導讀

 3D 打印技術是製造業領域正（zhèng）在迅速發展（zhǎn）的一項新興技術，被稱為“具有工（gōng）業革命意義的（de）製造技術”，已成（chéng）為（wéi）現代模型、模具（jù）和零（líng）部（bù）件（jiàn）製造的有效（xiào）手段，在航空航天、汽車摩托（tuō）車、家（jiā）電、生物醫學等領域得到了（le）一定應用， 在工程和教學研究等領域也占有獨特（tè）地（dì）位。3D 打印（3D printing）是以計算機3 維設計模型為藍本，通過軟件分層（céng）離散和數控成型係統，利用激光束、熱熔噴嘴（zuǐ）等方式將金屬（shǔ）粉體（tǐ）、陶瓷粉體（tǐ）、塑料、細胞組織、沙子等特殊材料進行（háng）逐層堆積黏結（jié），最終疊（dié）加（jiā）成（chéng）型，製造（zào）出實體產（chǎn）品。 

  

       3D 打印（yìn）的原材料較為特殊，必須能夠液化、粉體化、絲化，在打印完成後又能重新結合起來，並具有合格的物理化學性質。金屬零件3D 打印技術作為整個3D 打印（yìn）體係中最為前沿和（hé）最（zuì）有（yǒu）潛（qián）力的（de）技術，是先進（jìn）製造技術的（de）重要發展方向。目前，國內3D 打印耗材金屬粉體製備難度大、產量小、產品性能低，國外廠家壟斷市場，價格昂（áng）貴。因此（cǐ），對3D 打印耗材金屬粉體製備方法的研究尤為重要。

1   3D 打印（yìn）金屬粉體

       3D 打印金屬粉體作為金屬零件3D 打印產業鏈最重（chóng）要的一環，也是最大的價值所在。在“2013 年世界3D 打印技術產業大會”[3]上，世界（jiè）3D 打印行業的權威專家對3D 打印（yìn）金屬粉體給予明（míng）確（què）定義，即指尺寸小於1mm 的金屬顆粒群。包括單（dān）一金屬粉體、合金粉體以及具有金屬性質的某些難熔化合物（wù）粉體（tǐ）。目前，3D 打印金屬粉體材料包括鈷鉻合金、不鏽鋼、工業鋼、青銅合金、鈦合金和鎳鋁合金等。但是（shì）3D 打印金屬粉體（tǐ）除需具備（bèi）良好的可塑性外，還必須滿足粉體粒徑細小、粒（lì）度分布較窄、球形度（dù）高、流（liú）動性好（hǎo）和鬆裝密度高等要求。

       為了進一步證明3D 打印金屬粉體對產品（pǐn）的影響。作者采用選擇（zé）性激光燒結法（SLS 法）打印兩（liǎng）種（zhǒng）不同的不鏽鋼粉體，發現製備出的產品存在明顯差異。德（dé）國某廠家的不鏽鋼粉體打印樣品表麵光澤、收縮率（lǜ）小、不易變（biàn）形、力學性能穩定。而國內某廠家的不鏽鋼粉體的打（dǎ）印樣品則（zé）遠遠不及前者。為此，對兩種不同的不（bú）鏽鋼粉體進行的（de）微觀形貌分析。圖1 為德國某廠家（jiā）不鏽鋼粉體的微（wēi）觀結構，從圖（tú）中可以（yǐ）看出，粉體顆粒球形度好，顆粒尺寸分布在11.2~63.6μm 範圍內。圖2 為國內某廠家的不鏽鋼（gāng）粉體的微觀結構，可以看出，其顆粒為不規則塊狀，尺（chǐ）寸較小。

 

       通過上述研究表明，3D 打印（yìn）耗材金屬粉體需滿足粒徑細小、粒度分布窄、球形度高、流（liú）動性好和鬆裝密度高。因此，為了得到所需優異性能的3D 打印產品，必須（xū）尋求一種高效的金屬粉體製備方法（fǎ）。

2   金屬粉體的製備工藝

       目前，粉體（tǐ）製備方法按照製備工藝主要可分為：還原（yuán）法、電解法、羰基分解法、研磨法、霧化法（fǎ）等。其中，以還原（yuán）法、電解（jiě）法和霧化法生產的粉體作（zuò）為原料應（yīng）用到粉（fěn）體冶（yě）金工業的較為普遍。但電解法和還原法僅限於單質金屬粉體（tǐ）的生產，而對於合金粉體這些方法均不適用。霧化法可以進行合（hé）金粉（fěn）體的生產，同時現代霧化（huà）工藝對粉體的形狀也能夠做（zuò）出控製，不斷發展的霧化腔結構大幅提高了霧（wù）化效率，這使得霧化法逐漸發展成為（wéi）主要的粉體生產方法（fǎ）。霧化法滿足3D 打印耗材金（jīn）屬粉體的特殊要求。

       霧化法是指通過機械的方法使（shǐ）金屬熔液粉碎成尺寸小於150μm 左右的顆（kē）粒的方法。按照粉碎（suì）金屬熔液的方式分類，霧化法包括二流霧化法、離心霧化、超聲霧化（huà）、真空霧化等。這（zhè）些霧化方法具有各自特點，且都已成（chéng）功應用於（yú）工業生產。其中水氣霧化法具有生產設備及工藝簡單、能（néng）耗低、批量大等優點，己成為金屬粉體的主要工業化生產方法。

2.1 水霧（wù）化法

       在霧化（huà）製粉生產中，水霧化法是廉價的生產（chǎn）方法之一。因為霧化介質水不但成本低廉容易獲取，而且在霧化效率方而表現出色。目前，國內水霧化法主（zhǔ）要用來（lái）生產鋼鐵粉體（tǐ）、金剛石工（gōng）具用胎體粉體、含油軸承用預合金粉體、硬麵技術用粉體以（yǐ）及鐵基、鎳基磁性粉體等。然而由於水的（de）比熱容遠大於氣體，所以在霧化過程中，被破碎的（de）金屬熔滴由（yóu）於凝固過快而（ér）變成不規則狀，使粉體的球形度受到影響。另外一些具有高活性的金屬或者合金，與水接觸會發生反應，同（tóng）時由於霧化過程中與水的接觸，會提高粉體的氧含量（liàng）。這些問題限製了水霧化法在製備（bèi）球形度高、氧含量低的金屬粉體的應用。

       但是，金川集團股份有限公（gōng）司發明了一種水霧化製備球形金屬粉體的方法，其采用在水霧化噴嘴下（xià）方處再設置一個二次冷水（shuǐ）霧化噴嘴，進行（háng）二次霧化。該發明得到的粉體不（bú）僅球形度接近氣霧化效果，而且粉體粒（lì）度比一次水（shuǐ）霧化更細。

2.2 氣霧化法

       氣（qì）霧化法是生產金屬及合金粉體的主要方法之一。氣（qì）霧化的基本原理是用高速氣流將液態金屬流破碎成小液滴並凝固成粉體的過程。由於其製備的粉體具有純度高（gāo）、氧含量（liàng）低、粉體粒度可（kě）控、生產成本低以及球形度高等優點，已成為高性能及特種（zhǒng）合金粉體製備技術的主要發（fā）展方向。但是（shì），氣霧化法（fǎ）也存在不足（zú），高壓氣流的能量遠小於高壓水流的能量，所以氣霧化對金屬熔體的破碎效率低於水霧化，這使得氣（qì）霧化粉體的霧化效（xiào）率較低，從而增加了霧化粉體的製備成本。目前，具有代表性的幾種（zhǒng）氣霧（wù）化（huà）製粉技術氣霧化如下。

2.2.1 層流霧（wù）化技術

       層流霧化技術是由德國Nanoval 公司（sī）等提出，該技術對常規噴嘴進行了重大改進。圖3 為層流（liú）霧化（huà）噴嘴結構圖。改進後的霧化噴嘴霧化效率高，粉（fěn）體粒（lì）度分布（bù）窄，冷卻速度達106～107K/s。在2.0MPa 的霧化壓力下，以Ar 或N2為介質霧化銅、鋁（lǚ）、316L 不鏽鋼等，粉體平均粒度（dù）達到10μm。該工藝的另一個優點是氣體消耗量低，經（jīng）濟效（xiào）益顯著，並（bìng）且（qiě）適用於大多數金屬粉體的生產。缺（quē）點是技術控製難度大，霧化過（guò）程（chéng）不穩定，產量小（金（jīn）屬質量流率小於1 kg/min），不利（lì）於工業化生產。Nanoval 公司正致力於這些問題的解決。

2.2.2 超（chāo）聲緊耦合霧化技術

       超聲緊耦合霧化技術是由英國PSI 公司提出。該技術對緊耦合環縫式噴嘴進行結構（gòu）優化，使氣（qì）流（liú）的出口速度超過聲速，並且增加金屬的質量流（liú）率。圖4 為典（diǎn）型的緊藕合霧化噴嘴結構圖-Unal 霧化噴嘴。在霧化高表麵能的金（jīn）屬如不鏽鋼時，粉體平均粒度可達20μm左右（yòu），粉體的標準偏差最低可以降（jiàng）至1.5μm。該技術的另一大優點是（shì）大大提（tí）高了粉體的冷卻速度，可以生產快冷或非晶結的粉體。從當（dāng）前的發展來看，該項技術設備代（dài）表了緊耦合霧化技術的（de）新的發展（zhǎn）方向，且具有（yǒu）工業實用意義，可以廣泛應用於微細不鏽鋼、鐵合金、鎳合金、銅合金、磁性（xìng）材（cái）料、儲氫材料等（děng）合金粉體的生產。

 

2.2.3 熱氣體（tǐ）霧（wù）化法

       近年來，英國的PSI 公司和美國的HJF 公司分別對熱氣體霧（wù）化的作用及機理進行了大量的研究。HJF 公司在1.72MPa 壓力下，將（jiāng）氣（qì）體加熱至200～400℃霧化銀合（hé）金和金合金，得出粉（fěn）體的平均（jun1）粒徑和標準偏差均隨溫度升高而降低。與（yǔ）傳統的（de）霧化（huà）技術相比，熱氣體霧化技術可以（yǐ）提高霧（wù）化效率，降低氣體消耗量（liàng），易於在傳統的霧化設備上實現該工藝，是一項具（jù）有應用前景的技術。但是，熱氣體霧化技術受到氣體加熱係統和噴（pēn）嘴的限製，僅有少數幾（jǐ）家研（yán）究機構進行（háng）研（yán）究。

2.3 國內3D 打印金屬（shǔ）粉體的霧化工藝

       目前，我國河南黃河旋風股份有（yǒu）限公司已經開始進入（rù）3D 打（dǎ）印金（jīn）屬粉體研發。其所用的（de）粉體製備工藝如真空霧化製粉、超高壓水霧化製（zhì）粉、惰性氣體緊耦合（hé）霧化製粉技術（shù）。下麵著重介紹前兩種（zhǒng）霧化技術。

2.3.1 真空霧化製（zhì）粉

       真空霧化（huà）製粉是指在真空條件下熔煉金屬或金屬合金（jīn），在氣（qì）體保護（hù）的條（tiáo）件下，高壓氣流將金屬液體霧化破碎成大量細小的液滴，液滴在飛行中凝固成球（qiú）形或是亞球形顆粒。真空霧（wù）化（huà）製粉可以製備大多（duō）數不能采用在空氣中和水霧化方法製造的金（jīn）屬及其合金粉體，可得到球形或亞球（qiú）形粉體。由於凝固快克服了偏析現象，可以製取許多特殊合金粉（fěn）體。采用合適（shì）的工藝，可以使粉體粒度達到一個要求的範圍。

2.3.2 超高壓霧化法

       超高（gāo）壓霧化法是采（cǎi）用超高（gāo）壓霧化噴嘴（zuǐ）製備金屬粉體的一種方法。圖5（a）為高壓霧化噴嘴，圖5（b）為超高壓霧化噴（pēn）嘴。超高壓（yā）霧化噴嘴的特點是可（kě）以在較（jiào）低的氣壓下產生更高的超（chāo）音速氣流和均勻的氣體速度場，從而（ér）更（gèng）加有效抑製有害激波的（de）產生，明顯增加氣體的動能，使霧化效率更高。該噴嘴（zuǐ）在較低的氣壓下產生與高壓霧化噴嘴相同的（de）霧化效果，而且氣流速度更加穩定和（hé）均勻。同時，製得的粉體（tǐ）粒（lì）徑（jìng）小、分布窄。

3 結論

       近年來，我國積極探索3D 打印金屬粉體製備技（jì）術，初步取得成效。自20 世紀（jì）90 年代初以來，清華大學（xué）、西安交通大學（xué）、華中科技大學、華南理工大學、北京航（háng）空（kōng）航天大學、西北工業大學等高（gāo）校（xiào），在3D 打印材（cái）料技術方麵，開展了積極的探索，已有部分技術（shù）處於世界先進（jìn）水平。