结,将聚合物分解,铝粉逐步熔化固化形成铝质金属件。由于铝粉粒径细小、分布均匀,因此熔化温度低,熔化均匀,用于3D打印制造时金属铝件内部组织均匀,产品成型精度提高。
[0047] 实施例5
[0048] 1)将纯度为99.5%以上的金属铝置于真空炉中,在680℃熔融后,按照白炭黑与铝的质量配比为1:500将白炭黑加入真空炉,维持真空,以90rpm的转速将白炭黑与熔融铝分散3min,使熔融铝停留在白炭黑的多孔的空隙中;
[0049] 2)将步骤1)得到的熔融铝-白炭黑复合物冷却后,在氩气保护下进行研磨,以白炭黑100-150nm的孔径作为铝粉成粒的隔离膜,不但易于研磨粉碎分散,而且得到的铝粉粒径分布均匀,氧含量低;
[0050] 3)将步骤2)得到的铝粉100重量份、1.0重量份的丙烯酸酯加入反应混合器,温度升至850℃,以900rpm的高速搅拌分散20分钟,然后加入0.01重量份的引发剂2,3-二苯基丁腈,在引发剂的作用下,单体在铝粉表面聚合形成一层包膜,聚合包覆铝粉,得到一种用于3D打印的铝粉。
[0051] 将实施例1得到的铝粉通过检测:性能数据如下表: 检验项目 检测结果
平均粒径 80nm
球度(80%) ≥0.81
含氧量 288ppm
粉末流动性(BEF) 29mJ