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一种用于3D打印的钛合金粉末制备技术研究

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r0兀1Dut|L计算机自动化与信息化 】l dut0In-dtiDn dnd irl|0l rnatizi ̄tiBi i 一种用于3 D打印的钛合金粉末制备技术研究 张艳 (山东凯文科技 l 学院机械1:稗学院,山东济南25()200) 摘要:钛合金粉末3D打印技术凭借着成本低廉、成型速度快、原料审】备简单、制造的产品性能优良等特点,近年来 已经成为很多领域重点使用和研究的对象 针对这样的发展需求,本文以3D打印的钛合金粉末制备技术为研究对象进 行深入的探究首先对3D打印的钛合金粉末制备的方法进行了简要说明和总结,然后对粉末钛合金3D打印的应用前 景和未来的发展方向做了说明、 关键词:3D打印;钛合金粉末制备;粉末冶金;粉未-a4备方法 中图分类号:Tu43 文献标识码:A 文章编号:1002—5065(2017)09-0050—02 A titanium alloy powder preparation used for 3 d printing technology research ZHANG Yan (1)cpartment ofMechanics,Shandong Kaiwen College ofScience and Technologydinan 25()200,China) Abstract:Titanium alloy powder 3 d printing technology with low cost,rapid prototyping,materials preparation good performance characteristics such as simple,mantlf.1ctnre products,titanium alloy powder 3 d printing technology in recent years has become the key areas of nlany use objects of study.For such development needs,based on the 3 d printing titanium alloy powder preparation technology research as the research object of in—depth research.The titanium alloy powder preparation of 3 d printing method has carried 011 the brief description and summary,then the application prospect of the titanium:alloy powder 3 d printing and the development direction of the future Keywords:3D printing;titanium alloy powder preparation;powder metallurgy;powder preparation method 3D打印技术是以3D数字模型为样板基础,运用金属 粉末或其他可粘合材料的粉末,通过三维逐层打印的方式来 组建物体并使其快速制造成型的技术。目前已经成为世界新 兴行业里最为突出的技术,3D打印技术在航空航天领域、 汽车制造领域等都有着卓越的表现,特别是在高精尖技术领 域和国防制备建设中具有重要的使用价值和发展前景。3D 打印所使用的金属粉末的相关性能,可以直接影响打印出来 的工件的性能。比如金属粉末的成分组成、夹杂物、物理化 学性能等,最终都会体现在产品的性能和使用寿命上。通过 研究表明,如果使用性能低劣的金属粉末,即使所使用的是 最好的3D打印技术,最好的工艺设计理念和流程,仍然无 法获得优秀的高质量产品¨ 。 金属粉末作为3D ̄TEI]的主要原料,钛及钛合金以其特 有的化学、物理性能,是最适合被制备成粉末的金属材料,但 是同时也是制备难度最大的一种金属材料。目前,能够大量 的生产并用于3D打印的钛合金粉末的技术主要有:等离子 旋转电极法、感应等离子球化法、等离子丝材雾化法等 ’ 。 并对相关的制备方法进行了总结。 1等离子旋转电极法 等离子旋转电极制备工艺是用纯金属或者是合金制备成 的一种自耗电极,电极的端面受电磁现象进行加热熔融成为 液体,通过对电极施加一个高速旋转的离心力,将融化的金 属液抛出并撞击粉碎成为细小的金属液滴,经过快速冷凝的 工艺甫l_备成金属粉末的方法。经过这种工艺制备成的金属粉 末。微小的金属颗粒近乎为圆形,并且具有光洁的表面、较 强的流动性,制备的粉末所含有的元素与制备棒元素相当, 无过多杂质。但是由于电极和密闭性的原因无法产生高速的 离心速度,生产出来的钛合金粉末颗粒比较粗大,每一次的 装填都需要进行长时间的间隔,生产效率低,生产成本高昂。 2感应等离子球化处理 感应等离子球化处理法制备钛合金粉末的工艺已经经 过多年的研究和讨论。已经形成一整套完整的粉末成型系 统,并且成型系统可以根据不同类别粉末进行系统调整。感 应等离子球化处理法是一套物理方法的成型系统,感应等离 子球化处理主要是针对像钛合金这样的难溶金属的制备。感 应等离子球化处理法制备的钛合金粉末细腻并且保留了合 金固有的性能,在制备工艺上比较简单,但是最终制造的产 钛合金粉末经过3D打印生产出来的产品具有较高的硬 度、较低的热膨胀系数、较强的抗应力性能、还具有良好的 耐腐蚀性等优点,在航空航天领域、天然气能源领域、医疗 器械的制备、海洋舰船制备等领域都已经被广泛使用,并且 已经形成的生产链初具规模。利用3D打印技术使用钛合金 粉末制备钛合金的零件,不仅可以有效提高钛合金材料的使 用性能,还能解决钛合金难以熔炼及加工的难题,特别是解 决了在熔炼时坩埚和气体元素对钛合金的污染的难点。本文 对3D打印的钛合金粉末制备技术原理、工艺特点进行讨论, 品由于氧含量高,会出现粘附等问题,并且目前无法有效的 克制根除,所以感应等离子球化处理发一直未在钛及钛合金 粉末制备方面得到大规模的应用。 表1 感应等离子球化法与常规方法比较 奖塑. 收稿日期:201 7-O4 作者简介:张艳,生干l981年,女.山东青岛人,硕士研究生,讲师.研 究方向:材料加工工程 靛幕 蓑_ g | 濑溱鲢 鞣蕊l 0 19.6 4.07 感应等粒子球化法 其他方法 l§。6左右 “ ∞强 ≯l (下转52页) 5O世界有色金属2017年51q上 [ L0n1口IlIte黜I|_dl¨ t化Llll  1 lt10n ‰id ¨O.. ¨ IILII… dl_ldtIZd ’tilii,i  GEPON主环。每个GEPON主环具有在工作环和保护环之 间的自动或手动冗余切换功能。通过在GEPON主环的分光 器下挂接光端口扩展器,增加了GEPON环网的覆盖范围。 每个GEPON子环具备在主、备环之间的自动冗余切换功 能。以太网光纤接口、RS一485接口、CAN现场总线接口等 接口,易于接入各类监控设备,并且恨据实际需要可灵活方 便地进行接口数量的扩展,系统整体结构如图3。 (POS):FJHG一6分光器/光功率分配器用于矿用GEPON系 统中光功率分配。其优点是可靠、价格低,缺点是要采取安 全措施,接续设备多,携带不方便。矿用光网络终端(ONT): KJJ61A型矿用本安型光网络终端是矿用GEPON系统的现 场设备侧设备,提供RS485总线接口、CAN总线接口、以 太网电接口、以太网光纤接口,便于矿用数字工业电视系 21硬件体系结构 统、矿用IP调度系统以及其他各监测控制系统的接入,是全 矿井自动化系统重要集成设备。矿用本安型光端口分光器 (KLH18):KLH18矿用本安型光纤分光器是矿用GEPON 系统的配套产品。在矿用GEPON系统主环分光器下挂接本 安型光端口扩展器后可扩展出矿用GEPON系统子环。 图3 矿用GEPON系统硬件体系架构 3结语 本文结合淮北矿业集团孙疃煤矿建成的GEPON矿井综 合信息自动化平台,矿井实际情况,通过建立地而GEPON 环网和井下GEPON环网,将井下人员定位系统、瓦斯监测 系统、生产监控系统、排水及供电等系统联系在一起,基本 矿用本安型光端口扩展器:矿用本安型光端口扩展器 能提高矿用GEPON主环中所能接入的矿用光网络终端数 量。通过这种扩展方式提高了整个GEPON网络在矿井上 下的覆盖率。光线路终端(OLT):光线路终端OLT主要功 能是控制与井下ONT设备的通讯,同时与上层交换机相 上实现了全矿井的自动化、数字化、信息化、智能化的管理, 将工业以太网技术结合煤矿现场实际,为实现数字化矿L¨建 设提供了一定的技术支持。四 连,实现井下与地而的双向通讯,是整个系统的核心设备之 设备冗余控制器(ERP):设备冗余控制器可以实现OLT 的端口设备冗余功能。它可以实时监测主要设备OLT工作 一。奁墨● ■0 I。ll ll1 il_l 0 l[1】 牡敬敬. r继荇, 焉磊 培 、 、^赶 的煤打r练 E{ :0圮氧境 .道 [ I】.。 矿饥槭,2『Il2、33(3):55—5 7 【2] “r义 贾月生.擎雨}l1 挂于GEPON的矿蚱通信 统 兜[ I】 恼技术,2008,32(5):14一l6.4 [3】 lJ 基于澈犷GEI ON、 }尊嫡i喇络簪统的研究 jj、 I筻[J1.箍辞. 20l4(1 3)44—46 端口和备用设备OLT端口的状态,实现自动或手动的冗余 切换功能。线路冗余控制器(RRP):线路冗余控制器实现 了GEPON双光纤网络的链接,主要功能作用是可以同时 实时监测主、备用光纤的通断状态。分光器/光功率分配器 (上接50页) 方法不太适合。其他方法制造的钛合金产品尺寸精度低、所 需机加工的余量较大,大功率的制造会产生一定的氧化作用 3等离子丝材雾化法 等离子丝材雾化法是用采用各种合金丝为制备原料,经 过工艺加工制备钛合金粉末的方法,有国外学者对等离子丝 这也是制约3D技术一个主要原因。SLM 3D打印技术设备 占地面积小、打印能力强,但是对金属粉末粒度的要求高, 材雾化法进行研究发明。但是目前技术和制备工艺不对外出 售和宣传,可通过简单的介绍,我们了解到等离子丝材雾化 法生产的钛合金粉末出粉率高,并且粉末精细,没有杂质, 虽然也存在少量的粘附现象,但是不影响其使用的性能。 表2等离子丝材雾化法优势 能量源 雾化法 激) C 因此可以得到具有极高的优秀表面的产品,一般适用于结构 比较复杂并且要求一定精度的小型钛合金产品的生产,这种 技术下无法生产大型的钛合金产品,并且生产时间长也是制 约产品性能的关键。 5结束语 成型功率 12O 1 56( 工作效率  12【】(}釜1600 粉末粒度 45 50 3D打印粉末钛合金产品,已经成为当今各制造领域的 其他方法 物理给予 630至800 50至150 300至900 重点研究课题,通过3D打印生产的产品,具有较高的机械 性能和使用性能,并且可以克服常规手段的一些工艺缺陷, 相信未来3D打印粉末钛合金技术会成为工业制造领域的风 向标。四 4钛合金粉末3D打印进展 随着近年来科技的发展,3D打印技术和金属粉末制备 技术的不断创新,3D打印的粉末钛合金产品不仅在航空航 天领域、汽车制造领域得到广泛的应用,还在各种大型组件 的制造上得到很好的发挥。 【】】 f 橡,陈岁元,魏明炜,等.激光3D打印胃TC2l钛爵金书廿束 :j各及其 成形眭研究【J】.热加:】二: 艺,2016(22):】一6. 【2】 弼 扬.3D(th reo—d】men siona_)P九nl1 TIg tec11no1ogy一,ha sed preparation method fm persoI1aj ized bionic VC E tebral col tlm1] 随着3D打印技术的多样化,不同方法制备出的钛合金 粉末加上不同方法的3D打印技术,可以得到不同类型的产 品。比如说LMD 3D打印技术利用千瓦级激光器,对金属粉 末有极强的控制力,可以得到结构比较稳定,并且组织比较 精细的钛合金工件,但是所制备的钛合金的产品一般适用于 大尺寸钛合金结构件,对于尺寸较小的钛合金产品用这样的 stern:,CN 103690278 A{P】.2014. 【3]张玮航,张虎,李英姿.等.3D扣印激光陕速成型牙种植体的制函]乏其 _机械性能分析[.『].占林 学学报:医学敝.2011,43(1):52—56. 【4】 罗 娟、余森,于振涛、等.3D扣印钛 钛合金医疗器械的拢锝袋临索 应『fj现状fJ】. £物骨科材料与临眯研究,20I5,l2(6):72—75. [5】刘宏伟,翁益平,张云坤 等.计锋fnj=i{i助没计及电予柬熔融快速成 型垒腻3D打印技术制备个 li化脞骨假体[J].中国修鹱遵建外科杂 志,20l 5(9):1088-1()9I. 52世界有色金属2017年5月上 

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