Влияет ли размер частиц металлического порошка на качество печати форм?

一, Влияние размера частиц на качество печати: синергетический эффект во многих отношениях
1. Порошок распределяется равномерно: плотность слоя порошка зависит от размера частиц.
Первым шагом в 3D-печати металлом является распределение порошка, и то, насколько оно равномерное, напрямую влияет на исходное качество формы. Частицы порошка небольшого размера (менее 15 мкм) имеют тенденцию слипаться, поскольку обладают большой поверхностной энергией. Это может привести к появлению пустот или комков в слое порошка. С другой стороны, если частицы слишком велики (более 53 мкм), они могут хорошо течь, но ограничивают минимальную толщину слоя, что затрудняет создание мелких деталей, таких как тонкостенные-структуры. Например, при использовании в процессе SLM порошка нержавеющей стали 316L с частицами размером от 15 до 45 мкм толщина слоя порошка может поддерживаться в пределах от 30 до 50 мкм, а плотность слоя порошка может достигать 99,2%. Но когда размер частиц превышает этот диапазон, пористость значительно возрастает.
Не менее важна разумность распределения частиц по размерам. Использование бимодального распределения (смешивание крупных и мелких частиц) позволяет улучшить плотность упаковки порошка. Мелкие частицы заполняют пространство между крупными частицами, что увеличивает плотность рыхлой упаковки на 10–15%. Это уменьшает внутренние дефекты формы. Улучшив соотношение частиц порошка Ti6Al4V (D50=35 мкм, D90=50 мкм), конкретная авиационная компания увеличила плотность форм турбинных лопаток с 98,5% до 99,7% и усталостную долговечность на 20%.
2. Стабильность бассейна: баланс между размером частиц и поглощением энергии, который меняется со временем.
Ванна расплава является основной частью плавления металлического порошка, и ее стабильность зависит от того, насколько хорошо порошок поглощает энергию лазерного/электронного луча. крошечные частицы имеют большую удельную поверхность и высокую скорость поглощения тепла. Однако слишком мелкие порошки (например,<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 мкм доля дефектов частичного проваривания достигает 15%.
Неравномерное распределение частиц по размерам также может вызвать неравенство в теплопроводности в определенных областях, что может способствовать концентрации остаточных напряжений. Исследование показало, что использование порошка Inconel 718 с широким распределением частиц по размерам (10–100 мкм) для печати форм увеличивает остаточное напряжение на 30% по сравнению с ограниченным распределением частиц (20–50 мкм). Это делает риск деформации деформации намного выше.
3. Качество и точность поверхности: прямой контроль размера частиц по шероховатости.
Шероховатость поверхности формы — хороший способ определить, насколько хорошо идет печать, поскольку она прямо пропорциональна размеру частиц порошка. Чем мельче частицы, тем более гладкая поверхность. Однако если порошок слишком мелкий, он плохо растекается и может привести к неравномерному распределению порошка, что сделает поверхность более шероховатой. Например, если вы используете формы для порошковой печати 316L с D50 25 мкм, вы можете поддерживать шероховатость поверхности Ra в пределах 8 мкм. Но если вы используете порошок с D50 15 мкм, значение Ra будет выше 15 мкм, поскольку частицы слипаются.
При выборе размера частиц для форм сложной конструкции (таких как конформные каналы охлаждения) необходимо найти компромисс между точностью и удобством использования. Одна компания, производящая формы для автомобилей, смогла изготовить точные формы с минимальным отверстием 0,5 мм, используя стальной порошок мартенситного возраста с размером частиц 30–60 мкм. Они также удостоверились, что шероховатость Ra внутренней стенки водного пути была меньше или равна 10 мкм.
2. Адаптация общих процессов к размеру частиц: разные потребности в УУЗР и ДМ.
1. Процесс SLM: сочетание малого размера частиц и высокой точности.
В методе SLM в качестве источника энергии используется лазер, а диаметр концентрированного пятна обычно составляет от 50 до 100 мкм. Итак, вам нужно выбрать мелкозернистый-порошок (15–53 мкм), соответствующий размеру пятна. Мелкие частицы могут быстро поглощать энергию лазера и создавать гомогенную ванну расплава, но количество кислорода необходимо поддерживать на уровне ниже 150 частей на миллион, чтобы избежать оксидных включений. Например, при изготовлении форм для ортопедических имплантатов из титанового сплава порошок TC4 с размером частиц 20–45 мкм и содержанием кислорода 80 ppm может соответствовать высоким-стандартам точности с допуском апертуры ± 0,02 мм и шероховатостью поверхности Ra < 5 мкм.
2. Процесс EBM: найти компромисс между большим размером частиц и высокой эффективностью.
Метод EBM использует электронный луч в качестве источника энергии. Его свойства распределения плотности энергии лучше подходят для плавления крупных частиц (53–150 мкм). Крупные частицы позволяют уменьшить количество слоев порошка, ускорить печать и снизить остаточное напряжение. Когда определенная компания по производству авиационных двигателей использует EBM для изготовления форм для дисков турбин из жаропрочных-сплавов турбин на основе никеля, она выбирает порошок с размером частиц от 60 до 105 мкм. Деформация коробления сохраняется с точностью до 0,1 мм при температуре предварительного нагрева 700 градусов, а скорость печати в три раза выше, чем у SLM.
3. Процесс LENS: соответствие размера частиц и стабильности подачи порошка.
Технология LENS (Laser Near Clean Forming) использует метод коаксиальной подачи порошка. Чтобы обеспечить стабильную подачу порошка, необходимо выбирать крупный порошок с размером частиц от 105 до 180 мкм. Крупные частицы могут помочь предотвратить засорение трубки подачи порошка, но скорость сканирования (600–1000 мм/с) необходимо установить на правильный уровень, чтобы избежать ошибок неполного сваривания. Одна компания по ремонту пресс-форм применила технологию LENS для ремонта форм для литья под давлением, используя стальной порошок H13 с частицами размером 120–150 мкм. При мощности лазера 1000 Вт и скорости сканирования 800 мм/с прочность металлургического соединения между ремонтным слоем и подложкой составила не менее 400 МПа.
3. Стратегия оптимизации размера частиц: полный контроль процесса от подготовки до последующей-обработки.
1. Приготовление порошка: выбор между аэрозолизацией и технологией PREP
Газовое распыление (ГА) в настоящее время является наиболее распространенным способом изготовления порошка, поскольку оно дешево и хорошо работает. Однако из него часто получается сателлитный порошок (мелкие частицы, прилипающие к поверхности более крупных частиц) и полый порошок, что снижает качество печати. Процесс распыления плазменным вращающимся электродом (PREP) позволяет получать высококачественные порошки-со сферичностью более 98 % и содержанием сопутствующего порошка менее 0,5 % за счет плавления металла с помощью вращающихся с высокой-скоростью электродов. Однако оборудование дорогое. Высококлассный-производитель пресс-форм увеличил усталостную долговечность порошка 316L, изготовленного с использованием процесса PREP, со 100 000 циклов до 500 000 циклов.
2. Сортировка по размеру частиц: двух-этапная сортировка и оптимизация градации.
Двухступенчатое просеивание (например, сита 30 мкм и 53 мкм) можно использовать для получения порошка с узким распределением частиц по размерам. Это предотвращает неравномерное рассыпание порошка, которое происходит при смешивании крупных и мелких частиц. Комбинируя порошки с частицами разного размера, вы можете улучшить сортировку за счет увеличения объемной плотности. Например, смешивание 20% мелкого порошка размером 10–20 мкм с 80% крупного порошка размером 30–50 мкм может повысить насыпную плотность с 4,2 г/см³ до 4,8 г/см³.
3. После обработки: горячее изостатическое прессование и полировка поверхности.
Горячее изостатическое прессование (ГИП) позволяет заполнить отверстия в формах и повысить плотность до более чем 99,9%. Согласно исследованию, усталостная прочность форм Ti6Al4V, обработанных ГИП, на 40% выше, чем у форм, не подвергавшихся обработке. Полировка поверхности может сделать ее еще более гладкой. Например, технология электролитической полировки может снизить шероховатость поверхности формы с Ra10 мкм до Ra0,2 мкм, что достаточно для высококачественных оптических форм и других целей.