本發(fā)明涉及一種利用納米量熱儀模擬金屬粉末3D打印的方法，屬于金屬材料3D打印快速成形領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

3D打印，即快速成形技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)作為一項(xiàng)革命性技術(shù)，已成為全球最關(guān)注的新興技術(shù)之一，并已在消費(fèi)品、機(jī)械制造工業(yè)、汽車工業(yè)、航空工業(yè)以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域獲得部分應(yīng)用。在金屬材料零件制備領(lǐng)域，金屬材料的3D打印制造技術(shù)難度較大，這是因?yàn)榻饘俚娜埸c(diǎn)比較高，涉及到了金屬的固液相變、表面擴(kuò)散以及熱傳導(dǎo)等多種物理過(guò)程。需要考慮的問(wèn)題還包括，生成的晶體組織是否良好、整個(gè)試件是否均勻、內(nèi)部雜質(zhì)和孔隙的大小等等。另外，快速的加熱和冷卻還將引起試件內(nèi)較大的殘余應(yīng)力，為了解決這些問(wèn)題，一般需要多種制造參數(shù)相互配合。此外，目前3D打印金屬用粉主要采用高壓氣體霧化技術(shù)制備，具有粒度分布范圍大、空心球、衛(wèi)星球及粉末球形度低等缺陷，這也制約了金屬3D打印技術(shù)的推廣和發(fā)展。

快速凝固技術(shù)指的是在比常規(guī)工藝過(guò)程中快得多的冷卻速度下（可達(dá)10⁴-10⁹K/s），金屬或合金以極大速度從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程，經(jīng)過(guò)快速凝固的合金，會(huì)表現(xiàn)出一系列獨(dú)特的組織和結(jié)構(gòu)性能，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1. 擴(kuò)大固熔極限；

2. 細(xì)化晶粒；

3. 減少偏析甚至無(wú)偏析；

4. 形成亞穩(wěn)相甚至非晶組織；

5. 高的點(diǎn)缺陷密度。

因此，快速凝固技術(shù)既是一種改進(jìn)現(xiàn)有材料性能的有效生產(chǎn)工藝又是一種開發(fā)新材料的研究手段，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中具有重要的地位。目前，常用的快速凝固手段主要有氣槍法、旋鑄法、霧化法、激光或電子束表面熔凝技術(shù)等。這些技術(shù)優(yōu)劣各異，適用于不同的材料和制備目的。但是這些方法有一個(gè)共同的缺點(diǎn)難以克服：無(wú)法實(shí)現(xiàn)冷卻速度的精確控制和測(cè)量，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或理論計(jì)算得到其大致的冷卻速度。普通的差示掃描量熱儀（Differential Scanning Calorimetry）以及差熱分析儀（Differential Thermal Analyzer）最大冷卻速度僅為每分鐘數(shù)百K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足快速凝固的冷卻速度要求。

借助于納米量熱技術(shù)所開發(fā)的快速掃描量熱儀（Fast Scanning Calorimetry, FSC）可以實(shí)現(xiàn)3D打印快速成形所要求的高的加熱冷卻速度。FSC設(shè)備加熱冷卻速度快（可達(dá)10⁶K/s），并可以實(shí)現(xiàn)原位加熱。通過(guò)比例-積分-微分（Proportion-Integration-Differential, PID）電路可以實(shí)現(xiàn)加熱冷卻速度的精確控制和測(cè)量。另外，該設(shè)備靈敏度高（小于1nJ/K），可以采集到熱量的微小變化，適合微米顆粒的熱分析。FSC的數(shù)據(jù)采集頻率高（100萬(wàn)點(diǎn)/秒），信息豐富。同時(shí)，該設(shè)備所用的傳感器設(shè)計(jì)特殊，可以排除凝固過(guò)程中微滴形狀對(duì)凝固特性的影響，這樣就可以研究冷卻速度對(duì)材料凝固行為的獨(dú)立影響。

本發(fā)明申請(qǐng)人采用快速掃描量熱儀+3D打?。‵ast Scanning Calorimetry + 3D Printing）作為關(guān)鍵詞在美國(guó)的《工程文摘索引》（EI）、Sciencedirect科技論文數(shù)據(jù)庫(kù)、ISI Web of Science等國(guó)外科技數(shù)據(jù)庫(kù)、我國(guó)的《中國(guó)期刊網(wǎng)》和《維普中文期刊數(shù)據(jù)庫(kù)》等科技文獻(xiàn)索引，均沒(méi)有查到完全相關(guān)文獻(xiàn)。申請(qǐng)人還檢索了美國(guó)專利商標(biāo)局（USPTO）、歐洲專利局（EPO）、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）、《中國(guó)專利信息網(wǎng)》以及《中華人民共和國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利檢索》，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)同類專利。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種利用納米量熱儀模擬金屬粉末3D打印的方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明的目的是利用快速掃描量熱儀對(duì)數(shù)個(gè)微米級(jí)顆粒進(jìn)行原位加熱并大冷速冷卻，從而模擬3D打印快速成形過(guò)程中金屬粉末的熔化凝固過(guò)程并對(duì)加熱冷卻速度進(jìn)行精確控制，另外通過(guò)對(duì)數(shù)個(gè)金屬粉末模擬3D打印的研究可以有助于3D打印后組織和性能的研究，節(jié)約了成本，簡(jiǎn)化了工藝。具體的操作步驟如下：

1. 選取適合于快速掃描量熱儀的不同體系金屬材料可以用來(lái)3D打印的原始粉末；

2. 根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的傳感器，用柔軟的細(xì)銅絲蘸取少量硅油涂抹到傳感器的測(cè)試區(qū)域，以增大傳熱接觸面積；

3. 在體視顯微鏡下挑選出數(shù)個(gè)表面光滑、球形度較好的金屬顆粒作為實(shí)驗(yàn)材料，盡量減少尺寸變化給熔化凝固過(guò)程帶來(lái)的影響。利用細(xì)銅絲將測(cè)試所用的金屬顆粒依次精確放置于薄膜傳感器測(cè)試區(qū)域中心部位；

4. 設(shè)定溫度程序，在快速掃描量熱儀上將材料加熱至熔化，并根據(jù)實(shí)際條件調(diào)節(jié)PID控制電路參數(shù)，獲得盡可能大的冷卻速度。如有必要，可以在液氮環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，以進(jìn)一步加大程序可控冷卻速度。

所述的模擬金屬粉末3D打印的方法，加熱冷卻速度應(yīng)滿足3D打印快速成形所需求的速度，且加熱冷卻速度可控。

所述FSC為Spark Ⅲ型快速掃描量熱儀，主要包括薄膜傳感器及外接導(dǎo)線、溫度控制及數(shù)據(jù)采集裝置和PC，且該測(cè)試設(shè)備可以提供氬氣、氮?dú)狻⒖諝獾葘?shí)驗(yàn)氣氛條件。

所述傳感器為Xensor Integration公司制造的薄膜傳感器，此類型傳感器主要由支架、熱電偶、加熱條、導(dǎo)線等部分組成，芯片尺寸為3.3mm×2.5mm×0.3mm。在傳感器的表面覆蓋有厚度僅為500nm的非晶SiN薄膜，其獨(dú)特的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)非常適合大冷速的獲取。6個(gè)高靈敏性熱電偶位于加熱區(qū)域中心，形成測(cè)量熱電偶堆。2個(gè)加熱條位于熱電堆的兩側(cè)。

所述材料為用于3D打印的金屬粉末，包括Sn基、Al基、Cu基、Ti基、Ni基、Fe基等，所選用的粉末是表面光滑、球形度較好且適應(yīng)于3D打印的金屬粉末，尺寸在150μm以下。

該發(fā)明的有益效果是，實(shí)現(xiàn)了原位大冷速的精確控制，克服了霧化、旋淬等傳統(tǒng)凝固技術(shù)難以直接獲取冷卻速度以及對(duì)其精確控制的缺點(diǎn)。此外，該發(fā)明利用數(shù)個(gè)金屬粉末主要是對(duì)3D打印快速成形過(guò)程粉末的熔融凝固過(guò)程進(jìn)行了模擬，通過(guò)對(duì)數(shù)個(gè)金屬粉末3D打印的研究可以有助于幫助3D打印后組織和性能的研究，節(jié)約了成本，簡(jiǎn)化了工藝。對(duì)于研究金屬材料領(lǐng)域的3D打印技術(shù)、快速凝固技術(shù)、深過(guò)冷以及晶粒細(xì)化機(jī)理等具有重要的指導(dǎo)作用。

附圖說(shuō)明

圖1為微滴測(cè)試前、后示意圖，傳感器的表面覆蓋有SiN薄膜。

圖2為微滴測(cè)試前實(shí)物圖，所用傳感器型號(hào)為Xen 39395。微滴材料為Sn3.0Ag0.5Cu(wt.%)，其平均直徑為15μm。

圖3為利用FSC獲取的Sn3.0Ag0.5Cu(wt.%)熱分析曲線，即FSC測(cè)試溫度區(qū)間內(nèi)加熱和冷卻速度的可控情況。由于熱滯的影響，可以清楚地看到在加熱和冷卻過(guò)程的初始階段，加熱速率和冷卻速率存在明顯的波動(dòng)。但是在合金熔化溫度區(qū)間內(nèi)，無(wú)論是加熱還是冷卻過(guò)程，各個(gè)加熱冷卻速率與設(shè)定值一致且保持穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)大冷速的精確控制及測(cè)量。

具體實(shí)施方式

下面以Sn3.0Ag0.5Cu(wt.%)微滴為例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例

1. 選取數(shù)個(gè)表面光滑、球形度較好的Sn3.0Ag0.5Cu(wt.%)微米級(jí)粉末；

2. 根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的傳感器，此處使用的傳感器型號(hào)為Xen 39395，用柔軟的細(xì)銅絲蘸取少量硅油涂抹到傳感器的測(cè)試區(qū)域，以增大傳熱接觸面積；

3. 在光學(xué)顯微鏡下，將選擇的試樣依次精確放置到測(cè)試區(qū)域中心并通過(guò)金相顯微鏡測(cè)量其平均直徑為15μm如附圖2所示。

4. 將含有試樣的傳感器放置到FSC設(shè)備上進(jìn)行測(cè)試。爐溫設(shè)置為300K，起始溫度為320K，分別以不同的速度加熱試樣至620K保溫。隨后以對(duì)應(yīng)的冷卻速度降溫至320K。