3D 打印技術是一種新（xīn）型的打印（yìn）技術，其突出優點在於無需機械加工或任何模具，就能直（zhí）接從計算（suàn）機圖形（xíng）數據中生成任何形（xíng）狀（zhuàng）的零件，從而極大地縮（suō）短產品（pǐn）的研製周期，提高生產率和降（jiàng）低（dī）生產成本。 3D 打印（yìn）金屬粉末作為金（jīn）屬零件 3D 打印（yìn）最重要的原（yuán）材料，其製備方法備受人們關注。 本（běn）文主要介紹了目前國內外 3D 打印金屬粉末的（de）製備工藝，氣霧（wù）化技術的最新進展，並對 3D 打印金屬粉末製備技術（shù）的現狀進行（háng）分析，提出建設性意見。

 

關鍵詞： 3D 打印；金屬粉末（mò）；製備方法；霧化法

 

1 3D 打印金（jīn）屬粉末

 

3D 打印金（jīn）屬粉末作為金屬零件 3D 打印產業鏈最（zuì）重要的一環，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（shàng），世界 3D 打印行業的權威專家對 3D 打印金屬粉末（mò）給予明確定義，即指尺（chǐ）寸小於 1mm 的（de）金屬顆粒群。 包（bāo）括單（dān）一金屬粉（fěn）末（mò）、合

 

金粉末以及具有金屬性質的某些難熔化合物粉末。目前， 3D 打印金屬粉（fěn）末材料包括鈷鉻合金、不鏽鋼（gāng）、工業鋼、青銅合金、鈦合金和鎳鋁合金等。但是 3D 打印金（jīn）屬粉（fěn）末除需具備良（liáng）好的可塑性外，還必須滿足粉末粒徑細（xì）小、粒度分布較窄、球形度高、流動（dòng）性好和鬆裝密度高等要求。

 

為了進（jìn）一步（bù）證明 3D 打印金屬粉末對產品的影響。 作者采用選擇性激（jī）光燒結（jié）法（ SLS 法）打印兩種不同的不鏽鋼粉末，發現製備出的產品存在明顯差異。

 

德國（guó）某（mǒu）廠家的不鏽鋼粉末打印樣品表麵光澤、收縮率（lǜ）小、不易變形、力學性能穩定。 而國內（nèi）某廠家的不（bú）鏽鋼粉（fěn）末的打（dǎ）印樣（yàng）品則遠遠不及前者。 為此，對兩種不同的不鏽鋼粉末進行的微（wēi）觀形貌（mào）分析。 圖 1 為德國某廠家不鏽鋼粉末的微觀結構，從（cóng）圖中可以看出，粉末顆（kē）粒球形度（dù）好（hǎo），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粉末的微觀（guān）結構，可以看出，其顆粒為不規則塊狀，尺寸較小（xiǎo）。

 

 

 

 

圖 1 德國某廠家 3D 打印不（bú）鏽鋼粉末的（de）微觀結（jié）構

 

Fig.1 Microstructure of German stainless steel powder for 3D printing

 

通過（guò）上述研（yán）究表明， 3D 打印耗材金（jīn）屬粉末需滿足粒徑細小、粒度分布窄（zhǎi）、球形度高、流動性好和鬆裝密（mì）度高（gāo）。 因（yīn）此（cǐ），為了（le）得到所需優異性能的 3D 打印產品，必須尋求一種高效（xiào）的金屬粉末製備方法（fǎ）。

 

 

 

 

圖 2 國內（nèi）某廠（chǎng）家 3D 打印不鏽鋼粉末的微觀結構

 

Fig.2 Microstructure of domestic stainless steel powder for 3D printing

 

 

 

2 金屬粉末的製備工藝

 

目前，粉末製備方法按照製備工藝主（zhǔ）要（yào）可分為：

 

還原法、電（diàn）解（jiě）法、羰基分解法（fǎ）、研磨法、霧化法等 [4-9] 。其中，以還原法、電解法和霧化法生產的粉末作為原料應用（yòng）到粉末冶金工業的較為（wéi）普遍。但電解法和還原法僅（jǐn）限於單質金屬粉末的生（shēng）產，而對於合金粉末（mò）這些方法均不適用。 霧化（huà）法可（kě）以進行合（hé）金（jīn）粉末的（de）生產，同時（shí）現代霧化工藝對粉末的形狀也能夠做出控製，

 

不斷（duàn）發展（zhǎn）的霧化腔結構大幅提高了霧化效率，這使得霧化法逐漸發展成（chéng）為（wéi）主要的粉末生產方法 [10] 。霧化法滿足 3D 打印耗材金屬粉末的（de）特殊（shū）要求。霧（wù）化法是指通過機械的方法使金屬熔液粉碎成尺寸小於 150μm 左右的顆粒的方法 [11] 。 按照粉碎金屬熔液的方式分類，霧化（huà）法包括二流（liú）霧化法、離心霧化、超聲霧化、真空霧化等 [12,13] 。 這些霧化方法具有各自特點，且都已成功應用於（yú）工業生產。 其中水氣（qì）霧化（huà）法具（jù）有生產設備及工藝簡單、能耗低、批量大等優點，己成為金屬粉末（mò）的主要工業化生產方（fāng）法。

 

 

2.1 水霧化法

 

在霧化製粉（fěn）生產中，水霧化法是廉價的生產方法之一。 因（yīn）為霧化介質水不（bú）但（dàn）成本（běn）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（wù）化法主要用來生產鋼鐵粉末、金剛石工具用（yòng）胎體粉末、含油軸承用預合金粉末、硬麵技術用粉末以及（jí）鐵（tiě）基、鎳基磁性粉末等。 然而由於水（shuǐ）的比熱容遠大於氣體，所以在霧化過程中，被（bèi）破碎的金屬熔（róng）滴由於凝固過快而變成不規（guī）則狀，使粉末的球形度受（shòu）到影響。 另外一些具（jù）有高（gāo）活性的（de）金（jīn）屬或者合金，與水接觸會發生反應，同時由於霧化（huà）過程（chéng）中與水的接觸，會提（tí）高粉末的（de）氧含量。 這些問題限製了水霧化法在（zài）製（zhì）備（bèi）球形（xíng）度高、氧含量低的金屬粉末的應用 [14] 。

 

但是，目前發明了一種水霧化製備球形（xíng）金屬粉末的方法，其采用在水霧化噴（pēn）嘴下（xià）方處再設置一個二次（cì）冷（lěng）水霧化噴嘴，進行二次霧化。 該發明得到的粉末不僅球形度接近氣霧（wù）化效果，而且（qiě）粉末粒度比（bǐ）一次水霧化更細。

 

 

 

2.2 氣霧化法

 

氣霧化法是生產（chǎn）金屬（shǔ）及合金粉末的主要方法之一。 氣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末的過程。由於其製備的（de）粉末具有純度高、氧含量低、粉末粒度可（kě）控、生產成本低（dī）以及球（qiú）形度高（gāo）等優點，已成為高性能及特種合金粉末製備技術的主要發展方向 [16] 。 但是，氣（qì）霧化法也存在不（bú）足，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（suì）效率低於水霧化，這使得氣霧化粉末的霧化效率較低，從（cóng）而增加了霧化粉末的製備成本 [17] 。 目前，具有代表（biǎo）性的幾種氣霧（wù）化製粉技術氣霧化如下。

 

 

 

2.2.1 層流霧化技術

 

層流霧化技術是由德國 Nanoval 公司等提出，該技術對常規（guī）噴嘴進行（háng）了（le）重大改進。 圖 3 為層（céng）流霧化噴嘴結構圖。 改進後的霧化噴嘴霧化效率高，粉末粒度分布窄，冷卻速度達 106～107K/s 。 在 2.0MPa 的霧化壓力下，以 Ar 或 N 2 為介質霧化銅、鋁、 316L 不鏽鋼（gāng）等，粉末平均粒（lì）度達到 10μm 。 該工藝的另一個優點是氣體消耗量低，經（jīng）濟效益顯著，並（bìng）且適用於大多（duō）數金屬粉（fěn）末的生產。 缺（quē）點是技術控製難度大，霧（wù）化（huà）過程不穩定（dìng），產量小（金屬質量流（liú）率小於（yú） 1 kg/min ），不利於工業化生產。 Nanoval 公司（sī）正致（zhì）力於這些問題的解決。

 

 

 

 

圖 3 層流霧化噴嘴結構圖

 

Fig.3 Structure of laminar flow atomization nozzles

 

2.2.2 超聲緊耦合霧化（huà）技術

 

超聲緊耦合霧化技術是（shì）由英（yīng）國 PSI 公司提出。該技術（shù）對緊耦合環縫（féng）式噴嘴進行結構（gòu）優（yōu）化，使氣流的出口速度超過聲速，並且增加金屬的質量流率。 圖4 為典型的（de）緊藕合霧化噴嘴結構圖 -Unal 霧（wù）化噴嘴。在霧化高表麵能的金屬如不（bú）鏽鋼時，粉末平均粒度可達 20μm 左右，粉（fěn）末的標（biāo）準偏差最低（dī）可以降至 1.5μm 。

 

該技術的另一大優點是（shì）大大提高了粉末的冷卻（què）速度，可以生產快冷或非晶結的粉末。 從當前的發展來看，該項技術設備代表了緊耦合霧化技術的新的發展方向，且（qiě）具有工業實用意義，可以廣泛應用於（yú）微細不鏽鋼、鐵合金、鎳合金、銅合金、磁性材料（liào）、儲氫材料等合金粉末的生產。

 

 

 

 

圖 4 典型（xíng）的緊藕（ǒu）合霧化噴嘴結構圖

 

Fig.4 Structure of typical close coupled atomization nozzle

 

2.2.3 熱氣體霧化法

 

近（jìn）年來，英（yīng）國（guó）的 PSI 公司和美國（guó）的 HJF 公（gōng）司分（fèn）別對（duì）熱氣體霧化的作用及（jí）機理進行（háng）了大量的研究。HJF 公司在 1.72MPa 壓力下，將氣體加熱至 200～400℃霧化銀（yín）合金和金（jīn）合金，得出粉末的平（píng）均粒徑和標準偏差均隨溫度升（shēng）高而降低。與傳統的霧化技術相比，熱氣體霧（wù）化技術可以提高霧化效率，降低氣體消耗量，易於在（zài）傳統的霧化設備上實現該工藝，是一項具有應用（yòng）前景的技術。 但是，熱氣（qì）體霧化技術（shù）受到（dào）氣體加熱係統和噴嘴的限（xiàn）製，僅有少數幾家研究機構進行研究。

 

2.3 國（guó）內 3D 打印金（jīn）屬粉末的霧化工藝

 

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 打印（yìn）金屬粉末研發。其所用的粉末（mò）製備工藝如真空霧化製粉、超高壓（yā）水（shuǐ）霧（wù）化製粉、惰性氣體緊3D 打印金屬粉末的製備方法 耦合霧化製粉技術。 下麵著（zhe）重介紹（shào）前兩種（zhǒng）霧（wù）化技術。

 

2.3.1 真空霧化製粉

 

真空霧化製粉是指在真空條件下熔煉金屬或金屬合金，在氣體保護的條件下，高壓（yā）氣流將（jiāng）金屬液體霧（wù）化破碎（suì）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（kē）粒。真空霧化製粉可（kě）以製備大多數不能采（cǎi）用在空氣中和水（shuǐ）霧化方（fāng）法製造的金屬及其合金粉末，可（kě）得到球形或（huò）亞（yà）球形粉末。 由於（yú）凝固快（kuài）克（kè）服了偏析現象，可以製取許多特殊合金粉末。 采用合適的工藝，可以使粉末粒度達到一個要求的範圍。

 

2.3.2 超高壓霧化法

 

超高壓霧化法是采用（yòng）超高壓霧化噴嘴製備金（jīn）屬粉末（mò）的一種方法。圖 5 （ a ）為高壓（yā）霧化噴嘴，圖 5 （ b ）為超高壓（yā）霧（wù）化噴（pēn）嘴。 超高壓霧化噴嘴的特點是可以在較低的氣（qì）壓下產生更（gèng）高的超音速（sù）氣流（liú）和均勻的氣體速度場，從而（ér）更（gèng）加有效抑製有害激波的產生，明顯增加氣體的（de）動能，使霧化效率更高。該噴嘴在較低的氣壓下產生與高（gāo）壓霧化噴嘴相同的霧化（huà）效果，而且氣流速度更加穩定和（hé）均勻。同時，製得的粉末（mò）粒徑（jìng）小、分布窄。

 

 

 

圖 5 高壓霧化噴嘴結（jié）構圖

 

Fig.5 The structure of nozzles for high pressure atomization

 

 

 

3 結論

 

近年來，我國積極探索 3D 打印金屬粉末製（zhì）備技術，初步取得成效。 自 20 世紀 90 年代初以來，清華大學、西安交通大學、華中科技大學、華南理工大學、北京航空航天大學、西北工業大學等高校，在 3D 打印材料技術方麵，開展了積極的探索，已有部（bù）分技術處於世界先進水平。黃河旋風股（gǔ）份有限公司已經開始進入 3D 打印金（jīn）屬粉末研發。擁有多套國內領先水平（píng）的（de）霧（wù）化製粉設備，工藝（yì）涵蓋真空霧化製粉、超高（gāo）壓水（shuǐ）霧化製粉、惰性氣體緊耦合霧化製粉技術，將為中國的 3D 打印事業貢獻一份（fèn）力量。 但是，目前，我國 3D打印金屬粉末仍（réng）存在如下 4 個問題：缺乏宏觀規劃和引導、對技術研發投入不足、產業鏈缺乏統籌發展、缺乏教育培訓和（hé）社會推廣。 同（tóng）時，在常規的金屬粉末（mò）霧化噴嘴中，金屬粉末的形成是（shì）靠氣（qì）流對（duì）金屬液流的（de）擾動和衝擊使（shǐ）其破碎成粉末，由於氣流的（de）擾動具有統計特征，粉末的粒（lì）度分布較寬，同時在所有（yǒu）的霧化技術中，不管噴嘴的結（jié）構如何，氣流在作用於液流前（qián）的飛行中不（bú）斷膨脹，速（sù）度減小，導致霧化氣體能量損失（shī）較大，影響了霧（wù）化效（xiào）率（lǜ）。因此，這為 3D 打印技術帶來挑戰的同（tóng）時（shí），也帶來（lái）了商機。 3D 打印技術作為（wéi）“增材製造”的主要實現形（xíng）式，節約（yuē）成本、減少燃料消（xiāo）耗，必將成為最具潛力發展的產業（yè）。