[0001] 本发明属于 3D打印制造领域， 具体涉及一种用于 3D打印制造的铝粉， 并进一步 涉及该铝粉的制备方法。

背景技术

[0002] 3D打印技术是一种通过逐层增加堆积材料来生� ��三维实体的快速增材制造技术 ， 不但克服了传统减材制造造成的损耗， 而且使产品制造更智能化， 更精准， 更高效。 尤其是涉及到复杂形状的高端制造， 3D打印技术显示出巨大的优越性 。 3D打印技术是一项具有工业革命意义的高新制� ��技术， 代表了世界制造业发 展的新趋势， 对于加快先进制造业发展、 促进工业转型升级具有重要的引领作 用。 随着高端制造业的发展， 目前 3D打印制造技术受到高度关注， 与机器人技 术、 人工智能技术一起被称为推动第三次工业革命 的关键技术。

[0003] 由于 3D打印制造技术完全改变了产品的成型方式和� ��理， 是对传统制造模式的 颠覆， 因此材料瓶颈成为限制 3D打印发展的问题， 也是 3D 打印突破创新的关键 点和难点所在。 目前， 3D打印技术中常用的材料是塑料材料， 利用塑料材料热 塑性可熔融的特性， 在熔融状态下， 从喷头处挤压出来， 通过凝固层层叠加最 终形成产品。 由于塑料材料良好的热流动性、 快速冷却粘接性、 较高的机械强 度， 在 3D打印制造领域得到快速的应用和发展。 而 3D打印的最终发展是在高端 工业领域应用， 树脂塑料还无法满足高端工业 3D打印的需要， 因此 3D打印材料 逐步从树脂塑料向金属材料发展。

[0004] 金属粉末作为 3D打印原料， 主要采用高功率的能量束如激光、 电子束作为热源 ， 使粉末材料进行选区熔化， 冷却结晶后形成堆积层连续成型， 形成最终产品 。 由于金属粉末熔化温度高， 容易氧化， 影响制品的强度， 且激光熔化后的材 料凝固会造成金属体积收缩， 造成巨大的材料热应力， 严重影响材料强度。 另 夕卜， 由于金属粉末粒径和分布的影响， 冷却结晶过程复杂， 结晶过程很难定量 控制， 一旦出现晶体粗大、 枝晶等必将造成材料成型后的力学性能降低的 问题 ， 最终结果就是关键构件没办法获得实际应用。

中国发明专利 CN103862040A公开了一种用于 3D打印的镁基金属粉末材料， 以包 裹有松香包膜的镁粉为基本材料， 以包裹有松香薄膜的镍粉为支撑材料， 以铝 粉为中间材料， 通过混合搅拌而成。 为了得到高强度的合金器件， 采用了多种 金属共混的方法。

[0005] 中国发明专利 CN103801704A公开了一种用于 3D打印的铜粉， 采用氩气保护炉熔 炼 TU0无氧铜至 1250〜1400°C， 通过炉底吹氩来去除熔融铜液内的夹杂， 使铜液 完全熔化并温度均匀。 通过漏包坩埚和导流嘴流经气雾化喷嘴， 形成小液滴， 得到的铜粉球形较好， 但粒径较大， 因此在用于 3D打印制造时熔融温度高， 难 以控制。

[0006] 根据上述， 目前在 3D打印制造应用的金属粉末， 存在着熔融温度高、 粒径大、 氧含量高、 球形度差、 成分均匀性差以及粒度分布不佳等问题。 因此金属粉由 于粗细不均匀， 熔化不均， 在凝固时会造成体积收缩， 造成材料结构缺陷， 强 度受损

发明概述

技术问题

[0007] 目前 3D打印金属粉末有粒径粗、 分布不均匀、 含氧量高、 熔化温度高的缺陷。

问题的解决方案

技术解决方案

[0008] 本发明提出一种用于 3D打印的铝粉。 该铝粉是以白炭黑为载体， 在真空条件下 ， 将铝在 68CTC熔融后， 停留在白炭黑的空隙中， 通过氩气保护研磨形成球形铝 粉， 使球形铝粉含氧率降低， 防止氧化铝对铝的融化造成影响， 通过单体在铝 粉表面包覆聚合， 从而使铝粉用于 3D打印制造。 进一步提供用于 3D打印铝粉的 制备方法。

[0009] 一种用于 3D打印的铝粉， 是通过如下技术方案实现的：

[0010] 一种用于 3D打印的铝粉， 其特征是： 以白炭黑为载体， 白炭黑与铝的质量配比 为 1 : 300-500， 金属铝熔融停留在白炭黑的的空隙中， 通过研磨细化得到平均粒 径在 50-100nm、 球形度为 0. 75以上球形铝粉， 球形铝粉表面包覆单体并聚合， 可用于 3D打印制造。

[0011] 所述白炭黑的孔径为 100_150nm。

[0012] 所述的单体为丙烯酸酯、 甲基丙烯酸酯、 苯乙烯中的至少一种。

[0013] 本发明一种用于 3D打印的铝粉的制备方法， 其特征是按照如下方式进行：

[0014] 1 ) 将纯度为 99. 5%以上的金属铝置于真空炉中， 在 680°C熔融后， 按照白炭黑 与铝的质量配比为 1 : 300-500将白炭黑加入真空炉， 维持真空， 以 50-lOOrpm的 转速将白炭黑与熔融铝分散 3-5min， 使熔融铝停留在白炭黑的多孔的空隙中；

[0015] 2 ) 将步骤 1)得到的熔融铝-白炭黑复合物冷却后， 在氩气保护下进行研磨， 以 白炭黑 100-150nm的孔径作为铝粉成粒的隔离膜， 不但易于研磨粉碎分散， 而且 得到的铝粉粒径分布均匀， 氧含量低；

[0016] 3 ) 将步骤 2 ) 得到的铝粉 100重量份、 0. 5-1. 0重量份的单体加入反应混合器， 温度升至 80-120°C， 以 400-900rpm的高速搅拌分散 15-20分钟， 然后加入 0. 008- 0. 01重量份的引发剂， 所述的单体为丙烯酸酯、 甲基丙烯酸酯、 苯乙烯中的至 少一种， 所述的引发剂选用 2， 3-二苯基丁腈， 在引发剂的作用下， 单体在铝粉 表面聚合形成一层包膜， 聚合包覆铝粉， 得到一种用于 3D打印的铝粉。

[0017] 本发明一种用于 3D打印的铝粉， 通过白炭黑 100-150nm的孔径作为铝粉成粒的 隔离膜， 使得铝粉易于研磨粉碎， 得到的铝粉为纳米级， 粒径分布均匀， 球形 度为 0. 75以上， 为了使纳米级铝粉充分分散和具有粘接性， 采用了液状单体分 散、 包覆铝粉表面并聚合。 得到的铝粉熔化温度低， 熔化均匀， 用于 3D打印制 造时金属内部组织均匀， 产品成型精度提高， 可以用于制备复杂构件的精密金 属制品； 铝粉表面通过聚合包覆薄层粘接剂， 有效防止被氧化， 从而使铝粉用 于 3D打印制造具有高流动性和良好的热粘接成型� ��， 含氧量低于 323ppm， 在 135 °C以下条件下铝粉表面包覆的聚合物熔化并浸 润铝粉颗粒， 实现低温打印。 发明的有益效果

有益效果

[0018] 本发明一种用于 3D打印的铝粉及其制备方法， 与现有技术相比， 其突出的特点 和优异的效果在于：

[0019] 1、 本发明一种用于 3D打印的铝粉， 以白炭黑为载体， 平均粒径在 50-100nm、 球形度为 0. 75以上， 球形铝粉表面包覆单体并聚合， 可用于 3D打印制造。

[0020] 2、 本发明一种用于 3D打印的铝粉， 粒径达到纳米级， 粒径分布均匀， 因此熔 化温度低， 熔化均匀， 用于 3D打印制造时金属内部组织均匀， 产品成型精度提 高， 可以用于制备复杂构件的精密金属制品。

[0021] 3、 本发明一种用于 3D打印的铝粉， 铝粉表面通过聚合包覆薄层粘接剂， 有效 防止被氧化， 从而使铝粉用于 3D打印制造具有高流动性和良好的热粘接成型� ��

， 力学性能优异。

[0022] 4、 本发明一种用于 3D打印的铝粉的制备方法， 通过白炭黑 100-150nm的孔径作 为铝粉成粒的隔离膜， 使得铝粉易于研磨粉碎， 得到的铝粉粒径分布均匀， 球 度高， 通过单体在铝粉表面包覆聚合， 包覆完全， 包覆层薄， 大幅减少了粘接 剂对金属制品强度的影响。

实施该发明的最佳实施例

本发明的最佳实施方式

[0023] 实施例 1

[0024] 1 ) 将纯度为 99. 5%以上的金属铝置于真空炉中， 在 680°C熔融后， 按照白炭黑 与铝的质量配比为 1 : 300将白炭黑加入真空炉， 维持真空， 以 50rpm的转速将白 炭黑与熔融铝分散 5min， 使熔融铝停留在白炭黑的多孔的空隙中；

[0025] 2 ) 将步骤 1)得到的熔融铝-白炭黑复合物冷却后， 在氩气保护下进行研磨， 以 白炭黑 100-150nm的孔径作为铝粉成粒的隔离膜， 不但易于研磨粉碎分散， 而且 得到的铝粉粒径分布均匀， 氧含量低；

[0026] 3 ) 将步骤 2 ) 得到的铝粉 100重量份、 0. 5重量份的丙烯酸酯加入反应混合器， 温度升至 80°C， 以 400rpm的高速搅拌分散 15分钟， 然后加入 0. 008重量份的引发 剂 2， 3-二苯基丁腈， 在引发剂的作用下， 丙烯酸酯在铝粉表面聚合形成一层包 膜， 聚合包覆铝粉， 得到一种用于 3D打印的铝粉。

[0027] 将实施例 1得到的铝粉通过检测： 性能数据如下表：

[] [表 1]

[0028] 通过 3D打印机的喷嘴进行打印， 在 125°C条件下铝粉表面包覆的聚合物熔化并 浸润铝粉颗粒， 冷却凝固后将铝粉颗粒粘接形成金属枉件， 通过后期烧结， 将 聚合物分解， 铝粉逐步熔化固化形成铝质金属件。 由于铝粉粒径细小、 分布均 匀， 因此熔化温度低， 熔化均匀， 用于 3D打印制造时金属铝件内部组织均匀， 产品成型精度提高。

发明实施例

本发明的实施方式

[0029] 实施例 2

[0030] 1 ) 将纯度为 99. 5%以上的金属铝置于真空炉中， 在 680°C熔融后， 按照白炭黑 与铝的质量配比为 1 : 400将白炭黑加入真空炉， 维持真空， 以 lOOrpm的转速将白 炭黑与熔融铝分散 5min， 使熔融铝停留在白炭黑的多孔的空隙中；

[0031] 2 ) 将步骤 1)得到的熔融铝-白炭黑复合物冷却后， 在氩气保护下进行研磨， 以 白炭黑 100-150nm的孔径作为铝粉成粒的隔离膜， 不但易于研磨粉碎分散， 而且 得到的铝粉粒径分布均匀， 氧含量低；

[0032] 3 ) 将步骤 2 ) 得到的铝粉 100重量份、 0. 5重量份的甲基丙烯酸酯加入反应混合 器， 温度升至 80°C， 以 900rpm的高速搅拌分散 20分钟， 然后加入 0. 01重量份的 引发剂 2， 3-二苯基丁腈， 在引发剂的作用下， 单体在铝粉表面聚合形成一层包 膜， 聚合包覆铝粉， 得到一种用于 3D打印的铝粉。 [0033] 将实施例 2得到的铝粉通过检测： 性能数据如下表：

[] [表 2]

[0034] 通过 3D打印机的喷嘴进行打印， 在 135°C条件下铝粉表面包覆的聚合物熔化并 浸润铝粉颗粒， 冷却凝固后将铝粉颗粒粘接形成金属枉件， 通过后期烧结， 将 聚合物分解， 铝粉逐步熔化固化形成铝质金属件。 由于铝粉粒径细小、 分布均 匀， 因此熔化温度低， 熔化均匀， 用于 3D打印制造时金属铝件内部组织均匀， 产品成型精度提高。

[0035] 实施例 3

[0036] 1 ) 将纯度为 99. 5%以上的金属铝置于真空炉中， 在 680°C熔融后， 按照白炭黑 与铝的质量配比为 1 : 500将白炭黑加入真空炉， 维持真空， 以 80rpm的转速将白 炭黑与熔融铝分散 3-5min， 使熔融铝停留在白炭黑的多孔的空隙中；

[0037] 2 ) 将步骤 1)得到的熔融铝-白炭黑复合物冷却后， 在氩气保护下进行研磨， 以 白炭黑 100-150nm的孔径作为铝粉成粒的隔离膜， 不但易于研磨粉碎分散， 而且 得到的铝粉粒径分布均匀， 氧含量低；

[0038] 3 ) 将步骤 2 ) 得到的铝粉 100重量份、 0. 5重量份的苯乙烯加入反应混合器， 温 度升至 100°C， 以 400rpm的高速搅拌分散 15分钟， 然后加入 0. 01重量份的引发剂 2， 3-二苯基丁腈， 在引发剂的作用下， 单体在铝粉表面聚合形成一层包膜， 聚 合包覆铝粉， 得到一种用于 3D打印的铝粉。

[0039] 将实施例 1得到的铝粉通过检测： 性能数据如下表： [] [表 3]

[0040] 通过 3D打印机的喷嘴进行打印， 在 115°C条件下铝粉表面包覆的聚合物熔化并 浸润铝粉颗粒， 冷却凝固后将铝粉颗粒粘接形成金属枉件， 通过后期烧结， 将 聚合物分解， 铝粉逐步熔化固化形成铝质金属件。 由于铝粉粒径细小、 分布均 匀， 因此熔化温度低， 熔化均匀， 用于 3D打印制造时金属铝件内部组织均匀， 产品成型精度提高。

[0041] 实施例 4

[0042] 1 ) 将纯度为 99. 5%以上的金属铝置于真空炉中， 在 680°C熔融后， 按照白炭黑 与铝的质量配比为 1 : 450将白炭黑加入真空炉， 维持真空， 以 50rpm的转速将白 炭黑与熔融铝分散 3min， 使熔融铝停留在白炭黑的多孔的空隙中；

[0043] 2 ) 将步骤 1)得到的熔融铝-白炭黑复合物冷却后， 在氩气保护下进行研磨， 以 白炭黑 100-150nm的孔径作为铝粉成粒的隔离膜， 不但易于研磨粉碎分散， 而且 得到的铝粉粒径分布均匀， 氧含量低；

[0044] 3 ) 将步骤 2 ) 得到的铝粉 100重量份、 0. 8重量份的甲基丙烯酸酯加入反应混合 器， 温度升至 120°C， 以 800rpm的高速搅拌分散 18分钟， 然后加入 0. 008重量份 的引发剂 2， 3-二苯基丁腈， 在引发剂的作用下， 单体在铝粉表面聚合形成一层 包膜， 聚合包覆铝粉， 得到一种用于 3D打印的铝粉。

[0045] 将实施例 1得到的铝粉通过检测： 性能数据如下表：

[] [表 4]

[0046] 通过 3D打印机的喷嘴进行打印， 在 13CTC条件下铝粉表面包覆的聚合物熔化并 浸润铝粉颗粒， 冷却凝固后将铝粉颗粒粘接形成金属枉件， 通过后期烧结， 将 聚合物分解， 铝粉逐步熔化固化形成铝质金属件。 由于铝粉粒径细小、 分布均 匀， 因此熔化温度低， 熔化均匀， 用于 3D打印制造时金属铝件内部组织均匀， 产品成型精度提高。

[0047] 实施例 5

[0048] 1 ) 将纯度为 99. 5%以上的金属铝置于真空炉中， 在 680°C熔融后， 按照白炭黑 与铝的质量配比为 1 : 500将白炭黑加入真空炉， 维持真空， 以 90rpm的转速将白 炭黑与熔融铝分散 3min， 使熔融铝停留在白炭黑的多孔的空隙中；

[0049] 2 ) 将步骤 1)得到的熔融铝-白炭黑复合物冷却后， 在氩气保护下进行研磨， 以 白炭黑 100-150nm的孔径作为铝粉成粒的隔离膜， 不但易于研磨粉碎分散， 而且 得到的铝粉粒径分布均匀， 氧含量低；

[0050] 3 ) 将步骤 2 ) 得到的铝粉 100重量份、 1. 0重量份的丙烯酸酯加入反应混合器， 温度升至 850°C， 以 900rpm的高速搅拌分散 20分钟， 然后加入 0. 01重量份的引发 剂 2， 3-二苯基丁腈， 在引发剂的作用下， 单体在铝粉表面聚合形成一层包膜， 聚合包覆铝粉， 得到一种用于 3D打印的铝粉。

[0051] 将实施例 1得到的铝粉通过检测： 性能数据如下表：

[] [表 5]

[0052] 通过 3D打印机的喷嘴进行打印， 在 125°C条件下铝粉表面包覆的聚合物熔化并 浸润铝粉颗粒， 冷却凝固后将铝粉颗粒粘接形成金属枉件， 通过后期烧结， 将 聚合物分解， 铝粉逐步熔化固化形成铝质金属件。 由于铝粉粒径细小、 分布均 匀， 因此熔化温度低， 熔化均匀， 用于 3D打印制造时金属铝件内部组织均匀， 产品成型精度提高。

工业实用性

[0053] 本发明一种用于 3D打印的铝粉， 通过白炭黑 100-150nm的孔径作为铝粉成粒的 隔离膜， 使得铝粉易于研磨粉碎， 得到的铝粉为纳米级， 粒径分布均匀， 球形 度为 0. 75以上， 为了使纳米级铝粉充分分散和具有粘接性， 采用了液状单体分 散、 包覆铝粉表面并聚合。 得到的铝粉熔化温度低， 熔化均匀， 用于 3D打印制 造时金属内部组织均匀， 产品成型精度提高， 可以用于制备复杂构件的精密金 属制品； 铝粉表面通过聚合包覆薄层粘接剂， 有效防止被氧化， 从而使铝粉用 于 3D打印制造具有高流动性和良好的热粘接成型� ��， 含氧量低于 323ppm， 在 135 °C以下条件下铝粉表面包覆的聚合物熔化并浸 润铝粉颗粒， 实现低温打印。