全文摘要
本实用新型提供了一种3D打印粉末颗粒结构，包括球形金属合金颗粒以及包覆于所述球形金属合金颗粒表面的金属包覆层，所述金属包覆层的金属选自Ni、Cr、Ti、Mo、Co或合金金属。本实用新型通过在球形金属合金颗粒表面包覆一层金属包覆层，表面的光滑度进一步提高，从而提高了球形度高；同时比表面积也相应减小，减少了吸附性，很好的解决了粉体流动性问题。使得3D打印的产品光滑度高，内部缺陷少强度高，进而提高了产品的实用性和价值。球形度高，松装密度高，使得流动性很好；提高了送粉稳定性和铺粉的均匀性，使得部件缺陷率降低。本实用新型在使工艺过程更好的控制得同时，打印出的样品力学性能也俱佳。
设计方案
1.一种3D打印粉末颗粒结构，其特征在于，包括球形金属合金颗粒以及包覆于所述球形金属合金颗粒表面的金属包覆层，所述金属包覆层的金属选自Ni、Cr、Ti、Mo、Co或合金金属。
2.根据权利要求1所述的3D打印粉末颗粒结构，其特征在于，所述合金金属选自球形不锈钢合金或球形钛合金颗粒。
3.根据权利要求2所述的3D打印粉末颗粒结构，其特征在于，所述不锈钢合金材质选自型号为303、304、316L、S310或S220的不锈钢合金，所述钛合金选自Ti6Al4V、Ti-CP、TA15、TC11、TC18。
4.根据权利要求1所述的3D打印粉末颗粒结构，其特征在于，所述球形金属合金颗粒的粒径为15微米～80微米，所述包覆层的厚度为100nm～3000nm。
5.根据权利要求1所述的3D打印粉末颗粒结构，其特征在于，所述球形金属合金颗粒选自球形不锈钢合金颗粒或球形钛合金颗粒。
6.根据权利要求5所述的3D打印粉末颗粒结构，其特征在于，所述不锈钢合金材质选自型号为303、304、316L、S310或S220的不锈钢合金，所述钛合金选自Ti6Al4V、Ti-CP、TA15、TC11、TC18。
7.根据权利要求1所述的3D打印粉末颗粒结构，其特征在于，所述Ni、Cr、Ti、Mo、Co的纯度均为3N以上。
8.根据权利要求1所述的3D打印粉末颗粒结构，其特征在于，所述3D打印粉末颗粒结构的球形度＞0.89。
设计说明书
技术领域
本实用新型属于3D打印技术领域，具体涉及一种3D打印粉末颗粒结构。
背景技术
目前，3D打印用金属粉末制备方法按照制备工艺主要可分为：还原法、电解法、羰基分解法、研磨法、雾化法等。其中，以还原法、电解法和雾化法生产的粉末作为原料应用到粉末冶金工业的较为普遍。
雾化法可以进行合金粉末的生产，同时现代雾化工艺对粉末的形状也能够做出控制，不断发展的雾化腔结构大幅提高了雾化效率，这使得雾化法逐渐发展成为主要的粉末生产方法。
但是，雾化法制备的3D金属粉末，本身球形度不佳，表面有很多凹凸的不规则形状；影响其在打印工艺过程中的铺粉稳定性；由于表面粗糙不光滑，本身流动性下降，同时颗粒表面在空气中容易一吸附水、气体等，会进一步降低粉末流动性。粉末流动性不好，会造成3D打印材料最终产品产生很多缺陷。比如内部产生非常小的孔穴会形成孔隙，这些微孔会降低零件的整体密度，导致裂纹和疲劳问题的出现。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型要解决的技术问题在于提供一种3D打印粉末颗粒结构，本实用新型提供的一种3D打印粉末颗粒结构可以提高整体的球形度，提高粉末流动性。
本实用新型提供了一种3D打印粉末颗粒结构，包括球形金属合金颗粒以及包覆于所述球形金属合金颗粒表面的金属包覆层，所述金属包覆层的金属选自Ni、Cr、Ti、Mo、Co或合金金属。
优选的，所述合金金属选自球形不锈钢合金或球形钛合金颗粒。
优选的，所述不锈钢合金材质选自型号为303、304、316L、S310或S220 的不锈钢合金，所述钛合金选自Ti6Al4V、Ti-CP、TA15、TC11、TC18。
优选的，所述球形金属合金颗粒的粒径为15微米～80微米，所述包覆层的厚度为100nm～3000nm。
优选的，所述球形金属合金颗粒选自球形不锈钢合金颗粒或球形钛合金颗粒。
优选的，其特征在于，所述不锈钢合金材质选自型号为303、304、316L、 S310或S220的不锈钢合金，所述钛合金选自Ti6Al4V、Ti-CP、TA15、TC11、 TC18。
优选的，所述Ni、Cr、Ti、Mo、Co的纯度均为3N以上。
优选的，所述3D打印粉末颗粒结构的球形度＞0.89。
与现有技术相比，本实用新型提供了一种3D打印粉末颗粒结构，其特征在于，包括球形金属合金颗粒以及包覆于所述球形金属合金颗粒表面的金属包覆层，所述金属包覆层的金属选自Ni、Cr、Ti、Mo、Co或合金金属。本实用新型通过在球形金属合金颗粒表面包覆一层金属包覆层，表面的光滑度进一步提高，从而提高了球形度高；同时比表面积也相应减小，减少了吸附性，很好的解决了粉体流动性问题。使得3D打印的产品光滑度高，内部缺陷少强度高，进而提高了产品的实用性和价值。球形度高，松装密度高，使得流动性很好；提高了送粉稳定性和铺粉的均匀性，使得部件缺陷率降低。同时采用包覆结构这种新型的形成3D打印合金材料的方式，在使工艺过程更好的控制得同时，打印出的样品力学性能也俱佳。
附图说明
图1为本实用新型提供的3D打印粉末材料的结构示意图；
图2为采用磁控溅射的方式在基材表面包覆金属包覆层的原理图；
图3为采用多弧离子镀的方式在基材表面包覆金属包覆层的原理图。
具体实施方式
本实用新型提供了一种3D打印粉末颗粒结构，其特征在于，包括球形金属合金颗粒以及包覆于所述球形金属合金颗粒表面的金属包覆层，所述金属包覆层的金属选自Ni、Cr、Ti、Mo、Co或合金金属。
本实用新型提供的3D打印粉末材料以球形金属合金颗粒为基材，其中，所述球形金属合金颗粒的粒径为15微米～80微米，优选为30～60微米，进一步优选为40～50微米。
所述球形金属合金颗粒选自球形不锈钢合金颗粒或球形钛合金颗粒。所述不锈钢合金材质选自型号为303、304、316L、S310或S220的不锈钢合金，所述钛合金选自Ti6Al4V、Ti-CP、TA15、TC11、TC18。
在本实用新型中，所述金属合金颗粒粉末通过雾化法制备得到。
本实用新型提供的3D打印粉末材料在所述基材表面包覆有包覆层，所述包覆层为金属包覆层，所述金属包覆层的金属选自Ni、Cr、Ti、Mo、Co 或合金金属。在本实用新型的一些具体实施方式中，所述合金金属选自球形不锈钢合金或球形钛合金颗粒。优选的，所述不锈钢合金材质选自型号为 303、304、316L、S310或S220的不锈钢合金，所述钛合金选自Ti6Al4V、 Ti-CP、TA15、TC11、TC18。
所述包覆层的厚度为100nm～3000nm，优选为200～2500nm，进一步优选为500～2000nm，最优选为1000～1500nm。
所述Ni、Cr、Ti、Mo、Co的纯度均为3N以上的纯度为3N以上。
参见图1，图1为本实用新型提供的3D打印粉末材料的结构示意图。图1中，A为球形金属合金颗粒，B为金属包覆层。
本实用新型还提供了一种上述3D打印粉末材料的制备方法，包括以下步骤：
在球形金属合金颗粒表面包覆金属包覆层。
在本实用新型中，所述包覆的方法选自PVD金属沉积、真空蒸发、磁控溅射、电子束蒸发或电弧离子镀。
其中，在进行包覆金属包覆层时，要不断振动球形金属合金颗粒粉体，使粉体处于不断翻动的状态，以保证球形金属合金颗粒表面可以均匀包覆金属。
在本实用新型的一些具体实施方式中，采用磁控溅射的方式在基材表面包覆金属包覆层，原理图参见图2，图2为采用磁控溅射的方式在基材表面包覆金属包覆层的原理图。图2中，1.真空腔体、2.磁控阴极、3.真空抽气口、 4.工艺进气口、5.粉体振动电机、6.靶材：镀膜材料、7.基材：球形金属合金颗粒、8.样品台、9.接地、10.加热装置、11.真空测量装置。
其中，所述工艺进气口所通入的气体为Ar气。
在本实用新型的另一些具体实施方式中，采用多弧离子镀的方式在基材表面包覆金属包覆层，原理图参见图3，图3中，1.真空腔体、2.多弧弧源、 3.真空抽气口、4.工艺进气口、5.粉体振动电机、6.靶材：镀膜材料、7.基材：合金粉体、8.样品台、9.接地、10.加热装置、11.真空测量装置、12.引弧针。
本实用新型还提供了一种3D打印制件，由上述3D打印粉末材料通过 3D打印制备得到。
本实用新型对所述3D打印的方法并没有特殊限制，本领域技术人员公知的方法即可，包括选区激光熔化、电子束选区熔化或激光近净成形。
本实用新型采用成熟的包覆工艺在基材表面进行均匀镀膜，使制备的3D 打印粉末材料表面粗糙度进一步降低，表面进一步光滑、平整。表面包覆的纯度高的金属层，使得这种纳米复合结构的抗氧化性能大幅提高；从而提高了粉末流动性，同时也提高了成型纯度。这种核膜结构在熔化状态下转变为合金状态，增强了机械性能：拉伸强度、拉伸塑性等。本实用新型的包覆粉末在微观上具有多相性，包覆完整，可按不同需求突出各组分的特点；在宏观上具有均一性，可使产品金相结构均匀；大大减少或消除传统单纯粉末混合所产生的不均匀，从而所造成的产品成分组织不一、性能不稳定的弊病。本实用新型提供的3D打印材料粒径均匀，球形度高，比表面积小，因此，流动性很好。打印出的样品表面光泽、收缩率小、密度高、不易变形、力学性能俱佳。
为了进一步理解本实用新型，下面结合实施例对本实用新型提供的3D 打印粉末材料及其制备方法以及一种3D打印制件进行说明，本实用新型的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
1.选用钛合金Ti6Al4V粉体作为基材，粉体为采用电极感应气雾化 (EIGA)法制备的3D粉末，粒径范围15～45微米。
2.选用图2所示的装置进行3D打印粉末材料的制备，打开真空腔体1，将粉体材料平铺在样品台8上，粉末厚度为4mm左右。同时将所需要沉积的Cr金属靶材6纯度4N5(99.995％)安装到磁控阴极2上，紧固。
3.关闭真空腔体，启动真空泵从抽气口3位置将腔体抽成真空，等到从真空测量设备11上读到真空度2*10-3<\/sup>pa以下为宜。
4.此时打开真空加热装置10，将腔内温度均匀维持在180摄氏度；然后开启工艺进气口4，通入280sccm的Ar气，将真空腔体内真空度维持在 0.75pa。启动通在阴极2上的中频电源，此时启辉，开始有金属原子轰击出来附着在基材7上。中频电源采用5KW。
5.启动粉体振动电机5，保持粉体处于动态跳动状态，以利于均匀形成粉体包覆层。
6.沉积25分钟后，将电源关闭。待腔内温度冷却降低到80摄氏度以下，放气取出包覆性的钛合金粉体，得到3D打印粉末材料。
7.此时包覆层Cr的厚度在800nm左右，此时实施例1得到的粉末，其球形度、粉末流动性都有很大的改善。通过表1的数据得知，此包覆结构很大的改善了3D金属粉末的性能，对提高3D打印产品性能有很大的作用。粉末的在包覆前后的性能对比如下：粉末的流动性用霍尔流速计进行计量标定。粉末的在包覆前后的流动性见表1：
表1实施例1制备得到的3D打印粉末材料的性能
实施例2
1.选用不锈钢Ti6Al4V粉体作为基材，粉体为采用电极感应气雾化制备的3D粉末，粒径范围15～60微米
2.打开真空腔体1，将粉体材料平铺在样品台8上，粉末厚度为2.5mm 左右。同时将所需要沉积的Ti6Al4V金属靶材6安装到磁控阴极2上，紧固。
3.关闭真空腔体，启动真空泵从抽气口3位置将腔体抽成真空，等到从真空测量设备11上读到真空度2*10-3<\/sup>pa以下为宜。
4.此时打开真空加热装置10，将腔内温度均匀维持在180摄氏度；然后开启工艺进气口4，通入150sccm的Ar气，将真空腔体内真空度维持在0.8pa。启动通在阴极2上的直流电源，此时启辉，开始有金属原子轰击出来附着在基材7上。直流电源采用10KW。
5.启动粉体振动电机5，保持粉体处于动态跳动状态，以利于均匀形成粉体包覆层。
6.沉积40分钟后，将电源关闭。待腔内温度冷却降低到80摄氏度以下，放气取出包覆性的不锈钢粉体，即为我们所的产品。
7.此时包覆层Ti6Al4V的厚度在900nm左右。
此时实施例2得到的粉末，其球形度、粉末流动性都有很大的改善，同时松装密度也有很大的提高，进一步改善了3D粉末性能。通过表2的数据得知，此包覆结构很大的改善了3D金属粉末的性能，对提高3D打印产品性能有很大的作用。粉末的在包覆前后的性能对比如下：
表2实施例2制备得到的3D打印粉末材料的性能
实施例3
1.选用钛合金粉体TC18作为基材，粉体为采用真空感应气雾化法 (VIGA)制备的3D粉末，粒径范围18-35微米
2.打开真空腔体1，将粉体材料平铺在样品台8上，粉末厚度为3mm 左右。同时将所需要沉积的Mo金属靶材6纯度5N(99.999％)安装到多弧弧源2上，紧固。
3.关闭真空腔体，启动真空泵从抽气口3位置将腔体抽成真空，等到从真空测量设备11上读到真空度2*10-3<\/sup>pa以下为宜。
4.此时打开真空加热装置10，将腔内温度均匀维持在150摄氏度；然后开启工艺进气口4，通入80sccm的Ar气，将真空腔体内真空度维持在0.1pa。引弧针12施加800V负偏压，触发Mo靶材产生辉光，采用脉冲电源。此时开始有金属原子蒸发附着在基材7上
5.启动粉体振动电机5，保持粉体处于动态跳动状态，以利于均匀形成粉体包覆层。
6.沉积20分钟后，将电源关闭。待腔内温度冷却降低到80摄氏度以下，放气取出包覆性的钛合金粉体，即为我们所的产品。包覆层Mo的厚度在 800nm左右。
实施例3得到的粉末，其球形度、粉末流动性都有很大的改善。通过表 3的数据得知，此包覆结构很大的改善了3D金属粉末的性能，对提高3D打印产品性能有很大的作用。粉末的在包覆前后的性能对比如下：
表3实施例3制备得到的3D打印粉末材料的性能
实施例4
将实施例1～3制备得到的3D打印粉末材料进行3D打印，采用的方法为激光选区熔化(SLM)工艺，利用激光束逐层熔化烧结粉末的方式来构造金属样品。试件在加工完成后，需经过金属热加工处理，释放加工时产生的残余应力。
采用M-Lab cursing R系列为工业级金属3D打印机，300W纤维激光，精度可达0.05mm。金属粉末选择实施例1中的Ti合金粉末Ti6Al4V，以及包覆Cr膜的Ti合金粉末。加工过程中的保护环境为氩气保护，氧含量控制在0.1％以下。成形基板选喷砂铝合金板，基板120℃预热，每种扫描路径参数成形1个试样。工艺参数设定为激光波长为1070nm，激光功率P＝200W，激光光斑直径为100μm，扫描速度v＝180mm\/s，铺粉厚度d＝40μm。扫描完这一层粉末后，根据设定的参数，工作缸就会下降一个高度，送粉缸则会上升一个高度，刮刀将会再次运动并在工作缸上铺上一层粉末，计算机读取了下一层的切片信息后，激光开始继续烧结；如此反复打印得到3D制件：厚度为15mm的长方体合金片。
将上述3D打印成形的钛合金试样放入热等静压炉中，加热温度为1050 ℃，工作压力120MPa，保压时间60min，得到最后的试样。
测定3D打印制件的性能：本实用新型实施例1制备的包覆型的钛合金粉末制备的3D制件(试样A)和未包覆的钛合金粉末制备的3D制件(试样 B)，两种粉末制备的样品外观有明显的差异，采用包覆型的钛合金粉末制备的试样A，表面较为平滑，致密度也佳，效果较好；而单纯采用钛合金粉末制备的试样B，在同样的工艺条件下，其工件相对较为粗糙，颗粒比较大，材料内部容易出现孔洞。
热处理过的试样经过力学性能测试：试样A在室温下的温抗拉强度可以达到1187MPa，延伸率为3.7％；而试样B在室温下的温抗拉强度为 1030MPa，延伸率为1.9％。
包覆结构粉末制备的粉体，球形度高，比表面积高，在铺粉过程中的流动性更好，是制样后表面更光滑的一个很大原因，同时样品内部缺陷更少，致密度更高；从而获得更好的力学性能，无论是强度上还是韧性上。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920081985.3
申请日:2019-01-17
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:94(深圳)
授权编号:CN209886671U
授权时间:20200103
主分类号:B22F1/02
专利分类号:B22F1/02;B33Y70/00
范畴分类:25D;
申请人:深圳市众诚达应用材料科技有限公司
第一申请人:深圳市众诚达应用材料科技有限公司
申请人地址:518106 广东省深圳市光明新区公明街道上村社区莲塘工业城C区第39栋一楼
发明人:黄勇彪;张晓岚;籍龙占;刘海燕;林文宝;涂代旺;李琳;黄可
第一发明人:黄勇彪
当前权利人:深圳市众诚达应用材料科技有限公司
代理人:任美玲;赵青朵
代理机构:11227
代理机构编号:北京集佳知识产权代理有限公司 11227
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