近日，3D打印技術(shù)參考注意到，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）公布了一項(xiàng)關(guān)于3D打印用鈦合金回收和低成本生產(chǎn)新粉末項(xiàng)目的合同，美國(guó)國(guó)防部 (DoD) 技術(shù)加速器的國(guó)家安全創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)部門（NSIN）將提供高達(dá)50萬(wàn)美元的研發(fā)資金，礦業(yè)公司IperionX獲得合作機(jī)會(huì)。

具體來(lái)說(shuō)，該項(xiàng)目要求企業(yè)提交3D打印用Ti-6Al-4V粉末的回收方法提案，該方案需要具有低成本制造新粉末的特點(diǎn)。Ti-6Al-4V是金屬3D打印使用*廣泛的材料之一，尤其廣泛用于航空航天領(lǐng)域。

IperionX公司首席執(zhí)行官評(píng)論說(shuō)：“贏得這一挑戰(zhàn)是美國(guó)空軍對(duì)本公司專利鈦技術(shù)的杰出認(rèn)可。我們的*技術(shù)能夠以比現(xiàn)有工藝更低的成本有效回收鈦廢金屬和其他金屬粉末，我們期待與NSIN、AFRL和其他DoD機(jī)構(gòu)密切合作，以鑒定并快速部署循環(huán)鈦金屬在關(guān)鍵防御領(lǐng)域的使用�！� AFRL的材料工程師Calvin Mikler博士補(bǔ)充道，“IperionX真正理解了該項(xiàng)目的目的，并提出了一種獨(dú)特的策略，將用過(guò)的鈦粉和廢料脫氧并再制造為適合3D打印的粉末，并用于制造航空級(jí)質(zhì)量的零件�！�

3D打印技術(shù)參考查詢了該技術(shù)的鈦合金低成本制造技術(shù)，這是一種氫輔助金屬熱還原工藝，它采用鈦礦或廢鈦合金原料，以極低的能源強(qiáng)度生產(chǎn)鈦粉，從而有可能在可持續(xù)的閉環(huán)中實(shí)現(xiàn)低成本、低碳排放的生產(chǎn)。該過(guò)程使用氫使Ti-O 不穩(wěn)定，利用用Mg還原TiO2實(shí)現(xiàn)還原脫氧，形成滿足工業(yè)需要的低氧含量的TiH2，然后通過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法將TiH2進(jìn)一步加工成鈦金屬。

去年，IperionX與美國(guó)能源部 (DOE) 和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL) 合作，驗(yàn)證了該公司的Ti-6Al-4V 粉末在增材制造中的使用。IperionX 獲得DoD和DOE 的批準(zhǔn)預(yù)示著該公司在政府采購(gòu)市場(chǎng)的未來(lái)，它還有可能成為其他關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域不可或缺的一部分。

國(guó)內(nèi)3D打印鈦粉低成本制造技術(shù)

此前，3D打印技術(shù)參考曾經(jīng)介紹過(guò)北京科技大學(xué)和南方科技大學(xué)在3D打印鈦粉的低成本制造技術(shù)。

北京科技大學(xué)曲選輝教授團(tuán)隊(duì)陳剛副教授等研究人員，基于氣-固兩相流理論，創(chuàng)立了流化制備3D打印用低成本金屬粉末的新方法：以傳統(tǒng)工藝制備的低成本不規(guī)則形貌粉末（如氫化脫氫鈦粉、還原鎢粉等）為原料，在適當(dāng)溫度下，不規(guī)則形貌的粉末顆粒（固體）在流動(dòng)氣體（流體）作用下互相碰撞，呈現(xiàn)出流態(tài)化現(xiàn)象，顆粒間的冶金結(jié)合和塑性變形顯著改善不規(guī)則粉末的形貌、球形度和流動(dòng)性，并可以實(shí)現(xiàn)粉末流動(dòng)性和雜質(zhì)可控。

該工藝具有流程短、收得率高、能耗低、易于規(guī)�；�等特點(diǎn)。流化粉末性能與球形粉末相當(dāng)，成本較霧化球形粉降低60%以上，所制3D打印制品性能優(yōu)異。采用SLM技術(shù)打印的純鈦流化粉成形件的氧含量為0.17±0.01wt.%，室溫抗拉強(qiáng)度602±4.6MPa，斷裂延伸率20.1±1.2%，這些數(shù)據(jù)和EOS給出的官方性能相當(dāng)。

基于該工藝制備的粉末能否用于SLM技術(shù)，*受質(zhì)疑的是關(guān)于粉末的流動(dòng)性問(wèn)題。對(duì)此，北科大的研究人員發(fā)表了相關(guān)論文。研究指出，處理后的粉末相比原料粉具有更好的平滑度；除了形狀的改變，5μm以下的細(xì)粉也顯著減少，平均粒徑從原料粉的28.6 μm增大到550℃處理后的33.9μm,這也意味著，流化處理對(duì)*終粒徑范圍和平均粒徑的影響較小。在粉末的流動(dòng)性方面，450℃處理后粉末的流動(dòng)性為35.2±0.3s/50g, 它與已商用化的類似粒度范圍的高球形度TC4具有相當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性，因此并不必過(guò)多擔(dān)心鋪粉的問(wèn)題。

該團(tuán)隊(duì)以低成本氫化脫氫粉末為原料，通過(guò)流化技術(shù)已經(jīng)研制出了Ti、Ti-6Al-4V、TiTa、Nb521、NbTi等3D打印高熔點(diǎn)微細(xì)粒徑金屬粉末，供應(yīng)給中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院、鋼鐵研究總院、北京隆源、上海第九人民醫(yī)院等單位，應(yīng)用于航天/航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件與醫(yī)用植入體的3D打印成形，用戶評(píng)價(jià)良好。該創(chuàng)新工藝榮獲了第四屆冶金青年創(chuàng)新創(chuàng)意大賽二等獎(jiǎng)，第六屆中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”北京賽區(qū)二等獎(jiǎng)。

南方科技大學(xué)嚴(yán)明教授課題組類似的鈦粉成型方式。其采用的原始材料同樣是氫化脫氫工藝制備的不規(guī)則、流動(dòng)性極差的鈦粉，與北科大不同之處在于，其采用的是機(jī)械球磨方式。球磨可以改變粉末的形狀，機(jī)械合金化對(duì)材料性能具有潛在的影響機(jī)制。采用的氫化脫氫鈦粉平均粒徑為35μm，按照10:1的球料比進(jìn)行球磨，并通以氬氣防止鈦粉發(fā)生氧化。在球磨過(guò)程中還需加入少量硬脂酸（至關(guān)重要），它對(duì)粉末顆粒的粉碎具有助磨效應(yīng)，可以減小粉末顆粒對(duì)球磨體的粘附程度。硬脂酸的熔沸點(diǎn)較低，在鈦粉打印過(guò)程中可以揮發(fā)去除。球磨過(guò)后，粉體呈近球形，均一度較好，流動(dòng)性得到較大改善。

機(jī)械合金化也發(fā)生在球磨過(guò)程中，由于磨球碰撞，氫化脫氫鈦粉表皮脫落會(huì)引入磨球元素，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)氫化脫氫鈦粉的成分改性。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，還可以在球磨處理過(guò)程中，摻入第二相粉體，以優(yōu)化氫化脫氫鈦粉的改性過(guò)程，使得到的近球形鈦粉性能更加優(yōu)良。

通過(guò)整形改性后的氫化脫氫鈦粉在流動(dòng)性和粒徑方面是可接受的，已經(jīng)具備了可打印性。采用整形改性后的氫化脫氫鈦粉和優(yōu)化的打印工藝，*終SLM成型件的性能遠(yuǎn)超EOS官方數(shù)據(jù)，其中抗拉強(qiáng)度達(dá)到900Mpa，延伸率20％，硬度也高于APC球形鈦粉的打印件硬度。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，增材制造比傳統(tǒng)制造更適合處理回收材料，這僅僅是因?yàn)殚_始時(shí)浪費(fèi)的材料數(shù)量要少得多。國(guó)際能源署 (IEA) 估計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)2050年的目標(biāo)，到2030年必須在清潔能源上花費(fèi)4.5萬(wàn)億美元。這些資金中的很大一部分很可能會(huì)用于建立先進(jìn)制造和回收之間的聯(lián)系。

如果不大幅度、迅速的擴(kuò)大回收能力，要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大3D打印的生產(chǎn)規(guī)模并降低碳排放的目標(biāo)似乎是不可能的。廢粉回收和再制造正是3D打印有可能在未來(lái)幾年內(nèi)獲得更大規(guī)模投資的應(yīng)用類型。

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