贾鹿:金属3D打印粉末在等离子感应技术中的应用



贾鹿:我的报告是用金属球形粉末完成3D打印。

增材制造又称3D打印,是一种以数字、模型文件为技术的直接制造技术,几乎可以制造任意形状的三维实体。3D打印的材料主要是金属粉末、塑料、黏合材料等,打印后还需要一个烧结的步骤,才能得到一个最终的部件。

为什么现在增材制造这么火?主要有几个原因:第一、增材制造的制作费用比较低廉,而且对于复杂部件可以进行简单、快速、创新的制造。因为我们现在不需要用很多的设备和复杂的设计,增材制造这种方式可以让我们很快的从一个设计的理念到设计产品。第二、和常规的制造方式相比耗材低,这种制造方式是用粉末做原料,可以大大降低耗材。

目前的技术主要是激光烧结和电子束烧结,还有喷墨打印。我们公司主要是生产金属粉末的,所以主要注重于前面两种。增材对于粉末有比较高的要求,主要要求是要具有一个流动性高和堆积密度高的特点,流动性高可以保证打印粉末均匀顺利的输送到打印熔池,同时也保证粉末的重复使用;堆积特性高可以保证得到组织致密和低缺陷率或侥幸成型率。海绵钛粉末,可以同时满足流动性高和堆积密度高的要求,粉末很干净,没有小粉附着在球形粉末的表面上,从而影响粉末的流动性和堆积密度及粉末烧结。材料的种类主要是一些钛,目前比较多的是钛、钛合金粉、镍合金、钴铬合金、镁铝硅合金等。

我们公司的设备80%以上都是我们自己在工厂加工的。我们有一台40千瓦的设备,主要可以用来做三个应用:纳米粉末、球形粉末、做喷涂。泰克纳公司座落在魁北克省蒙特利尔附近,大概离蒙特利尔40公里,这个公司是从大学里面分出来的,最早是从一个体炬(音)开始的,体炬是我们核心的技术,我们每一套设备都是根据客户的需求来定做定制的,所以在开始的时候我们也有很多方案的设计、设备的设计等。我们还有一台200千瓦工业化生产的设备,我们目前生产的粉末都是用这种设备来生产的。我们公司目前有70个员工,是多个学科人才组成的团队。我们有设备公司和研发公司及粉末公司,粉末公司主要是用我们自己制造的设备,来生产一些高附加值的粉末。

下面我介绍一下感应等离子技术。

物体有三态,固体温度升高变液体,液体温度升高变气体,再把气体温度升高就是等离子体。等离子有比较多的种类,主要是感应等离子体,是用感应线圈固化在陶瓷当中,当我们的等离子气体通路到这个感应的磁场中就可以激发它,产生等离子体,产生高温区,我们主要用等离子体这个高温区对粉末进行处理。

举例:我们70年代有一个体炬,比较简单,它的操作时间会比较短,因为它的冷却效果不是特别好,所以操作一段时间必须要停下来。我们现在的体炬是我们的专题,可以24小时连续操作。感应等离子体和其他体的区别是我们是没有电极的,电极是一个易损件,而且高温下容易侵蚀,可以气化,但对于我们来说就没有这个问题,我们最高温是轴向注入原料,大部分现在是测向注入的,如果侧向注入有一些粉还没有到高温区就掉下来,有一些粉穿过高温区就掉下来了,这样就导致很多的粉没有很好的处理,对我们这样的技术来说就不存在这样的问题。而且我们等离子的体积非常大,所以可以同时处理很多的粉末,而且我们在惰性、还原性、氧化性的环境下都可以进行操作。

我们的温度分布是这样的,在最高温处温度是在11000度,在这种温度下,对所有的物质都可以进行熔化和汽化,这就是我们泰克纳感应等离子体体炬,根据功率的不同有不同的体炬,分别有15、40、80、200千瓦的体炬,到现在一直没有一个体炬是反修过。

下面介绍一下我们等离子体工艺。

刚刚介绍到我们主要有三个应用,第一个应用是可以对粉末进行球化,提高粉末的流动性,增加粉末的堆积密度,减少粉末的孔隙度、改变颗粒的表面形状等等,我们知道当粉末注入到等离子当中去,当它吸收的热量大于他需要熔化的热量,大于他热传导的力量,他就会熔化,完全熔化以后在反应器当中,在下降过程中慢慢冷却,自由放任,由于地心引力的作用,就成为一个球形的粉末了。我们可以用很多作为原材料,比如喷雾干燥粉末、角形粉末、线材、悬浮液、气体、固体、液体都可以作为原材料。

我们有两种工艺,一种是用海绵钛进行生产,还有用其他的一些材料进行生产,如果用海绵钛我们的堆积密度是提高了很多,刚刚蔡总有提到,说国外的产品价格非常高,和国内的价格相比非常高,但现在采取我们的这种工艺,其实产品的价格可以说和国内的产品价格是差不多的,所以并不是说性质好价格就贵,性质好价格也可能是便宜的。我们对钛粉有一个提纯的过程,为什么提纯呢?在高温下一些低熔点和汽化的物质汽化以后,从粉末中跑出来,就会被抽真空抽掉了。我们粉末在滤镜上是没有改变的,我们有镍合金,有钼粉,堆积密度是增加了很多。

我们的设备也可以做纳米粉末,纳米粉末原理很简单,当粉末注入到等离子当中以后,在下沉过程中会慢慢的互相碰撞团聚,当团聚到我们需要的滤镜的时候,我们把它冷却固化,纳米的粉末可以生产纯金属氧化物,氮化物等,所以我们粉末的进滤镜是可以通过这个位置来控制的。我们的设备有一个试验性研发设备,有15千瓦的设备,主要是用于实验性,40千瓦也是实验性的设备,我们还有一边做球化,一边做纳米的双输出端的设备。还有80千瓦的设备,可以用于试验,也可以用于生产,而且它是一个20小时连续操作,有气体回收装置和起叠系统。我们200千瓦的设备主要是工业化生产的,我们产量可以达到25—30公斤每小时。我们的真彩制造是一种快速生产的创新技术,现在越来越多的工业伙伴注重这种技术,这种技术需要大量的高流动性与高密度的粉末来生产出特殊要求的零件,我们泰克纳感应等离子技术是完全可以生产出满足3D打印高标准的球形粉末的。

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