金屬（shǔ）3D打印機火了之後，金（jīn）屬3D打印粉末（mò）材料也跟著開始火（huǒ）了。南極熊曾報道，市場研（yán）究公司IDTechEx公布2016年3D打印金屬粉（fěn）末市（shì）場（chǎng）達到了2.5億美金，高於預測。而3D打印金屬（shǔ）粉末市場將保持高增長（zhǎng）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（lái）南極（jí）熊就為大家（jiā）主要介紹一下，目前國內外3D打印金屬粉（fěn）末的製備工藝——氣（qì）霧化技（jì）術的最新進展，並對3D打印金屬粉末製備（bèi）技術的現狀進行分析，提出一些意見。

 

在南極（jí）熊發布的《中（zhōng）國3D打印格局》中也對金屬粉末材料部分廠商（shāng）進行了梳理，並（bìng）且南極熊之前剛剛報（bào）道了3D打印金屬粉末（mò）技術的最新成果：美（měi）國實驗室造出更優質3D打印金屬粉末：表麵光滑，一致性好

 

幹貨 ：不用找了，全球金屬3d打印（yìn）粉末材（cái）料廠商都在這裏

 

 

3D打印技術是一種新型的（de）打印技術，其（qí）突出優點在於無（wú）需機械加工或任何模具（jù），就能直接從計（jì）算（suàn）機圖形數據中生成任何（hé）形狀的零件，從而極大地（dì）縮短產品的研製周期，提高生產率和降低生產成本。3D打印金屬粉末作為金屬零件3D打印（yìn）最重（chóng）要的原材料，其製備方（fāng）法備受人們關（guān）注（zhù） ，3D打印金屬粉（fěn）末作為金（jīn）屬零件3D打印產（chǎn）業鏈 最重（chóng）要（yào）的一環，也是（shì）最大的價值所在。

 

在“2013年世界3D打印技術產業大會”上，世界3D打印（yìn）行業（yè）的權（quán）威專家對（duì）3D打印金屬粉末給予明確定義，即指尺寸小於1mm的金屬顆粒群。包括單一金屬粉（fěn）末、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打印金屬粉末材料包括（kuò）鈷鉻（gè）合金、不（bú）鏽鋼、工業鋼、青銅合金、鈦合金和鎳鋁合金等。但是3D打印金（jīn）屬粉末除需具備良好的可塑性外，還必須滿足粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好（hǎo）和（hé）鬆裝密度高等（děng）要求。 為了進一步證明3D打印金屬粉（fěn）末對產品的影響。

 

采用（yòng）選擇性激光燒結法（fǎ）（SLS法）打印兩（liǎng）種（zhǒng）不同的（de）不鏽鋼粉末，發現（xiàn）製備出的產品存在明顯差（chà）異。德國某廠家的不鏽鋼粉末（mò）打印樣品表麵光澤、收縮率小、不易變形、力學性能穩定。而國內某廠家的（de）不鏽（xiù）鋼粉末的打印樣品則遠遠不及前者。為此，對兩種不同的不鏽鋼粉末進行的微觀形貌分析。

 

圖1為德國某廠家不鏽鋼粉末的微觀（guān）結構，從圖中我（wǒ）們可以看出，粉末顆粒球（qiú）形度好，顆（kē）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（de）微觀結構，可（kě）以看出，其顆粒為不規（guī）則塊狀，尺寸較小。 通過上述研究表明，3D打印耗材金屬粉末需滿（mǎn）足粒徑細小（xiǎo）、粒度分布窄、球形度高、流動性好和鬆裝密度高。因此，為了得到所需優（yōu）異性能的3D打印產品，必須尋求一（yī）種高效的金屬（shǔ）粉（fěn）末（mò）製備方法。 

 

 

2.金屬粉末的製備工藝

 

目前，粉末（mò）製備方法按照製備工藝主（zhǔ）要可分為：還原法、電解法、羰基分解法（fǎ）、研磨法、霧化法等。

 

其中，以還原法、電解法和霧化法生產的粉末作為原料應用到粉（fěn）末冶金工業（yè）的較（jiào）為普遍。但電解法和還原法僅限於單質金屬（shǔ）粉末的生產，而對（duì）於合金粉末（mò）這些方法均不適用。霧化法（fǎ）可以進（jìn）行合金粉末的生產，同時現代霧化工藝（yì）對（duì）粉末的形狀也能（néng）夠做出控製，不斷發展的霧化腔結構大幅提高了霧化效（xiào）率，這使得（dé）霧化法逐漸發展成為主要（yào）的粉末生產（chǎn）方法。霧化法滿（mǎn）足3D打印耗材金屬粉末的特殊要求。 霧化法是指通（tōng）過機械的方法使金屬熔液粉碎成尺寸小於150μm左右的（de）顆粒的方法。

 

按（àn）照粉碎金屬熔液的方式可以分為霧化法包括二流霧化法、離心霧化、超聲霧化、真空霧化（huà）等（děng）。這些（xiē）霧化（huà）方法（fǎ）具有各自特點，且（qiě）都已成功應用於工（gōng）業生（shēng）產。其中水氣霧（wù）化法具有生產設備及工藝簡單、能耗低（dī）、批（pī）量大等優點，己成為金屬粉末的主要工業化生（shēng）產方法。 

 

2.1水霧化法 

 

在霧化製粉生產中，水霧化法是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，而且在霧化效率方而（ér）表現出色。目前，國內水霧化（huà）法（fǎ）主 要用來生產鋼鐵粉末、金（jīn）剛石工具用胎體粉末、含油軸承（chéng）用預合金粉末、硬麵技術用粉末以及鐵基、鎳基磁性粉末等。然而由於水的比熱容遠大於氣體，所以在霧化過程中，被破碎的金屬熔滴由於凝固過快而變成不規則狀，使（shǐ）粉（fěn）末（mò）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（chù）會發生反應，同時由於霧化過程中與水的接觸，會提高粉末的氧含量。這些問題限製了水霧化法在製備球形度高、氧（yǎng）含量低的金（jīn）屬粉末（mò）的應用。但是，金（jīn）川集（jí）團股份（fèn）有限（xiàn）公司發明了一種水（shuǐ）霧化製（zhì）備球形金屬粉末的方法（fǎ），其采（cǎi）用在水霧化噴嘴下方處再設置一個二次冷水霧化噴嘴，進（jìn）行二次霧化。該發明得到的粉末不僅球形度接近（jìn）氣霧化效果，而且（qiě）粉（fěn）末粒度比（bǐ）一次水霧化更細。

 

2.2氣霧化法

 

氣（qì）霧化法是生產金（jīn）屬及合金粉（fěn）末的（de）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（de）過程。由於其製備的粉末具有純度高、氧（yǎng）含量低、粉末粒度可控、生產成本低以及球形度高等優點，已成為高性能及特種合金粉末製備技術的主要發展（zhǎn）方向。但是，氣霧化法也存在（zài）不（bú）足，高壓氣流的能量（liàng）遠小於高（gāo）壓水流的能量，所以（yǐ）氣霧（wù）化對金屬熔體的破（pò）碎效率低於水霧化，這使（shǐ）得氣霧化粉末的霧化效率較低，從而增（zēng）加了霧化粉末的製備成本。

 

目前，具有代表性的幾種氣霧化製（zhì）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（gāi）技術對（duì）常規噴嘴進行了重大改進。圖3為層流（liú）霧化噴嘴結（jié）構圖。改進後（hòu）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N2為介質霧化（huà）銅、鋁、316L不鏽鋼等，粉末（mò）平均粒度達到10μm。該工藝的另一個優點是氣體（tǐ）消耗量低（dī），經濟效益顯著（zhe），並（bìng）且適用於大多數金屬粉（fěn）末的生產。缺點是技術（shù）控製難度大，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（lì）於這（zhè）些問題的解決。

 

2.2.2超聲緊耦（ǒu）合霧化技（jì）術（shù） 

 

超聲緊耦合霧化技術是由英國PSI公司提出。該技術（shù）對緊耦合環縫式噴嘴進行結構優化（huà），使氣流的（de）出口速度超過聲速，並且增加金屬的質（zhì）量流率。圖 4為典型的緊藕合霧化噴嘴結構圖-Unal霧化（huà）噴嘴。 在霧化高表（biǎo）麵能的金屬如不鏽鋼時，粉末平均粒度（dù）可（kě）達20μm左右，粉末（mò）的標準偏差最低可以降至（zhì）1.5μm。

 

該技術的另一大優點是大大提高了粉末的冷卻（què）速（sù）度，可以生產快冷或非晶結的粉末。從當前的發展（zhǎn）來看，該項技術設備代表了緊耦合霧化技術的新的發展（zhǎn）方向（xiàng），且具有工（gōng）業實用（yòng）意義，可以廣泛應用於微細不鏽鋼、鐵合金、鎳合金、銅合金、磁性材料、儲（chǔ）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PSI公司和美國的HJF公司分別（bié）對熱氣體霧化的作用及機理進行了大量的研究。 HJF公司在1.72MPa壓力下，將氣體加熱至200～400℃ 霧（wù）化銀合金和金合金，得出粉（fěn）末的平均粒徑和標準偏（piān）差均（jun1）隨溫度升高而降低。與傳統的霧化技術相比，熱氣體霧化技術可以提高霧化效率，降（jiàng）低氣體消耗量（liàng），易於在傳統的霧化設備上（shàng）實現該工藝，是一項具有應用前景的技術。但是，熱氣體霧化技（jì）術受到氣體加熱係統和噴嘴（zuǐ）的限製，僅有少數幾（jǐ）家研究機構進行研究。

 

2.3國內3D打印金屬粉末的霧（wù）化工藝 

 

目前，我國河南黃河（hé）旋風股份有限公司已經開始進入3D打印金屬粉末研發。其所用的粉（fěn）末（mò）製備工藝（yì）如真空霧化製粉、超高壓水霧化製粉（fěn）、惰性氣體緊（jǐn）耦合（hé）霧化製粉技術。下麵著重介紹前兩種霧化技術。

 

2.3.1真空霧化製粉 

 

真空（kōng）霧化製（zhì）粉是指（zhǐ）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形或是（shì）亞球形顆粒。真空霧化製粉可（kě）以製備大多數不能采用在空氣中和水霧化方法製造的金屬及其合金粉末（mò），可（kě）得到球形或亞球形（xíng）粉末。由（yóu）於凝固快克服了偏析現象，可以製（zhì）取許多特殊合金粉末。采用合適的工藝，可以使（shǐ）粉末粒（lì）度達到一個（gè）要求的範圍（wéi）。 

 

 

2.3.2超高壓霧化法

 

超高壓霧化法是采（cǎi）用超高（gāo）壓霧化（huà）噴嘴製備金屬 粉末的一種方法。圖5（a）為高壓霧（wù）化噴嘴，圖5（b）為超高壓霧化噴嘴。超高壓霧化噴嘴的特點是可以在較低的（de）氣壓下產生更高的超音速氣流（liú）和均勻的氣（qì）體速度場，從而更（gèng）加有效抑製有害激波的產生，明顯增加氣體的動能，使霧化效率更高。該（gāi）噴嘴在較低的氣壓下產生與高（gāo）壓霧化噴嘴相（xiàng）同的霧化效果（guǒ），而且（qiě）氣流速度更加穩定和均勻。同時，製得（dé）的（de）粉（fěn）末粒徑小、分布窄。 

 

我國3D打印（yìn）金屬粉末現狀

 

近年來，我國積極探索3D打印金屬粉末製備技術，初（chū）步取得成效。自20世紀90年代初（chū）以來，清華大（dà）學、西安交通（tōng）大學、華中科技大學、華南理工大學、北（běi）京航空航天大學、西北工業大學等高校，在3D打印材料（liào）技術方麵，開展了積極的探索，已（yǐ）有部分技術處於世（shì）界先進水平。

 

同（tóng）時，除了高校，中國出現了一批金屬3D打印（yìn）粉末材料的生產企業，例如（rú）北京中航邁特、無錫飛爾康、西安賽隆、廣（guǎng）州納聯、河南黃河旋風等，影響著中國的金（jīn）屬3D打印事業。

 

同時，在常規的金（jīn）屬粉末霧化噴嘴中，金屬粉末的形成是靠氣流對金（jīn）屬液流的（de）擾動和衝擊使其破碎成粉末，由於氣流（liú）的擾動具有統計特征，粉（fěn）末的粒度分布較寬，同時在所有（yǒu）的霧化技術中，不管噴嘴的結構如（rú）何（hé），氣流在作用於液（yè）流前的（de）飛行中不斷（duàn）膨脹（zhàng），速度減小，導致（zhì）霧化氣體（tǐ）能量損失較大，影響（xiǎng）了霧化效率。因此，這為3D打印技術帶來（lái）挑（tiāo）戰的同時，也帶來了商機。3D打印技術作為“增材（cái）製造”的主要實（shí）現形式，節約成本、減少燃料消耗，必將成（chéng）為最具潛（qián）力發（fā）展的產業。