近日，省科學院材料與加工所粉末冶金研究室科研團隊在粉末冶金近凈成形技術研究取得新突破，在金屬3D打印粉末特性適用性評價領域和鈦粉末注射成形領域均取得重要進展。

　　一、金屬3D打印粉末特性適用性評價研究

　　金屬3D打印技術具有的高性能自由實體成形制造特征，使其在航空航天、生物醫(yī)療、動力能源等高新技術相關領域具有廣闊的應用前景，并已對這些領域的技術進步產(chǎn)生了革命性的影響。明確金屬粉末與高能量束作用過程的冶金機理是3D打印創(chuàng)新發(fā)展的基礎，其關鍵技術之一是金屬粉末的3D打印適用性評價。

　　材料與加工所粉末冶金研究室的科研人員致力于3D打印專用金屬材料的粉末尺寸分布、形貌和化學成分的設計與優(yōu)化工作。近期研究發(fā)現(xiàn)，粉末的尺寸分布對激光選區(qū)熔化（SLM）鈷基合金組織與性能具有顯著調(diào)控作用，通過調(diào)整粉末尺寸分布（見圖1），打印樣品在退火后，晶粒形態(tài)和沉淀相數(shù)量出現(xiàn)顯著差異：在不改變激光工藝參數(shù)條件下，通過改變粉末粒度分布（10-30μm，10-53μm兩組），可有效調(diào)控熱處理后的3D打印制件中金屬間化合物沉淀相Co3W2Si的數(shù)量和形態(tài)（圖1），由此控制再結(jié)晶過程（圖2），從而實現(xiàn)組織與性能的優(yōu)化。該研究為解決增材制造原材料與設備兼容性問題提供了技術參考。

　　相關研究成果Effects of Powder Size Distribution on the Microstructural and Mechanical Properties of a Co-Cr-W-Si Alloy Fabricated by Selective Laser Melting發(fā)表于《Journal of Alloys and Compounds》825卷，李克峰博士為第一作者，劉辛教授為本文通訊作者。該工作得到了廣東省科學院博士引進專項資金項目的支持。

　　

　　

圖1 兩種尺寸分布，PSD- (10-30 μm)和PSD+(10-53 μm)粉末打印后熱處理態(tài)組織圖及其拉伸性能，PSD+粉末中析出相為Co3W2Si

　　

　　

圖2 兩種尺寸分布粉末打印后熱處理態(tài)晶粒形貌、晶界分布和Σ3孿晶界（60？）占比

　　論文鏈接：

　　https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.153973

　　二、鈦粉末注射成形研究

　　金屬鈦由于具有高比強度、優(yōu)異的生物相容性、耐腐蝕性等特點，在生物醫(yī)用、航空航天、化工及體育休閑等領域得到廣泛應用。由于難以提取和加工難度大，金屬鈦的制備成本一直居高不下，難以大規(guī)模推廣。金屬注射成形（MIM）是一種將現(xiàn)代塑料注射成形技術引入到粉末冶金領域而形成的一種近凈成形技術，可以有效地解決金屬鈦加工難度大的問題，實現(xiàn)小型復雜形狀鈦產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)。然而，目前金屬鈦MIM原材料多使用昂貴的球形鈦粉，導致最終產(chǎn)品成本過高，限制其大規(guī)模應用。

　　材料與加工所粉末冶金研究室的科研人員采用成本低廉的氫化鈦粉末全部或部分替代球形鈦粉，研究了氫化鈦粉末添加對MIM注射生胚在脫脂和真空燒結(jié)過程中組織結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，氫化鈦粉末的不規(guī)則形狀會引起催化脫脂率的降低，導致燒結(jié)樣品碳、氧含量的增加。在燒結(jié)過程中，鈦與粘結(jié)劑中的碳在高溫下會原位生產(chǎn)TiC，最終樣品為內(nèi)生TiC顆粒增強的鈦基復合材料。由于TiC顆粒的存在，樣品的強度、硬度、耐摩擦性能比市售純鈦都得到提高。研究證明，氫化鈦粉末的適當添加可降低鈦MIM的最終成本，有潛力應用于可穿戴醫(yī)療器械等領域。

　　相關研究成果Effect of titanium hydride powder addition on microstructure and properties of titanium powder injection molding發(fā)表于粉末冶金領域權(quán)威期刊《Powder Technology》，研究所與中南大學聯(lián)合培養(yǎng)研究生胡凱為第一作者，材料與加工所為第一單位。研究所鄒黎明高工與劉辛教授為論文共同通訊作者，該工作得到了廣東省、廣州市對外合作專項的資助。

　　

　　

圖3催化脫脂前后不同喂料的SEM圖：

　　（a,c）氫化鈦添加比例為60%（b,d）純球形鈦粉

　　

　　

圖4 最終燒結(jié)樣品的TEM圖

　　論文鏈接：

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032591020302540?via%3Dihub

　　（省科學院材料與加工所施麒/供稿）