米乐m6官方网站 (AIST) 制造技术研究部首席研究员 Hirotomo Itagaki等离子加热的金属颗粒的技术通过控制气流和压力形成完美的球体。
金属3D打印技术金属增材制造中，主要使用粒径为10至150μm的金属粉末。要制造高质量的产品，需要使用接近真球体、粒度分布和形状均匀、缺陷少的金属粉末作为成型材料。另外，粉末中粉末颗粒之间含有许多间隙。填充密度粉末会导致打印物体出现空隙和裂纹等内部缺陷，从而导致产品质量差和可靠性问题。
在这项研究中，我们开发了一种装置，在等离子体热处理过程中使用压力控制来控制气体分子的运动，从而有效地分离出适合金属增材制造的粒径和接近真实球体形状的金属颗粒，以及作为副产品生成的粒径为 1 µm 或更小的细颗粒。我们成功地生产出了即使采用松散堆积方法也能提高堆积密度的金属粉末。该技术可以将各种形状的金属粉末加工成适合增材制造的颗粒。廉价的材料和废旧粉末可用于以低成本制造高质量的产品。
该开发产品将于 2024 年 10 月 29 日起在高功能材料周展位（可持续材料展 39-25）展出。
与铸造、锻造等传统方法相比，金属增材制造方法可以使金属零件更轻、功能更强、可定制化，并减少制造时间。特别是在航空航天等领域，人们正在考虑将增材制造应用于各种零件，因为它的优点是可以缩短使用难加工材料的零件的制造时间，并通过集成制造减轻重量。此外，使用金属和树脂等各种材料的增材制造技术也得到了发展，全球使用的金属增材制造设备的累计数量从2011年到2021年增加了约14倍（Wohlers Report 2022）。此外，预计到2030年年均增长率将达到239%（Grand View Research，2022年2月），金属层压技术有望成为一种新的制造技术。
在金属增材制造中，主要使用粒径为10至150微米的细金属粉末。该方法的稳定性和建模物体的质量很大程度上受到粉末特性的影响，因此提高粉末的特性和质量对于创建高质量的物体极其重要。金属粉末中含有的气泡和间隙，以及金属粉末堆积密度的降低，会导致物体内部出现空隙、裂纹等内部缺陷。因此，用作造型材料的粉末材料必须是粒度分布均匀、形状接近真球、堆积密度高、气泡或间隙少的金属粉末。许多金属粉末的制造都是为了满足高质量标准气体雾化法，但制造成本较高，且可使用的材料种类有限。因此，需要开发一种高生产率生产适合增材制造的金属粉末的方法。
在AIST，为了增加可用于金属增材制造的材料种类并实现廉价且高生产率的粉末制造技术，我们正在进行研究和开发，以使用等离子体加热从非球形金属粉末制造高度球形和均匀形状的颗粒。水雾化法制成的粉末和粉碎的粉末是非球形的，不适合增材制造。这个直流电弧等离子体进行加工来制造出高球形度的粉末，那么我们就可以提高增材制造工艺所需的粉末的流动性和填充性能，从而能够制造出高质量的物体，从而进行开发。此外，通过利用压力改变气体原子和等离子体粒子的平均自由程，可以选择性地分级作为副产物产生的1μm以下的细粒子，并且我们相信，通过使用等离子体，还可以期望提高等离子体中的离子、电子和活性物种对粉末表面的润湿性并去除杂质。
当使用直流电弧等离子体将金属粉末加热至高于其熔点的高温时，金属粉末会熔化或汽化，因此控制熔化非常重要。在加热过程中，粉末颗粒的表面被加热，热量传递到内部，最终使粉末颗粒熔化并形成球形颗粒。该过程在粉末颗粒的表面和内部之间产生温差。金属在表面附近蒸发，因为它超过了其沸点。该气化的金属可能会再次固化而形成粒径为1μm以下的细小颗粒，该细颗粒可能会附着在加工后的金属粉末上。这导致球形度和流动性下降，以及表面杂质增加。提高等离子体温度（输入功率）对于提高粉末颗粒的球化效率是有效的，但这会增大粉末颗粒表面和内部的温差，从而增加金属蒸发量。其结果是，再固化的微粒子数增加，附着于球状粉末粒子的微粒子数也增加，填充密度及流动性恶化。
为了解决这个问题，我们开发了一种等离子处理技术，通过控制气流和压力来管理金属粉末的蒸发和再凝固，并仅去除粒径为 1 µm 或更小的细颗粒。这使得可以在细颗粒附着到加工的金属粉末之前有效地去除它们。
图1 所开发设备的照片和等离子体处理过程的概要
图 1 显示了所开发设备的照片和流程概览。在此过程中，可以通过控制压力来调节气体分子的平均自由程。当粉末颗粒的粒径变得小于平均自由程时，流体阻力呈指数下降。坎宁安修正系数 (抄送），在常压下，粒径约为1 µm抄送当粒径开始大于1时，当粒径小于1μm时，气体原子平均自由程的影响就不再可以忽略，流体阻力开始减小。压力越低，流体阻力开始减小时的颗粒尺寸越大。金属增材制造所用粉末的粒径为10～150μm，因此通过控制气体分子的平均自由程，可以降低几微米或更小的细颗粒的流体阻力，并有效地将其去除。在这项研究中，控制气流是为了去除因金属粉末蒸发而重新凝固的细小颗粒，然后再附着在金属粉末颗粒上。因此，我们设计了一种装置，可以调节工艺压力并产生去除气流，以提高电弧等离子体加热源附近喷射细颗粒的效率。结果，我们成功地将增材制造中使用的直径为 10 至 70 µm 的颗粒与直径为 1 µm 或更小的细颗粒分离。
图2 等离子处理前后金属粉末形状
图2显示了等离子处理之前和之后用扫描电子显微镜拍摄的金属粉末颗粒的照片。该照片显示等离子处理后球形金属粉末颗粒的数量增加。等离子处理后，圆形度为95%以上的球形颗粒的比例比处理前增加了约5倍。此外，通过增加球形颗粒的数量，使粉末流化所需的能量减少了大约一半，成功地改善了流动性（图 3）。
图3 等离子体处理前后球形颗粒数与流动能的比值变化
图4显示了用扫描电子显微镜拍摄的一般等离子体处理后的金属粉末颗粒和使用开发的技术生产的金属粉末颗粒的照片。如果放大观察用传统方法进行等离子体处理的金属粉末颗粒，可以看到其表面附着有许多细小颗粒（图4（a））。另一方面，在采用气流控制和流体平均自由程（压力）控制技术的工艺中，利用颗粒尺寸引起的流体阻力差异，获得表面没有细颗粒附着的球形金属粉末颗粒。 （图4（b））。
图4 使用(a)一般方法和(b)开发技术生产的金属粉末
图5（左）是使用粉末床熔融（PBF）型建模装置创建的增材制造物体的照片，该装置使用未处理的金属粉末（粒状粉末）和等离子体处理的金属粉末（粒状粉末）作为材料。当使用等离子处理的金属粉末作为材料进行造型时，造型表面可以看到金属光泽，表明表面粗糙度（算术平均粗糙度）得到了改善。这被认为是由于等离子处理提高了金属粉末的填充密度并减少了金属粉末之间的间隙，从而抑制了熔化和凝固期间的体积减小。
图5 PBF型增材制造装置生产的各粉末的建模对象
我们将继续开发有效的等离子体和建模工艺，即使使用非球形金属粉末也能实现高质量的增材制造。此外，作为再生因增材制造而质量下降的金属粉末的特性的技术（回收技术），我们将对增材制造进行评估，包括金属粉末的再利用性。我们希望促进行业与政府的合作活动，通过降低金属粉末制造工艺的成本，促进金属增材制造技术在市场上的传播。