金屬3D打印機火了之後，金屬3D打印粉末材料也跟著開始火了。南極（jí）熊曾報道，市場研究公司IDTechEx公布2016年3D打印金（jīn）屬粉末市（shì）場達到了2.5億美金，高於預測（cè）。而3D打印金屬粉末市場將保持（chí）高增長的態勢，到2025年達到50億美金的市場規模，年複合增長率39.5%。

 

接下來南極熊就為大（dà）家主要介紹一下，目前國內外3D打（dǎ）印金屬粉末的（de）製備工藝——氣霧化技術的最新進展，並對3D打印金屬粉末製備（bèi）技術的現（xiàn）狀進（jìn）行分析，提出一些意見（jiàn）。

 

在南極（jí）熊發布的《中國3D打印（yìn）格局》中也對金屬粉末材料部分廠商進行（háng）了梳理，並（bìng）且南極熊之前剛（gāng）剛報道了3D打印金屬粉末技術的最新成果：美國實驗室造出更優（yōu）質（zhì）3D打印金（jīn）屬粉末：表麵光滑，一致（zhì）性好

 

幹貨 ：不用（yòng）找了（le），全球金屬3d打印粉末材料廠商（shāng）都在（zài）這裏

 

 

3D打印技術是一種新型（xíng）的打印（yìn）技術，其（qí）突出優點在於無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何（hé）形（xíng）狀的（de）零件，從而極大地縮短產品的研製（zhì）周期，提高生產率和降低生（shēng）產成本。3D打印金屬粉末作（zuò）為金屬零件3D打印最重要的原材料，其（qí）製備方法備（bèi）受人們關注 ，3D打印（yìn）金屬粉末作為金屬（shǔ）零件3D打印產業鏈 最重要的一環，也是最大的價值（zhí）所在。

 

在“2013年世界3D打印技術產業大會”上，世界3D打印行業的（de）權威專家對3D打印金屬粉末給予明確定（dìng）義，即（jí）指尺寸小於1mm的（de）金屬顆粒群。包括單一金屬粉末、合金粉末以及具有金屬性質的某些難熔化合物（wù）粉末。目前，3D打印金屬粉（fěn）末材料包括鈷鉻合金、不鏽鋼、工業鋼、青銅合金、鈦合金和鎳鋁合金等。但是3D打印金屬（shǔ）粉末除需具備良好的可塑性外（wài），還必須滿足粉末粒徑（jìng）細小、粒度分布較窄、球形度高、流（liú）動性好和鬆裝密度高等要求。 為了進一步證明3D打印金屬（shǔ）粉末對產品（pǐn）的影響。

 

采用選擇性（xìng）激光燒結法（SLS法）打印兩種不同的不鏽（xiù）鋼粉末，發現製備出（chū）的產品存在明顯差異。德國某廠（chǎng）家的不鏽鋼粉（fěn）末打印樣品表麵光澤、收（shōu）縮（suō）率小、不易（yì）變形、力學性能穩（wěn）定。而國內某廠家的不鏽鋼（gāng）粉末的打印樣品則遠遠不及前者。為（wéi）此，對兩種不同的不鏽鋼粉末進行的微觀（guān）形貌分析。

 

圖1為德國某廠家不鏽鋼（gāng）粉末的微（wēi）觀結構，從圖中我們（men）可以看出，粉末顆粒（lì）球形度（dù）好，顆粒（lì）尺寸分布在11.2~63.6μm範圍內（nèi）。圖2為國內某廠家的不鏽（xiù）鋼粉末的微觀結（jié）構，可以看出，其顆粒為不規則塊狀，尺寸（cùn）較小。 通過上述研究表明，3D打印耗材金屬粉末需滿足粒徑細小（xiǎo）、粒度分布窄、球形度高、流動性（xìng）好和鬆裝密度高。因此，為了得到所需優（yōu）異性能的3D打印產品，必須尋求一種高效的金屬粉末製備方法。 

 

 

2.金屬粉末的（de）製備工藝

 

目前，粉末製備方法按照製備工藝主（zhǔ）要可分（fèn）為：還原法、電解法、羰基分解法、研磨法、霧化（huà）法等。

 

其中，以還原法、電解法和霧化法生產的粉末（mò）作（zuò）為（wéi）原料應用到粉末冶金工業的（de）較為普遍（biàn）。但電解法和還原法僅限於單質金屬粉末的生產，而對（duì）於合金粉末這些方法均不適用。霧化法可以進行合（hé）金粉末的生（shēng）產，同時現代霧化工藝（yì）對粉末的形狀（zhuàng）也能夠做出控製，不斷發展的（de）霧化（huà）腔結構大幅提高了霧化效率，這使得霧化法逐（zhú）漸發展成（chéng）為主要的（de）粉（fěn）末生產方法。霧化法滿足3D打印耗材金屬粉末的特殊要求。 霧化（huà）法是指通過機械的方法使金屬熔（róng）液粉碎成（chéng）尺寸小於150μm左（zuǒ）右的顆粒的方法。

 

按照粉碎金屬熔液的方式可以分為霧化法包括二流（liú）霧化（huà）法、離心霧（wù）化、超聲霧化、真空霧（wù）化等。這些霧化方法具有各自特點，且都已成功應（yīng）用於工業生產。其（qí）中水氣霧化法具有生產設備及工藝（yì）簡（jiǎn）單、能（néng）耗低、批量大等優點，己成為金屬粉末的主要工業化生產方法。 

 

2.1水霧（wù）化法 

 

在霧化製粉生產中，水霧化法是（shì）廉價的生產方法之一。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（fāng）而表現（xiàn）出色。目前，國內水（shuǐ）霧化法主 要用來生產鋼鐵粉（fěn）末、金剛石工具用胎體粉末、含油軸承用預合金粉（fěn）末、硬麵技術（shù）用（yòng）粉末以及鐵基、鎳（niè）基磁性粉（fěn）末等。然而由於水的比熱容遠大於（yú）氣體，所以在霧化過（guò）程中，被破碎的（de）金屬熔滴由於凝固過快而（ér）變成不規則狀，使粉末的球形度受到（dào）影響。

 

另外一些具有高活性的金屬或者（zhě）合金，與水接觸（chù）會發生反應，同時（shí）由於霧（wù）化過程中（zhōng）與水的接觸，會提高粉末的氧含量。這（zhè）些問題限（xiàn）製了水霧化法在製備球形度高、氧含量低（dī）的金屬粉末的應用。但是，金川集團股份有限公司發明了一種水霧化製備球形金屬粉末的方法，其采用在水霧化噴嘴下方（fāng）處再設置（zhì）一個二次冷水霧化噴嘴，進行二次霧化。該（gāi）發明得到的粉末不僅球形（xíng）度接近氣霧化效果，而且粉末粒度比一次水霧化更細。

 

2.2氣霧化法（fǎ）

 

氣霧化法是生產金（jīn）屬及合金粉末的主（zhǔ）要方法（fǎ）之 一。氣霧化的基本原理是用高速（sù）氣流將液態金（jīn）屬流破碎成小液滴（dī）並（bìng）凝固（gù）成粉（fěn）末（mò）的過程（chéng）。由於其製備（bèi）的粉末具有純度高、氧含量低、粉末粒度可控、生產成（chéng）本低以及球形度高等優（yōu）點（diǎn），已成為高性能及特種合金粉末（mò）製備技術的主要發（fā）展方向。但是，氣霧化法也存在不足，高壓氣流的能量遠小（xiǎo）於高壓水流的能量，所以氣（qì）霧化對金屬熔體的破碎效率（lǜ）低於水霧化，這使得氣霧化粉末的霧化（huà）效率較低，從而增加了霧化粉末的製備成本。

 

目前，具有代表性（xìng）的幾種氣霧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（dé）國Nanoval公司等提出，該技術（shù）對常規噴嘴（zuǐ）進行了重大（dà）改進。圖3為層流霧化噴嘴結構圖。改進後（hòu）的霧化噴（pēn）嘴霧化效率高，粉末粒度分布窄（zhǎi），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、316L不鏽鋼等，粉末平均粒度達到10μm。該工藝的另一個優點（diǎn）是氣體消耗量低，經濟（jì）效益顯著，並且（qiě）適用於大多數金屬粉末的生產。缺點是技術控製難度（dù）大（dà），霧化過程不（bú）穩定，產量小（金屬質量流率小於1kg/min），不利於工業化生產。Nanoval公司正致力於這些問題的解決。

 

2.2.2超聲緊耦合霧化（huà）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優化，使氣流的出口速度超過聲速，並（bìng）且增加金（jīn）屬（shǔ）的質量流率。圖 4為典型的緊藕合霧化噴嘴結構圖-Unal霧化噴嘴。 在霧化（huà）高表麵能的金屬如不鏽鋼時，粉末平均（jun1）粒度可達20μm左右，粉末的標準偏差最低可以降至1.5μm。

 

該技術的另（lìng）一大優點是大大提高了粉末（mò）的冷卻速度，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（xiàng），且具有工業實（shí）用意義，可以廣泛應用於微細不鏽鋼、鐵合（hé）金、鎳合金、銅合金、磁性材料、儲氫材料等合金粉末的生產。

 

2.2.3熱氣體霧化法 

 

近年來，英國的（de）PSI公司和美國的HJF公司分別（bié）對熱氣體（tǐ）霧化（huà）的作（zuò）用及機理進行了大（dà）量的研究。 HJF公司在1.72MPa壓力下，將氣體加熱至（zhì）200～400℃ 霧化銀合金和金合金，得出粉末的平均粒徑和標準（zhǔn）偏差均隨溫度升高而降低。與（yǔ）傳統（tǒng）的霧化技術相比，熱氣（qì）體霧化（huà）技術（shù）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（shí）現該工藝，是（shì）一項具有應用前景的技術。但（dàn）是，熱（rè）氣體霧化技術受到氣體加熱係統和噴嘴的限製，僅有少數幾家研究機構進行研究。

 

2.3國內3D打印金屬粉末的霧化工（gōng）藝 

 

目（mù）前，我國河南（nán）黃河旋風股份有限公司已經開始進入3D打（dǎ）印金屬粉末研發。其所用（yòng）的粉末製備工藝如真空霧化（huà）製粉、超高壓水霧化製粉、惰性氣（qì）體緊（jǐn）耦合霧化製粉技術。下麵著重介紹前兩種霧化技術。

 

2.3.1真空霧（wù）化製（zhì）粉 

 

真空霧化製（zhì）粉是指在真空條件下熔煉金屬或金屬合金，在（zài）氣體保護的條件下，高壓氣（qì）流將金屬液體霧化破碎成大量細（xì）小的液滴，液滴在飛行中凝固成球形或是亞球形顆粒。真空霧化製（zhì）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）屬及其合金粉末，可得到球形或亞（yà）球形粉（fěn）末。由於凝固（gù）快（kuài）克服了偏析現象，可以製取許多（duō）特殊合金粉末。采用合適的工藝，可以使（shǐ）粉末粒度達到一（yī）個要求的範圍。 

 

 

2.3.2超高壓霧化法

 

超高壓霧化法（fǎ）是采用超高壓霧化（huà）噴嘴製備金屬 粉末的一種方法。圖5（a）為高壓霧化噴嘴，圖5（b）為超高壓霧化噴（pēn）嘴。超高壓霧化噴嘴的特點是可以在較低的氣壓下（xià）產生更高的超音速氣流和均勻的氣體速（sù）度場，從而更加有效抑製有害激波的產（chǎn）生，明顯增加（jiā）氣體的動能，使霧化（huà）效率更（gèng）高。該噴嘴在（zài）較低的氣壓下產生與高壓霧化噴嘴相同（tóng）的（de）霧化效果，而且氣流速度（dù）更加穩定和均勻。同時，製得的粉末粒（lì）徑小、分布窄。 

 

我國3D打印金（jīn）屬（shǔ）粉末現狀

 

近（jìn）年（nián）來，我國（guó）積極探索3D打印金屬粉末製備技術（shù），初步取得成效。自20世紀90年代初以來，清華（huá）大學、西（xī）安交通大學、華中科技大學、華南理工大（dà）學、北京航空航天大學、西北（běi）工業大學等高校（xiào），在3D打印材料技術方麵，開（kāi）展了積極（jí）的（de）探索，已有部分技術處於世界先進水平。

 

同時，除了高校，中國（guó）出現了一批金屬3D打印粉末材料的生產企業，例如北京（jīng）中航邁特（tè）、無錫飛爾康、西安賽隆、廣州納聯（lián）、河南黃河旋風等，影響著（zhe）中國的金屬3D打印（yìn）事業。

 

同時，在常規的金屬粉末霧化噴嘴中，金屬粉末的形成（chéng）是靠氣流對金屬液（yè）流的擾動和衝擊使其破碎成粉末，由於氣流的擾動具（jù）有統計特征，粉末的粒度分布較寬，同時在（zài）所有的（de）霧化（huà）技術中，不管噴嘴的結構如何，氣流在作用於液流前的飛行中不斷膨脹，速度減（jiǎn）小，導致霧化氣體能量損失較大，影響了霧化效率。因此（cǐ），這為（wéi）3D打印技術帶來挑戰的同時，也帶來了商機。3D打印技術作為“增材製（zhì）造”的主要實現形式，節約成本、減（jiǎn）少燃料消耗，必將成為最具潛力發展的產業。