Påvirker partikkelstørrelsen til metallpulver utskriftskvaliteten til støpeformer?

一, Måten partikkelstørrelsen påvirker utskriftskvaliteten: synergistisk effekt på mer enn én måte
1. Pulveret spres jevnt: Pulverlagets tetthet er basert på størrelsen på partiklene.
Det første trinnet i metall 3D-printing er pulverdistribusjon, og hvor jevn den er har direkte innvirkning på formens opprinnelige kvalitet. Pulverpartikler som er små (mindre enn 15 μm) har en tendens til å feste seg sammen fordi de har mye overflateenergi. Dette kan forårsake tomrom eller klumper i pulverlaget. På den annen side, hvis partiklene er for store (mer enn 53 μm), kan de flyte godt, men begrense minimum lagtykkelse, noe som gjør det vanskelig å lage fine detaljer som tynne-veggede strukturer. For eksempel, når du bruker 316L rustfritt stålpulver med partikler som er 15 til 45 μm i størrelse i SLM-prosessen, kan tykkelsen på pulverlaget holdes mellom 30 og 50 μm, og tettheten til pulverlaget kan nå 99,2 %. Men ettersom partikkelstørrelsen går over dette området, øker porøsiteten mye.
Rimeligheten i fordelingen av partikkelstørrelser er like viktig. Å bruke en bimodal fordeling (blanding av grove og fine partikler) bidrar til å forbedre pulverpakningstettheten. Fine partikler fyller mellomrommene mellom grove partikler, noe som øker den løse pakkingstettheten med 10 % til 15 %. Dette reduserer indre feil i formen. Ved å forbedre partikkelstørrelsesforholdet til Ti6Al4V-pulver (D50=35 μm, D90=50 μm), økte et spesifikt luftfartsselskap tettheten til turbinbladformene fra 98,5 % til 99,7 % og utmattelseslevetiden med 20 %.
2. Bassengstabilitet: en balanse mellom partikkelstørrelse og energiabsorpsjon som endres over tid
Det smeltede bassenget er hoveddelen hvor metallpulver smelter, og stabiliteten avhenger av hvor godt pulveret absorberer laser/elektronstråleenergi. små partikler har et stort spesifikt overflateareal og en rask varmeabsorpsjonshastighet. Imidlertid kan pulvere som er for små (som<10 μ m) can splash because to thermal stress concentration, which can cause porosity or incomplete fusing flaws. To thoroughly melt coarse particles, you need more energy, and not enough energy can make the layers stick together poorly. For instance, when printing with AlSi10Mg aluminum alloy, powders with a particle size of 20–50 μ m may make a stable melt pool at a laser power of 200W. However, when the particle size is>60 μm, går frekvensen av partielle fusjonsdefekter opp til 15 %.
Ujevn partikkelstørrelsesfordeling kan også forårsake ulikheter i varmeledning i visse områder, noe som kan bidra til gjenværende spenningskonsentrasjon. En studie fant at bruk av Inconel 718-pulver med en bred partikkelstørrelsesfordeling (10–100 μm) for å skrive ut former øker restspenningen med 30 % sammenlignet med en begrenset fordeling (20–50 μm). Dette gjør risikoen for vridningsdeformasjon mye høyere.
3. Overflatekvalitet og nøyaktighet: direkte kontroll av partikkelstørrelse på ruhet
Formens overflateruhet er en god måte å fortelle hvor bra utskriften går, fordi den er direkte proporsjonal med størrelsen på pulverpartiklene. Jo mindre partiklene er, desto jevnere er overflaten. Men hvis pulveret er for fint, flyter det dårlig og kan føre til ujevn pulverspredning, noe som gjør overflaten grovere. Hvis du for eksempel bruker 316L pulvertrykkformer med en D50 på 25 μm, kan du holde overflateruheten Ra innenfor 8 μm. Men hvis du bruker pulver med en D50 på 15 μm, vil Ra-verdien være over 15 μm fordi partiklene fester seg sammen.
Når du velger størrelsen på partiklene for komplekse strukturelle former (slike konforme kjølekanaler), må du finne et kompromiss mellom nøyaktighet og brukervennlighet. Et selskap som lager former for biler var i stand til å lage nøyaktige former med en minimumsåpning på 0,5 mm ved å bruke martensittisk aldret stålpulver med en partikkelstørrelse på 30–60 μm. De sørget også for at ruheten Ra til vannveiens indre vegg var mindre enn eller lik 10 μm.
2, Partikkelstørrelsetilpasning av vanlige prosesser: ulike behov for SLM og EBM
1. SLM-prosess: en kombinasjon av liten partikkelstørrelse og høy nøyaktighet
SLM-teknikken bruker en laser som energikilde, og diameteren på det konsentrerte punktet er vanligvis mellom 50 og 100 μm. Så du må velge et finkornet-pulver (15–53 μm) som passer til størrelsen på stedet. Fine partikler kan raskt absorbere laserenergi og skape et homogent smeltebasseng, men oksygenmengden må holdes under 150 ppm for å unngå oksidinneslutninger. Når du for eksempel lager former for ortopediske implantater av titanlegering, kan TC4-pulver med en partikkelstørrelse på 20–45 μm og et oksygennivå på 80 ppm oppfylle de høye{13}}presisjonsstandardene for blenderåpningstoleranse ± 0,02 mm og overflateruhet Ra < 5 μm.
2. EBM-prosessen: Finn et kompromiss mellom stor partikkelstørrelse og høy effektivitet.
EBM-metoden bruker en elektronstråle som sin energikilde. Dens energitetthetsfordelingsegenskaper er bedre for smelting av grove partikler (53–150 μm). Grove partikler kan redusere antall pulverlag, gjøre utskrift raskere og redusere gjenværende stress. Når et bestemt luftfartsmotorfirma bruker EBM til å lage nikkel-baserte-høytemperaturlegerte turbinskiveformer, velger det pulver med partikler som er 60 til 105 μm store. Forvrengningsdeformasjonen holdes innenfor 0,1 mm ved en forvarmingstemperatur på 700 grader, og utskriftshastigheten er tre ganger raskere enn SLM.
3. LENS-prosess: samsvarer med størrelsen på partiklene og stabiliteten til pulvermatingen
LENS-teknikken (Laser Near Clean Forming) bruker en koaksial pulvermating. For å sikre at pulvermatingen er stabil, må grovt pulver med en partikkelstørrelse på 105 til 180 μm velges. Grove partikler kan bidra til at pulvermaterøret ikke blir tilstoppet, men skanningshastigheten (600–1000 mm/s) må settes til riktig nivå for å unngå ufullstendige fusjonsfeil. Et spesifikt formreparasjonsfirma brukte LENS-teknologi for å fikse-støpeformer, ved å bruke H13-stålpulver med partikler som var 120–150 μm store. Med en lasereffekt på 1000W og en skannehastighet på 800 mm/s ble den metallurgiske bindingsstyrken mellom reparasjonslaget og underlaget funnet å være minst 400MPa.
3, Strategi for optimalisering av partikkelstørrelse: full kontroll over prosessen fra forberedelse til etter-behandling
1. Pulverpreparering: velge mellom aerosolisering og PREP-teknologi
Gassforstøvning (GA) er nå den vanligste måten å lage pulver på siden det er billig og fungerer bra. Imidlertid lager den ofte satellittpulver (små partikler som fester seg til overflaten av større partikler) og hult pulver, noe som senker kvaliteten på utskriften. Plasma roterende elektrodeatomiseringsprosessen (PREP) kan lage pulver av høy-kvalitet med en sfærisitet på mer enn 98 % og et satellittpulverinnhold på mindre enn 0,5 % ved å smelte metall med høyhastighetsroterende elektroder. Utstyret er imidlertid dyrt. En høy-formprodusent har forbedret utmattelseslevetiden til 316L pulver laget ved hjelp av PREP-prosessen fra 100 000 sykluser til 500 000 sykluser.
2. Screening etter partikkelstørrelse: to-screening og graderingsoptimalisering
To-sikting (for eksempel 30 μm og 53 μm sikter) kan brukes for å få pulver med en smal partikkelstørrelsesfordeling. Dette stopper ujevn pulverspredning som oppstår når grove og små partikler blandes sammen. Ved å kombinere pulver med forskjellige partikkelstørrelser kan du forbedre graderingen ved å øke bulktettheten. Blanding av 20 % av 10–20 μm fint pulver med 80 % av 30–50 μm grovt pulver kan for eksempel øke bulktettheten fra 4,2g/cm³ til 4,8g/cm³.
3. Etter behandling: varm isostatisk pressing og polering av overflaten
Varm isostatisk pressing (HIP) kan fylle opp hullene i formene og øke tettheten til mer enn 99,9 %. Ifølge en studie er utmattelsesstyrken til Ti6Al4V-former som har blitt behandlet med HIP 40 % høyere enn for muggsopp som ikke har blitt behandlet. Polering av overflaten kan gjøre den enda jevnere. Elektrolytisk poleringsteknologi kan for eksempel senke formens overflateruhet fra Ra10 μm til Ra0,2 μm, noe som er godt nok for high-optiske former og annen bruk.