一種用于3d打印的鋁粉及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于3D打印制造領(lǐng)域，具體涉及一種用于3D打印制造的鋁粉，并進(jìn)一步涉 及該鋁粉的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 3D打印技術(shù)是一種通過(guò)逐層增加堆積材料來(lái)生成三維實(shí)體的快速增材制造技術(shù)， 不但克服了傳統(tǒng)減材制造造成的損耗，而且使產(chǎn)品制造更智能化，更精準(zhǔn)，更高效。尤其是 涉及到復(fù)雜形狀的高端制造，3D打印技術(shù)顯示出巨大的優(yōu)越性。3D打印技術(shù)是一項(xiàng)具有工 業(yè)革命意義的高新制造技術(shù)，代表了世界制造業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，對(duì)于加快先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展、 促進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要的引領(lǐng)作用。隨著高端制造業(yè)的發(fā)展，目前3D打印制造技術(shù)受 到高度關(guān)注，與機(jī)器人技術(shù)、人工智能技術(shù)一起被稱(chēng)為推動(dòng)第三次工業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003] 由于3D打印制造技術(shù)完全改變了產(chǎn)品的成型方式和原理，是對(duì)傳統(tǒng)制造模式的 顛覆，因此材料瓶頸成為限制3D打印發(fā)展的問(wèn)題，也是3D打印突破創(chuàng)新的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn) 所在。目前，3D打印技術(shù)中常用的材料是塑料材料，利用塑料材料熱塑性可熔融的特性，在 熔融狀態(tài)下，從噴頭處擠壓出來(lái)，通過(guò)凝固層層疊加最終形成產(chǎn)品。由于塑料材料良好的熱 流動(dòng)性、快速冷卻粘接性、較高的機(jī)械強(qiáng)度，在3D打印制造領(lǐng)域得到快速的應(yīng)用和發(fā)展。而 3D打印的最終發(fā)展是在高端工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，樹(shù)脂塑料還無(wú)法滿(mǎn)足高端工業(yè)3D打印的需要， 因此3D打印材料逐步從樹(shù)脂塑料向金屬材料發(fā)展。
[0004] 金屬粉末作為3D打印原料，主要采用高功率的能量束如激光、電子束作為熱源， 使粉末材料進(jìn)行選區(qū)熔化，冷卻結(jié)晶后形成堆積層連續(xù)成型，形成最終產(chǎn)品。由于金屬粉 末熔化溫度高，容易氧化，影響制品的強(qiáng)度，且激光熔化后的材料凝固會(huì)造成金屬體積收 縮，造成巨大的材料熱應(yīng)力，嚴(yán)重影響材料強(qiáng)度。另外，由于金屬粉末粒徑和分布的影響， 冷卻結(jié)晶過(guò)程復(fù)雜，結(jié)晶過(guò)程很難定量控制，一旦出現(xiàn)晶體粗大、枝晶等必將造成材料成型 后的力學(xué)性能降低的問(wèn)題，最終結(jié)果就是關(guān)鍵構(gòu)件沒(méi)辦法獲得實(shí)際應(yīng)用。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利 CN103862040A公開(kāi)了一種用于3D打印的鎂基金屬粉末材料，以包裹有松香包膜的鎂粉為 基本材料，以包裹有松香薄膜的鎳粉為支撐材料，以鋁粉為中間材料，通過(guò)混合攪拌而成。 為了得到高強(qiáng)度的合金器件，采用了多種金屬共混的方法。
[0005] 中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利CN103801704A公開(kāi)了一種用于3D打印的銅粉，采用氬氣保護(hù)爐熔 煉TUO無(wú)氧銅至1250~1400°C，通過(guò)爐底吹氬來(lái)去除熔融銅液內(nèi)的夾雜，使銅液完全熔化 并溫度均勻。通過(guò)漏包坩堝和導(dǎo)流嘴流經(jīng)氣霧化噴嘴，形成小液滴，得到的銅粉球形較好， 但粒徑較大，因此在用于3D打印制造時(shí)熔融溫度高，難以控制。
[0006] 根據(jù)上述，目前在3D打印制造應(yīng)用的金屬粉末，存在著熔融溫度高、粒徑大、氧含 量高、球形度差、成分均勻性差以及粒度分布不佳等問(wèn)題。因此金屬粉由于粗細(xì)不均勻，熔 化不均，在凝固時(shí)會(huì)造成體積收縮，造成材料結(jié)構(gòu)缺陷，強(qiáng)度受損。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)目前3D打印金屬粉末粒徑粗、分布不均勻、含氧量高、熔化溫度高的缺陷，本 發(fā)明提出一種用于3D打印的鋁粉。該鋁粉是以白炭黑為載體，在真空條件下，將鋁在680°C 熔融后，停留在白炭黑的空隙中，通過(guò)氬氣保護(hù)研磨形成球形鋁粉，使球形鋁粉含氧率降 低，防止氧化鋁對(duì)鋁的融化造成影響，通過(guò)單體在鋁粉表面包覆聚合，從而使鋁粉用于3D 打印制造。進(jìn)一步提供用于3D打印鋁粉的制備方法。
[0008] -種用于3D打印的鋁粉，是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的： 一種用于3D打印的鋁粉，其特征是：以白炭黑為載體，白炭黑與鋁的質(zhì)量配比為 1:300-500,金屬鋁熔融停留在白炭黑的空隙中，通過(guò)研磨細(xì)化得到平均粒徑在50-100nm、 球形度為〇. 75以上球形鋁粉，球形鋁粉表面包覆單體并聚合，可用于3D打印制造。
[0009] 所述白炭黑的孔徑為100_150nm。
[0010] 所述的單體為丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、苯乙烯中的至少一種。
[0011] 本發(fā)明一種用于3D打印的鋁粉的制備方法，其特征是按照如下方式進(jìn)行： 1) 將純度為99. 5%以上的金屬鋁置于真空爐中，在680°C熔融后，按照白炭黑與鋁的質(zhì) 量配比為1:300-500將白炭黑加入真空爐，維持真空，以50-100rpm的轉(zhuǎn)速將白炭黑與熔融 鋁分散3-5min，使熔融鋁停留在白炭黑的多孔的空隙中； 2) 將步驟1)得到的熔融鋁-白炭黑復(fù)合物冷卻后，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行研磨，以白炭黑 100-150nm的孔徑作為鋁粉成粒的隔離膜，不但易于研磨粉碎分散，而且得到的鋁粉粒徑分 布均勻，氧含量低； 3) 將步驟2)得到的鋁粉100重量份、0. 5-1. 0重量份的單體加入反應(yīng)混合器，溫度升 至80-120°C，以400-900rpm的高速攪拌分散15-20分鐘，然后加入0. 008-0. 01重量份的引 發(fā)劑，所述的單體為丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、苯乙烯中的至少一種，所述的引發(fā)劑選用2， 3-二苯基丁腈，在引發(fā)劑的作用下，單體在鋁粉表面聚合形成一層包膜，聚合包覆鋁粉，得 到一種用于3D打印的鋁粉。
[0012] 本發(fā)明一種用于3D打印的鋁粉，通過(guò)白炭黑100-150nm的孔徑作為鋁粉成粒的隔 離膜，使得鋁粉易于研磨粉碎，得到的鋁粉為納米級(jí)，粒徑分布均勻，球形度為0.75以上， 為了使納米級(jí)鋁粉充分分散和具有粘接性，采用了液狀單體分散、包覆鋁粉表面并聚合。得 到的鋁粉熔化溫度低，熔化均勻，用于3D打印制造時(shí)金屬內(nèi)部組織均勻，產(chǎn)品成型精度提 高，可以用于制備復(fù)雜構(gòu)件的精密金屬制品；鋁粉表面通過(guò)聚合包覆薄層粘接劑，有效防 止被氧化，從而使鋁粉用于3D打印制造具有高流動(dòng)性和良好的熱粘接成型性，含氧量低于 323ppm，在135°C以下條件下鋁粉表面包覆的聚合物熔化并浸潤(rùn)鋁粉顆粒，實(shí)現(xiàn)低溫打印。
[0013] 本發(fā)明一種用于3D打印的鋁粉及其制備方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其突出的特點(diǎn)和 優(yōu)異的效果在于： 1、本發(fā)明一種用于3D打印的鋁粉，以白炭黑為載體，平均粒徑在50-100nm、球形度為 0. 75以上，球形鋁粉表面包覆單體并聚合，可用于3D打印制造。
[0014] 2、本發(fā)明一種用于3D打印的鋁粉，粒徑達(dá)到納米級(jí)，粒徑分布均勻，因此熔化溫 度低，熔化均勻，用于3D打印制造時(shí)金屬內(nèi)部組織均勻，產(chǎn)品成型精度提高，可以用于制備 復(fù)雜構(gòu)件的精密金屬制品。
[0015] 3、本發(fā)明一種用于3D打印的鋁粉，鋁粉表面通過(guò)聚合包覆薄層粘接劑，有效防止 被氧化，從而使鋁粉用于3D打印制造具有高流動(dòng)性和良好的熱粘接成型性，力學(xué)性能優(yōu) 異。
[0016] 4、本發(fā)明一種用于3D打印的鋁粉的制備方法，通過(guò)白炭黑100-150nm的孔徑作為 鋁粉成粒的隔離膜，使得鋁粉易于研磨粉碎，得到的鋁粉粒徑分布均勻，球度高，通過(guò)單體 在鋁粉表面包覆聚合，包覆完全，包覆層薄，大幅減少了粘接劑對(duì)金屬制品強(qiáng)度的影響。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 以下通過(guò)【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明 的范圍僅限于以下的實(shí)例。在不脫離本發(fā)明上述方法思想的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù) 知識(shí)和慣用手段做出的各種替換或變更，均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0018] 實(shí)施例1 1) 將純度為99. 5%以上的金屬鋁置于真空爐中，在680°C熔融后，按照白炭黑與鋁的 質(zhì)量配比為1:300將白炭黑加入真空爐，維持真空，以50rpm的轉(zhuǎn)速將白炭黑與熔融鋁分散 5min，使熔融鋁停留在白炭黑的多孔的空隙中； 2) 將步驟1)得到的熔融鋁-白炭黑復(fù)合物冷卻后，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行研磨，以白炭黑 100-150nm的孔徑作為鋁粉成粒的隔離膜，不但易于研磨粉碎分散，而且得到的鋁粉粒徑分 布均勻，氧含量低； 3) 將步驟2)得到的鋁粉100重量份、0. 5重量份的丙烯酸酯加入反應(yīng)混合器，溫度升 至80°C，以400rpm的高速攪拌分散15分鐘，然后加入0. 008重量份的引發(fā)劑2, 3-二苯基 丁腈，在引發(fā)劑的作用下，丙烯酸酯在鋁粉表面聚合形成一層包膜，聚合包覆鋁粉，得到一 種用于3D打印的鋁粉。
[0019] 將實(shí)施例1得到的鋁粉通過(guò)檢測(cè)：性能數(shù)據(jù)如下表：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于3D打印的鋁粉，其特征是：以白炭黑為載體，白炭黑與鋁的質(zhì)量配比為 1:300-500,金屬鋁熔融停留在白炭黑的空隙中，通過(guò)研磨細(xì)化得到平均粒徑在50-100nm、 球形度為〇. 75以上球形鋁粉，球形鋁粉表面包覆單體并聚合，可用于3D打印制造；所述白 炭黑的孔徑為100-150nm ;所述的單體為丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、苯乙烯中的至少一種。
2. 權(quán)利要求1所述一種用于3D打印的鋁粉的制備方法，其特征是按照如下方式進(jìn)行： 1) 將純度為99. 5%以上的金屬鋁置于真空爐中，在680°C熔融后，按照白炭黑與鋁的質(zhì) 量配比為1:300-500將白炭黑加入真空爐，維持真空，以50-100rpm的轉(zhuǎn)速將白炭黑與熔融 鋁分散3-5min，使熔融鋁停留在白炭黑的多孔空隙中； 2) 將步驟1)得到的熔融鋁-白炭黑復(fù)合物冷卻后，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行研磨，以白炭黑 100-150nm的孔徑作為鋁粉成粒的隔離膜，不但易于研磨粉碎分散，而且得到的鋁粉粒徑分 布均勻，氧含量低； 3) 將步驟2)得到的鋁粉100重量份、0. 5-1. 0重量份的單體加入反應(yīng)混合器，溫度升 至80-120°C，以400-900rpm的高速攪拌分散15-20分鐘，然后加入0. 008-0. 01重量份的引 發(fā)劑，所述的單體為丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、苯乙烯中的至少一種，所述的引發(fā)劑選用2， 3-二苯基丁腈，在引發(fā)劑的作用下，單體在鋁粉表面聚合形成一層包膜，聚合包覆鋁粉，得 到一種用于3D打印的鋁粉。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出一種用于3D打印的鋁粉。該鋁粉是以白炭黑為載體，在真空條件下，將鋁在680℃熔融后，停留在白炭黑的空隙中，通過(guò)氬氣保護(hù)研磨形成平均粒徑在50-100nm、球形度為0.75以上球形鋁粉，通過(guò)單體在鋁粉表面包覆聚合，使球形鋁粉含氧率降低，防止氧化鋁對(duì)鋁的融化造成影響，得到的鋁粉熔化溫度低，熔化均勻，用于3D打印制造時(shí)金屬內(nèi)部組織均勻，產(chǎn)品成型精度提高，可以用于制備復(fù)雜構(gòu)件的精密金屬制品。
【IPC分類(lèi)】B22F9-04, B22F1-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104668552
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510048490
【發(fā)明人】陳慶, 曾軍堂
【申請(qǐng)人】成都新柯力化工科技有限公司
【公開(kāi)日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年1月30日