Металлический порошок для аддитивного производства: Обзор

Аддитивное производствоВ технологии 3D-печати в качестве сырья для создания металлических деталей и изделий слой за слоем используются металлические порошки. Свойства и характеристики металлического порошка оказывают значительное влияние на качество, механические свойства, точность и производительность 3D-печатных металлических компонентов. В этой статье представлен полный обзор металлических порошков для аддитивного производства.

Типы металлических порошков для аддитивного производства

Существуют различные типы металлов и сплавов, доступные в виде порошка для использования в технологиях 3D-печати. Наиболее часто используемые металлические порошки включают:

Типы металлических порошков для аддитивного производства

Металлический порошок	Основные характеристики
Нержавеющая сталь	Отличная коррозионная стойкость, высокая прочность и твердость. Доступны аустенитные, мартенситные, дуплексные и закаленные осаждением сорта.
Алюминиевые сплавы	Легкий вес, высокое соотношение прочности и веса. Обычно используются сплавы Al-Si и Al-Mg.
Титановые сплавы	Высокое соотношение прочности и веса, биосовместимость. Наиболее распространен Ti-6Al-4V.
Кобальт-хром	Отличная износостойкость и коррозионная стойкость. Используется для биомедицинских имплантатов.
Никелевые сплавы	Высокая температурная прочность, коррозионная стойкость. Марки инконеля и хастеллоя.
Медные сплавы	Высокая тепло- и электропроводность. Доступны латунь, бронза.
Драгоценные металлы	Отличная химическая устойчивость. Золото, серебро, платина используются для изготовления ювелирных изделий.

Форма частиц, распределение по размерам, характеристики текучести и микроструктура металлического порошка могут значительно отличаться в зависимости от метода производства. Это влияет на плотность упаковки, распределяемость и поведение при спекании во время 3D-печати.

Методы производства металлических порошков

Существует несколько технологий производства металлических порошков для аддитивного производства:

Методы производства металлического порошка

Метод	Описание	Характеристики частиц
Газовая атомизация	Расплавленный металлический поток распыляется инертным газом под высоким давлением на мелкие капли, которые застывают в сферические частицы порошка.	Отличная текучесть. Контролируемый гранулометрический состав. Сферическая морфология.
Распыление воды	Струя расплавленного металла разбивается на капли высокоскоростными струями воды. Быстрое закаливание приводит к образованию порошка неправильной формы.	Больше загрязнений. Более широкое распределение по размерам. Неправильная форма частиц со спутниками.
Плазменное распыление	Металлический порошок, получаемый путем распыления расплавленного металла плазменной струей. Быстрые скорости охлаждения позволяют получать мелкие сферические порошки.	Очень мелкий, сферический порошок. Контролируемое распределение по размерам. Используется для реактивных сплавов.
Индукционная плавка электродов	Металлическая проволока подается в плавильную камеру и расплавляется индукционными катушками. Капли падают через камеру и застывают в порошок.	Средние размеры частиц. Образование спутников на частицах.
Механическое измельчение	Грубый металлический порошок, полученный механическим размолом и измельчением.	Широкий гранулометрический состав. Неправильная форма частиц с внутренней пористостью.
Дегидратация металлов	Гидридно-дегидридный процесс превращает металл в мелкий порошок. Используется для титановых, циркониевых сплавов.	Губчатые частицы с высокой внутренней пористостью. Может потребоваться струйное фрезерование.

Газовое распыление и распыление водой - наиболее распространенные методы получения мелкодисперсных порошков для процессов 3D-печати с порошковым напылением. Технология производства порошка влияет на состав, форму частиц, пористость, характеристики текучести, микроструктуру и стоимость металлического порошка.

Свойства и характеристики металлических порошков

Свойства металлических порошков, используемых в аддитивном производстве, играют решающую роль в определении качества конечной детали, механических свойств, точности, качества обработки поверхности и производительности. Некоторые ключевые характеристики включают:

Свойства металлических порошков для аддитивного производства

Недвижимость	Описание	Важность
Форма частиц	Сферические, сателлитные, неправильной формы	Влияет на текучесть, плотность упаковки, распределение в порошковом слое
Распределение частиц по размерам	Диапазон диаметров частиц в порошке	Влияет на разрешение детали, качество поверхности, плотность
Текучесть	Способность порошка свободно стекать под действием силы тяжести	Влияет на распределение и равномерность распределения порошка в порошковом слое
Кажущаяся плотность	Масса на единицу объема сыпучего порошка	Влияет на объем сборки, кинетику спекания
Плотность отвода	Максимальная плотность упаковки при вибрации/простукивании	Указывает на распределяемость и плотность во время спекания
Скорость потока в зале	Время, необходимое для прохождения 50 г порошка через отверстие	Измерение текучести и согласованности
Коэффициент Хаузнера	Отношение плотности крана к кажущейся плотности	Более высокий коэффициент указывает на большее межчастичное трение, худшее течение
Содержание влаги	Содержание воды, поглощенной на поверхности частиц порошка	Слишком высокая влажность приводит к агломерации порошка
Содержание кислорода	Кислород, поглощенный на поверхности частиц порошка	Может влиять на текучесть порошка, вызывать пористость в готовой детали
Микроструктура	Размер зерна, границы зерен, наличие фаз	Влияет на механические свойства, анизотропию, дефекты в готовой детали

Соблюдение строгих требований к характеристикам порошка имеет решающее значение для достижения высокой плотности, хороших механических свойств и качества аддитивно изготовленных деталей.

Технические характеристики металлических порошков

Металлические порошки, используемые в аддитивном производстве, должны соответствовать определенным спецификациям по составу, гранулометрическому составу, скорости потока, кажущейся плотности и микроструктуре. Некоторые распространенные спецификации металлических порошков включают:

Типовые спецификации металлических порошков для аддитивного производства

Параметр	Типовая спецификация
Состав сплава	± 0,5 wt% указанной химии
Размер частиц	10-45 мкм
Размер частиц D10	5-15 мкм
Размер частиц D50	20-40 мкм
Размер частиц D90	40-100 мкм
Кажущаяся плотность	2,5-4,5 г/куб. см
Плотность отвода	3,5-6,5 г/куб. см
Коэффициент Хаузнера	<1.25
Расход воздуха в зале	<30 секунд для 50 г
Содержание влаги	<0,2 wt%
Содержание кислорода	150-500 стр.

Распределение частиц по размерам имеет решающее значение: обычные размеры частиц D10, D50 и D90 находятся в диапазоне 5-100 микрон. Более плотное распределение улучшает плотность слоя порошка и разрешение. Такие стандарты, как ASTM F3049, F3301 и ISO/ASTM 52921, устанавливают строгие правила для металлических порошков, используемых в аддитивном производстве.

Применение металлических порошков в аддитивном производстве

Металлические порошки используются в различных технологиях аддитивного производства для печати функциональных металлических деталей в различных отраслях промышленности:

Применение металлических порошков в аддитивном производстве

Промышленность	Приложения	Используемые металлы
Аэрокосмическая промышленность	Лопатки турбин, сопла ракет, теплообменники	Сплавы Ti, Ni, Co
Медицина	Зубные коронки, имплантаты, хирургические инструменты	Ti, CoCr, нержавеющие стали
Автомобильная промышленность	Облегчение опытных образцов, нестандартных деталей	Al, сталь, сплавы Ti
Промышленность	Радиаторы, блоки коллекторов, робототехника	Алюминиевые, нержавеющие, инструментальные стали
Ювелирные изделия	Ювелирные изделия на заказ, быстрое прототипирование	Золото, серебро, платиновые сплавы
Нефть и газ	Трубная арматура, клапаны, корпуса насосов	Нержавеющие стали, инконель

Аддитивное производство с использованием металлических порошков идеально подходит для изготовления сложных, индивидуальных деталей с улучшенными механическими свойствами и формами, которые невозможно получить при обычном производстве. Расширение ассортимента доступных металлических сплавов продолжает расширять сферу их применения в различных отраслях промышленности.

Анализ затрат Металлические порошки

Тип металлического порошка и требуемое качество оказывают значительное влияние на стоимость материала при аддитивном производстве. Некоторые типичные затраты на металлический порошок составляют:

Диапазон цен на металлические порошки для аддитивного производства

Материал	Диапазон цен
Алюминиевые сплавы	$50-100/кг
Нержавеющие стали	$50-150/кг
Инструментальные стали	1ТП4Т50-200/кг
Титановые сплавы	$200-500/кг
Никелевые суперсплавы	$100-300/кг
Кобальтовый хром	$150-250/кг
Драгоценные металлы	$1500-3000/кг для золота, серебра

Цены зависят от состава сплава, характеристик частиц, качества порошка и объема закупки. Сокращение отходов материала путем переработки неиспользованного порошка может повысить экономическую эффективность печати с использованием дорогих сплавов.

Подробная разбивка цен на металлические порошки

Затраты, связанные с металлическими порошками, могут составлять значительную часть общих расходов на аддитивное производство. В этом разделе подробно описаны текущие цены на различные металлические сплавы:

Ценообразование на порошки титановых сплавов

Сплав	Цена за кг
Ti-6Al-4V ELI	$350-500
Ti 6Al-4V Grade 5	$250-400
Ti 6Al-4V Grade 23	$300-450
Ti 6Al-4V Grade 35	$250-350
Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo	$400-600
Ti-55531	$500-800

Наиболее часто используемый сплав Ti-6Al-4V для аэрокосмических применений стоит от $250-500/кг. Более современные титановые сплавы могут стоить более $800/кг.

Порошковая окраска алюминиевого сплава

Сплав	Цена за кг
AlSi10Mg	$90-120
AlSi7Mg	$80-100
AlSi12	$75-90
AlSi10Mg с наночастицами	$250-500
Al 6061	$100-150
Al 7075	$80-120

Алюминиевые сплавы обычно стоят $80-150/кг, а специализированные составы и порошки с нано-армированием - $250-500/кг.

Цены на порошок никелевого сплава

Сплав	Цена за кг
Инконель 718	$150-300
Инконель 625	$120-250
Хастеллой X	$200-350
Haynes 282	$200-400
Инконель 939	$300-800

Никелевые суперсплавы варьируются от $120-800/кг в зависимости от состава сплава, характеристик частиц и объемов оптовых заказов.

Драгоценные металлы, используемые для изготовления ювелирных изделий и медицинских приборов, стоят очень дорого - от $1500-3000/кг за золото, серебро и платиновые сплавы.

Понимание текущего уровня цен на наиболее распространенные сплавы позволяет обоснованно выбирать экономически эффективные материалы для конкретных применений.

Ценообразование на порошок из нержавеющей стали

Сплав	Цена за кг
316L	$50-100
17-4PH	$100-150
15-5PH	$150-200
304L	$30-60
420 Нержавеющая	$35-75

Цены на порошки из нержавеющей стали варьируются от $30-200/кг в зависимости от марки. Более специализированные сплавы и композиции с более жесткими техническими условиями имеют более высокие цены.

Ценообразование на порошок для инструментальной стали

Сплав	Цена за кг
Инструментальная сталь H13	$90-120
Мартенситностареющая сталь	$180-250
Медная инструментальная сталь	$120-200
Инструментальная сталь для горячей обработки	$80-150

Цены на порошок из инструментальной стали варьируются от $80-250/кг в зависимости от твердости, состава сплава и характеристик частиц.

Цены на порошок медного сплава

Сплав	Цена за кг
Медь	$100-150
Бронза	$50-120
Латунь	$60-100

Порошки меди и медных сплавов, используемые для определения их тепловых и электрических свойств, составляют $50-150/кг.

Цены на порошок кобальто-хромового сплава

Сплав	Цена за кг
CoCrMo	$170-220
CoCrW	$180-230
CoCrMoWC	$220-300

Медицинские кобальто-хромовые сплавы варьируются в пределах $170-300/кг в зависимости от состава и характеристик частиц.

В целом цены на металлические порошки варьируются в широком диапазоне в зависимости от сплава, метода производства, качества и объема заказа. Однако понимание текущих рыночных цен помогает ориентироваться при проектировании изделий и выборе материалов для аддитивного производства.

В аддитивном производстве существует два основных подхода, использующих металлические порошки: процессы плавления в порошковом слое и процессы направленного энергетического осаждения. В этом разделе сравниваются различные требования к порошку и его характеристики при использовании порошкового слоя и выдувного порошка.

Процессы плавления в порошковом слое

В процессах плавления в порошковом слое, таких как селективное лазерное спекание (SLS) и электронно-лучевое плавление (EBM), металлический порошок распределяется тонкими слоями по рабочей пластине и выборочно плавится источником тепла слой за слоем для изготовления детали. Некоторые ключевые различия в свойствах порошков включают:

Требования к порошкам для порошкового наплавления

Параметр	Типовая спецификация	Причина
Распределение частиц по размерам	Более плотное распределение около 20-45 мкм	Для достижения равномерной толщины слоя и высокой плотности упаковки
Морфология частиц	Сферические, гладкие поверхности	Обеспечивает хорошую текучесть и распределение по слою порошка
Внутренняя пористость	Минимальная пористость или полые частицы	Для уменьшения дефектов и достижения высокой плотности печатных деталей
Кажущаяся плотность	Плотность сплава выше 50%	Для достижения максимальной плотности слоя порошка и минимизации количества проходов дозатора
Характеристики потока	Плавный, равномерный поток порошка	Критически важно для равномерного осаждения слоев и бездефектных деталей

Сферические газоатомизированные порошки с контролируемым распределением по размерам и хорошей текучестью идеально подходят для процессов AM с оплавлением в порошковом слое.

Порошковое направленное осаждение энергии

В таких технологиях DED, как лазерное формование сетки (LENS) и электронно-лучевое аддитивное производство (EBAM), металлический порошок непосредственно впрыскивается в расплавленный бассейн, созданный лазером или электронно-лучевым источником тепла. Основные отличия порошка от порошкового слоя:

Требования к порошкам для выдувного порошка DED

Параметр	Типовая спецификация	Причина
Распределение частиц по размерам	Более широкое распределение от 10-150 мкм в типичном случае	Для обеспечения текучести порошка и проникновения в бассейн расплава
Морфология частиц	Можно использовать неправильные формы и спутники	Текучесть менее важна, чем проникновение в бассейн расплава
Внутренняя пористость	Может выдерживать большую пористость	Быстрое плавление минимизирует влияние на плотность конечной детали
Кажущаяся плотность	>60% плотности сплава	Улучшенная подача порошка и загрузка смесителя
Характеристики потока	Умеренная текучесть	В основном для предотвращения комкования и обеспечения стабильного потока порошка

При использовании выдувного порошка DED требования к исходному порошковому сырью более гибкие по сравнению с процессами плавления в порошковом слое. Ключевым преимуществом DED является возможность использования более дешевых методов производства порошка.

Соображения по качеству и стоимости порошка

Таким образом, сплавление в порошковом слое предъявляет более жесткие требования к характеристикам порошка для предотвращения дефектов и получения деталей высокой плотности. Это обычно требует использования более дорогих порошков, распыляемых газом. Сварка с вдуванием порошка обеспечивает большую гибкость в использовании более дешевых порошков, но это может повлиять на механические свойства и точность. Размер детали, требования к чистоте поверхности, механические характеристики и бюджет являются ключевыми факторами при выборе подходящего процесса аддитивного производства и порошкового сырья.

Аддитивное производство металломатричных композитов

Металломатричные композиты (MMC) с керамическими армирующими элементами являются новой областью аддитивного производства на основе порошка. В этом разделе представлен обзор печати ГМК с использованием порошкового наплавления и направленного осаждения энергии из выдувного порошка.

Аддитивное производство ГМК с использованием порошкового наплавления

Армирующие вещества, такие как карбиды, бориды и оксиды, могут быть смешаны с порошками металлических сплавов для печати армированных частицами металломатричных композитов с улучшенными свойствами:

Порошки ГМК для порошкового наплавления AM

Матрица	Арматура	Основные характеристики
AlSi10Mg	SiC, Al2O3	Износостойкость, повышенная жесткость
Ti6Al4V	TiB2, TiC	Повышенная прочность и твердость
Инконель 718	WC, ZrO2	Повышенная прочность при высоких температурах
CoCr	WC, TaC	Отличная износостойкость
316L нержавеющая сталь	Y2O3, TiO2	Повышенная прочность, вязкость

Однако такие факторы, как разница в температурах плавления, плохая смачиваемость и агломерация армирующих элементов, могут стать причиной дефектов и проблем при печати высококачественных деталей из ГМК. Для успешной печати плотных, изотропных ГМК методом AM с порошковым напылением необходимы наноразмерные армирующие элементы и индивидуально подобранные параметры смешивания и распределения порошка.

Аддитивное производство ГМК с использованием выдувного порошка DED

Подходы с использованием выдувного порошка DED дают преимущества для печати ГМК:

• Арматура может быть непосредственно введена в расплав, что позволяет избежать проблем с агломерацией
• Быстрое плавление и затвердевание улучшает распределение керамики
• Можно использовать частицы большего размера и более высокие фракции армирования

Однако контроль содержания армирующего материала по всей высоте конструкции и его равномерное распределение остаются сложной задачей. Гибридные системы AM, сочетающие порошковое наплавление и DED, позволяют печатать металлы высокой плотности, такие как медь, в виде непрерывной матрицы с помощью порошкового наплавления, а керамические армирующие элементы одновременно впрыскиваются для локального усиления или упрочнения участков.

В целом, аддитивное производство позволяет изготавливать сложные компоненты ГМК сетчатой формы с локально настраиваемыми составами и свойствами, что невозможно при традиционном производстве композитов. Однако разработка исходных порошков и параметров печати, адаптированных к конкретным металлокерамическим системам, необходима для реализации всего потенциала печати ГМК, армированных частицами, с помощью АМ.

Часто задаваемые вопросы о металлических порошках для аддитивного производства

Здесь представлены ответы на некоторые распространенные вопросы о металлических порошках, используемых в процессах аддитивного производства:

Часто задаваемые вопросы о металлических порошках для AM

В: Какой металлический порошок чаще всего используется для 3D-печати?

О: Алюминиевые сплавы, в частности AlSi10Mg, являются одними из самых популярных металлов для порошкового AM в аэрокосмической, автомобильной и промышленной отраслях благодаря их малому весу, коррозионной стойкости и экономическим преимуществам по сравнению с титановыми и никелевыми сплавами.

Вопрос: Какой самый дорогой металлический порошок?

О: Драгоценные металлы, такие как золото, серебро и платина, имеют самую высокую стоимость материала - $1500-3000 за килограмм. Титановые сплавы также относительно дороги - более $200/кг. Никелевые суперсплавы стоят от $100-300/кг в зависимости от состава.

Вопрос: В чем разница между первичным и переработанным металлическим порошком?

О: Виргинский порошок - это свежеприготовленный порошок, который ранее не использовался в печати. Переработанный порошок - это порошок, восстановленный после печати и использованный повторно. Переработанный порошок может быть дешевле 20-30%, но при этом существует риск загрязнения и изменения свойств после нескольких циклов повторного использования.

Вопрос: Что имеет решающее значение при определении распределения металлического порошка по размерам?

О: Плотный гранулометрический состав очень важен для АМ с порошковым слоем, чтобы обеспечить равномерную толщину слоя, высокую плотность упаковки, хорошую текучесть и разрешение. Типичное распределение стремится к D10: 20-40 микрон, D50: 20-45 микрон, D90 менее 100 микрон.

Вопрос: Как влага в металлическом порошке влияет на процессы AM?

О: Влага, попавшая на частицы порошка, может вызвать их комкование и ухудшение текучести. Избыток влаги также приводит к пористости печатных деталей. Большинство процессов требуют содержания влаги менее 0,2 мас.% в результате сушки.

Вопрос: Какова роль вторичной переработки порошка в AM?

О: Повторное использование неиспользованного порошка после печати позволяет сократить отходы и стоимость материала, особенно для дорогих сплавов. Однако после повторного использования может произойти загрязнение. Процессы с использованием инертной атмосферы или вакуума сводят к минимуму окисление и повышают пригодность к переработке.

Вопрос: Как металлические порошки с бимодальным распределением используются в AM?

О: Бимодальные порошки с двумя различными фракциями крупного и мелкого порошка могут улучшить плотность упаковки и разрешение печати. Более мелкий порошок помещается между более крупными частицами. Однако такие порошки требуют специальных знаний для обеспечения правильного смешивания и обращения.

Вопрос: Позволяет ли АМ использовать более дешевые порошки низкого качества по сравнению с другими процессами?

О: В технологии DED AM с вдуванием порошка можно использовать более дешевые порошки, полученные другими методами производства, которые могут не соответствовать строгим спецификациям для сплавления в порошковом слое. Но при этом могут ухудшаться механические свойства и точность по сравнению с порошками, распыляемыми газом.

Заключение

В целом, металлические порошки служат основным сырьем для изготовления металлических деталей методом 3D-печати с использованием технологий аддитивного производства с порошковым напылением и направленным энергетическим осаждением. Характеристики и качество исходного металлического порошка оказывают сильное влияние на свойства конечной детали, точность, качество обработки поверхности и производительность в аэрокосмической, медицинской, автомобильной и промышленной отраслях. Основными методами производства являются газовое распыление и распыление водой. Ключевые характеристики порошка, такие как распределение частиц по размерам, морфология, кажущаяся плотность, характеристики текучести и микрочистота, должны соответствовать строгим спецификациям для процессов AM и требованиям к конечным деталям. Постоянное совершенствование технологии производства металлических порошков, моделирования и определения характеристик будет иметь решающее значение для раскрытия всего потенциала аддитивного производства металлов.