近日，3D打印技術(shù)參考注意到，美國空軍研究實驗室（AFRL）公布了一項關于3D打印用鈦合金回收和低成本生產(chǎn)新粉末項目的合同，美國國防部 (DoD) 技術(shù)加速器的國家安全創(chuàng)新網(wǎng)絡部門（NSIN）將提供高達50萬美元的研發(fā)資金，礦業(yè)公司IperionX獲得合作機會。

具體來說，該項目要求企業(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。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域。

IperionX公司首席執(zhí)行官評論說：“贏得這一挑戰(zhàn)是美國空軍對本公司專利鈦技術(shù)的杰出認可。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機構(gòu)密切合作，以鑒定并快速部署循環(huán)鈦金屬在關鍵防御領域的使用。” AFRL的材料工程師Calvin Mikler博士補充道，“IperionX真正理解了該項目的目的，并提出了一種獨特的策略，將用過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，以極低的能源強度生產(chǎn)鈦粉，從而有可能在可持續(xù)的閉環(huán)中實現(xiàn)低成本、低碳排放的生產(chǎn)。該過程使用氫使Ti-O 不穩(wěn)定，利用用Mg還原TiO2實現(xiàn)還原脫氧，形成滿足工業(yè)需要的低氧含量的TiH2，然后通過行業(yè)標準方法將TiH2進一步加工成鈦金屬。

去年，IperionX與美國能源部 (DOE) 和橡樹嶺國家實驗室(ORNL) 合作，驗證了該公司的Ti-6Al-4V 粉末在增材制造中的使用。IperionX 獲得DoD和DOE 的批準預示著該公司在政府采購市場的未來，它還有可能成為其他關鍵經(jīng)濟領域不可或缺的一部分。

國內(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)介紹過北京科技大學和南方科技大學在3D打印鈦粉的低成本制造技術(shù)。

北京科技大學曲選輝教授團隊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，在適當溫度下，不規(guī)則形貌的粉末顆粒（固體）在流動氣體（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、球形度和流動性，并可以實現(xiàn)粉末流動性和雜質(zhì)可控。

該工藝具有流程短、收得率高、能耗低、易于規(guī)模化等特點。流化粉末性能與球形粉末相當，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。

基于該工藝制備的粉末能否用于SLM技術(shù)，*受質(zhì)疑的是關于粉末的流動性問題。對此，北科大的研究人員發(fā)表了相關論文。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*終粒徑范圍和平均粒徑的影響較小。在粉末的流動性方面，450℃處理后粉末的流動性為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?shù)牧鲃有�，因此并不必過多擔心鋪粉的問題。

該團隊以低成本氫化脫氫粉末為原料，通過流化技術(shù)已經(jīng)研制出了Ti、Ti-6Al-4V、TiTa、Nb521、NbTi等3D打印高熔點微細粒徑金屬粉末，供應給中國航發(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，應用于航天/航空發(fā)動機關鍵部件與醫(yī)用植入體的3D打印成形，用戶評價良好。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，第六屆中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”北京賽區(qū)二等獎。

南方科技大學嚴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、流動性極差的鈦粉，與北科大不同之處在于，其采用的是機械球磨方式。球磨可以改變粉末的形狀，機械合金化對材料性能具有潛在的影響機制。采用的氫化脫氫鈦粉平均粒徑為35μm，按照10:1的球料比進行球磨，并通以氬氣防止鈦粉發(fā)生氧化。在球磨過程中還需加入少量硬脂酸（至關重要），它對粉末顆粒的粉碎具有助磨效應，可以減小粉末顆粒對球磨體的粘附程度。硬脂酸的熔沸點較低，在鈦粉打印過程中可以揮發(fā)去除。球磨過后，粉體呈近球形，均一度較好，流動性得到較大改善。

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

通過整形改性后的氫化脫氫鈦粉在流動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成型件的性能遠超EOS官方數(shù)據(jù)，其中抗拉強度達到900Mpa，延伸率20％，硬度也高于APC球形鈦粉的打印件硬度。

從長遠來看，增材制造比傳統(tǒng)制造更適合處理回收材料，這僅僅是因為開始時浪費的材料數(shù)量要少得多。國際能源署 (IEA) 估計，為了實現(xiàn)2050年的目標，到2030年必須在清潔能源上花費4.5萬億美元。這些資金中的很大一部分很可能會用于建立先進制造和回收之間的聯(lián)系。

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

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