本發(fā)明涉及金屬材料領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用于激光燒結(jié)技術(shù)的高強(qiáng)度金屬粉末及其工藝。

背景技術(shù)：

3D打印技術(shù)目前已成為全球最關(guān)注的的新興技術(shù)之一，這種新興的生產(chǎn)方式與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動第三次工業(yè)革命的實(shí)現(xiàn)。3D打印技術(shù)，就是在計(jì)算機(jī)中將3D CAD模型分成若干層，通過3D打印設(shè)備在一個(gè)平面上按照3D CAD層圖形，將塑料、金屬甚至生物組織活性細(xì)胞等材料燒結(jié)或者黏合在一起，然后再一層一層的疊加起來。通過每一層不同的圖形的累積，最后形成一個(gè)三維物體金屬零件。3D打印技術(shù)作為整個(gè)3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。隨著科技發(fā)展及推廣應(yīng)用的需求，利用快速成型直接制造金屬功能零件成為了快速成型主要的發(fā)展方向。目前可用于直接制造金屬功能零件的快速成型方法主要有：包括選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（Selective Laser Sintering, SLS）、直接金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)(Direct Metal Laser Sintering DMLS)、選區(qū)激光熔化技術(shù)（Selective Laser Melting, SLM）、激光近凈成形技術(shù)（Laser Engineered Net Shaping, LENS）和電子束選區(qū)熔化技術(shù)（Electron Beam Selective Melting, EBSM）。制約3D打印技術(shù)迅速發(fā)展的其中一個(gè)瓶頸是打印材料，特別是金屬打印材料。

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的整個(gè)工藝裝置由粉末缸和成型缸組成,工作粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均勻鋪上一層,計(jì)算機(jī)根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡,有選擇地?zé)Y(jié)固體粉末材料以形成零件的一個(gè)層面。完成一層后,工作活塞下降一個(gè)層厚,鋪粉系統(tǒng)鋪上新粉,控制激光束再掃描燒結(jié)新層。如此循環(huán)往復(fù),層層疊加,直到三維零件成型。SLS工藝采用半固態(tài)液相燒結(jié)機(jī)制，粉體未發(fā)生完全熔化，雖可在一定程度上降低成形材料積聚的熱應(yīng)力，但成形件中含有未熔固相顆粒，直接導(dǎo)致孔隙率高、致密度低、拉伸強(qiáng)度差、表面粗糙度高等工藝缺陷，在SLS半固態(tài)成形體系中，固液混合體系粘度通常較高，導(dǎo)致熔融材料流動性差，將出現(xiàn)SLS快速成形工藝特有的冶金缺陷——“球化”效應(yīng)。球化現(xiàn)象不僅會增加成形件表面粗糙度，更會導(dǎo)致鋪粉裝置難以在已燒結(jié)層表面均勻鋪粉后續(xù)粉層，從而阻礙SLS過程順利開展。由于燒結(jié)好的零件強(qiáng)度較低,需要經(jīng)過后處理才能達(dá)到較高的強(qiáng)度并且制造的三維零件普遍存在強(qiáng)度不高、精度較低及表面質(zhì)量較差等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種應(yīng)用于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的高強(qiáng)度金屬粉末，從而有效解決 “球化”效應(yīng)，制得強(qiáng)度高、表面質(zhì)量好的三維零件。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種應(yīng)用于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的高強(qiáng)度金屬粉末，其重量組份包括如下：鉬 15～18、鈮 10～12、鋰 1～3、銣0～3，錫鉍合金 0～3，預(yù)合金SCuP粉末1～4、鋅 1～2，銅 1～2；所述鋰、銣和錫鉍合金為采用沉積法制備成平均粒徑為0.1～3微米的亞微米級金屬粉末，所述鉬和鈮為平均粒徑為15～45微米的金屬粉末。

一種應(yīng)用于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的高強(qiáng)度金屬粉末的制備工藝，包括如下步驟：（1）采用物理氣相沉淀法或化學(xué)氣相沉淀法制備出平均粒徑在0.1～3的亞微米級金屬粉末鋰、銣和錫鉍合金；（2）將鉬、鈮、銅和鋅的金屬原料分別進(jìn)行熔煉、打渣制得金屬熔漿，對金屬熔漿進(jìn)行超生霧化處理、冷凝制得平均粒徑為15～45微米的金屬粉末；（3）將制得的平均粒徑在0.1～3亞微米級金屬粉末、平均粒徑為15～45微米的金屬粉末和預(yù)合金SCuP粉末混合，在干燥介質(zhì)氬氣的作用下，先進(jìn)行球磨，再進(jìn)行機(jī)械攪拌。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述預(yù)合金SCuP粉末中加入微量的Ag和P。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟（3）中充入氬氣至真空壓力達(dá)到0.04～0.06MPa進(jìn)行連續(xù)蒸發(fā)；步驟（3）中球磨時(shí)間為60～70min，轉(zhuǎn)速為350～400r/min，機(jī)械攪拌時(shí)間為30～40min，攪拌速率為120～180r/min。

本發(fā)明采用的有益效果是：本發(fā)明領(lǐng)用高熔點(diǎn)金屬粉末作為骨架金屬，保留其固相核心，低熔點(diǎn)金屬粉末作為粘結(jié)金屬配合銅、鋅和預(yù)合金SCuP粉末克服“球化”現(xiàn)象，從而提高制得的三維零件的硬度和表面質(zhì)量。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。

實(shí)施例1，一種應(yīng)用于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的高強(qiáng)度金屬粉末，其重量組份包括如下：鉬 15、鈮 10、鋰 1、銣1，錫鉍合金 1.5，預(yù)合金SCuP粉末1、鋅 1，銅 2；所述鋰、銣和錫鉍合金為采用沉積法制備成平均粒徑為0.1～3微米的亞微米級金屬粉末，所述鉬和鈮為平均粒徑為15～45微米的金屬粉末。確保細(xì)粉量控制在10%左右，進(jìn)而克服“球化”現(xiàn)象。

一種應(yīng)用于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的高強(qiáng)度金屬粉末的制備工藝，包括如下步驟：（1）采用物理氣相沉淀法或化學(xué)氣相沉淀法制備出平均粒徑在0.1～3的亞微米級金屬粉末鋰、銣和錫鉍合金；（2）將鉬、鈮、銅和鋅的金屬原料分別進(jìn)行熔煉、打渣制得金屬熔漿，對金屬熔漿進(jìn)行超生霧化處理、冷凝制得平均粒徑為15～45微米的金屬粉末；（3）將制得的平均粒徑在0.1～3亞微米級金屬粉末、平均粒徑為15～45微米的金屬粉末和預(yù)合金SCuP粉末混合，充入氬氣至真空壓力達(dá)到0.04MPa進(jìn)行連續(xù)蒸發(fā)，先進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為60min，轉(zhuǎn)速為350r/min；再進(jìn)行機(jī)械攪拌, 攪拌時(shí)間為30min，攪拌速率為120r/min。

實(shí)施例2，一種應(yīng)用于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的高強(qiáng)度金屬粉末，其重量組份包括如下：鉬 18、鈮 12、鋰 1、銣1，錫鉍合金 1，預(yù)合金SCuP粉末1、鋅 2，銅 2；所述鋰、銣和錫鉍合金為采用沉積法制備成平均粒徑為0.1～3微米的亞微米級金屬粉末，所述鉬和鈮為平均粒徑為15～45微米的金屬粉末，所述預(yù)合金SCuP粉末中加入微量的Ag和P。確保細(xì)粉量控制在10%左右，進(jìn)而克服“球化”現(xiàn)象。

一種應(yīng)用于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的高強(qiáng)度金屬粉末的制備工藝，包括如下步驟：（1）采用物理氣相沉淀法或化學(xué)氣相沉淀法制備出平均粒徑在0.1～3的亞微米級金屬粉末鋰、銣和錫鉍合金；（2）將鉬、鈮、銅和鋅的金屬原料分別進(jìn)行熔煉、打渣制得金屬熔漿，對金屬熔漿進(jìn)行超生霧化處理、冷凝制得平均粒徑為15～45微米的金屬粉末；（3）將制得的平均粒徑在0.1～3亞微米級金屬粉末、平均粒徑為15～45微米的金屬粉末和預(yù)合金SCuP粉末混合，充入氬氣至真空壓力達(dá)到0.06MPa進(jìn)行連續(xù)蒸發(fā)，先進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為70min，轉(zhuǎn)速為400r/min；再進(jìn)行機(jī)械攪拌, 攪拌時(shí)間為40min，攪拌速率為180r/min。

實(shí)施例3，一種應(yīng)用于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的高強(qiáng)度金屬粉末，其重量組份包括如下：鉬 17、鈮 11、鋰 1,錫鉍合金 0.5，預(yù)合金SCuP粉末2、鋅 2，銅 2；所述鋰、銣和錫鉍合金為采用沉積法制備成平均粒徑為0.1～3微米的亞微米級金屬粉末，所述鉬和鈮為平均粒徑為15～45微米的金屬粉末，所述預(yù)合金SCuP粉末中加入微量的Ag和P。確保細(xì)粉量控制在10%左右，進(jìn)而克服“球化”現(xiàn)象。

一種應(yīng)用于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的高強(qiáng)度金屬粉末的制備工藝，包括如下步驟：（1）采用物理氣相沉淀法或化學(xué)氣相沉淀法制備出平均粒徑在0.1～3的亞微米級金屬粉末鋰、銣和錫鉍合金；（2）將鉬、鈮、銅和鋅的金屬原料分別進(jìn)行熔煉、打渣制得金屬熔漿，對金屬熔漿進(jìn)行超生霧化處理、冷凝制得平均粒徑為15～45微米的金屬粉末；（3）將制得的平均粒徑在0.1～3亞微米級金屬粉末、平均粒徑為15～45微米的金屬粉末和預(yù)合金SCuP粉末混合，充入氬氣至真空壓力達(dá)到0.05MPa進(jìn)行連續(xù)蒸發(fā)，先進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為70min，轉(zhuǎn)速為400r/min；再進(jìn)行機(jī)械攪拌, 攪拌時(shí)間為40min，攪拌速率為160r/min。

為了克服“球化”現(xiàn)象,以及由此造成的燒結(jié)變形、密度疏松等工藝缺陷。本發(fā)明通過使用熔點(diǎn)不同的多組元金屬粉末和使用預(yù)合金粉末來實(shí)現(xiàn)。多組分金屬粉末體系由高熔點(diǎn)金屬鉬和鈮，低熔點(diǎn)金屬鋰、銣和錫鉍合金，其中高熔點(diǎn)金屬粉末作為骨架金屬，保留其固相核心；低熔點(diǎn)金屬粉末作為粘結(jié)金屬，熔化形成液相，生成的液相包覆、潤濕和粘結(jié)固相金屬顆粒，以此實(shí)現(xiàn)燒結(jié)致密化。同時(shí)加入鋅和銅的晶界偏析型反球化元素和預(yù)合金SCuP粉末，進(jìn)一步增加燒結(jié)的延展性，改善潤濕性，從而控制球化效應(yīng)的產(chǎn)生。

通過激光燒結(jié)粉末的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整工藝參數(shù)，能夠改變燒結(jié)池的形狀進(jìn)而減少甚至消除球化效應(yīng)。但是粉末顆粒的尺寸一樣對球化效應(yīng)產(chǎn)生影響，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)細(xì)粉量控制在10%左右時(shí)，球化效應(yīng)現(xiàn)象得到明顯的抑制。

在預(yù)合金SCuP粉末的燒結(jié)中加入少量的P、Ag兩種輔助材料，其中Ag元素能夠有效增加燒結(jié)的延展性，P元素能使表面氧化優(yōu)先與P反應(yīng)生成磷渣，使得燒結(jié)階段形成金屬-金屬界面，進(jìn)而改善了濕潤性，抑制球化效應(yīng)的產(chǎn)生。

將上述實(shí)施例制備的金屬粉末用于3D打印，在噴嘴噴撒過程中具有分散性好，充分發(fā)揮金屬粉末輸送優(yōu)的特點(diǎn)。在逐層打印郭總充分保證相接處的金屬粉末接觸面積大，粘結(jié)緊固。由于本發(fā)明不時(shí)一體化的金屬粉末，而是通過高熔點(diǎn)金屬粉末作為骨架金屬，保留其固相核心；低熔點(diǎn)金屬粉末作為粘結(jié)金屬，熔化形成液相，生成的液相包覆、潤濕和粘結(jié)固相金屬顆粒。因此既具備亞微米離子的優(yōu)點(diǎn)，又具備分散性和輸送性的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的金屬粉末同樣可以應(yīng)用于直接金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)(Direct Metal Laser Sintering DMLS)、選區(qū)激光熔化技術(shù)（Selective Laser Melting, SLM），提高三維零件的硬度和表面質(zhì)量。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知曉，本發(fā)明的保護(hù)方案不僅限于上述的實(shí)施例，還可以在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上進(jìn)行各種排列組合與變換，在不違背本發(fā)明精神的前提下，對本發(fā)明進(jìn)行的各種變換均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。