3D打印技術是一種新型的打印技術，其突出優點在於（yú）無需機械加工或任何模具，就（jiù）能（néng）直接從計算機圖（tú）形數據中生成任何形狀的零件，從而極（jí）大地縮短產品的（de）研製周期，提（tí）高生產率和降低生產（chǎn）成本。3D打印金屬粉末作為金屬零件3D打印（yìn）最重要（yào）的原材料，其製（zhì）備方（fāng）法備受人們（men）關注 ，3D打印金屬粉末作為金（jīn）屬零件3D打（dǎ）印產業鏈 最重要的一環（huán），也是最大的價值所在。

在“2013年（nián）世界3D打印技術產業大（dà）會”上，世界3D打（dǎ）印行業的權威專家對3D打印（yìn）金屬粉末給予明確定義，即指尺寸小於1mm的（de）金屬顆粒群。包括單一金（jīn）屬粉末（mò）、合金粉末以及具（jù）有金屬性質的某（mǒu）些難（nán）熔化合物粉末。目前，3D打印金屬粉末材料（liào）包括鈷鉻（gè）合金、不鏽鋼、工業鋼、青銅合金（jīn）、鈦合金和鎳鋁合金等。但是3D打印金屬粉末除需具備良好的可塑性外，還必須（xū）滿足粉末粒徑細小、粒度分布較（jiào）窄、球形度高（gāo）、流動性好和鬆裝密度高等要（yào）求。 為了進一步證明3D打印金屬粉末對產品的影響。

 

采用選擇性激光燒結法(SLS法)打印兩種不同的不鏽鋼粉末，發（fā）現製備出的產品存（cún）在明顯差異。德國某廠家的不（bú）鏽鋼粉末打印樣品表麵光澤、收（shōu）縮率小、不易變形、力學性能穩定。而國內某廠家的不鏽鋼粉末的打印（yìn）樣品則遠遠不及前者。為（wéi）此，對（duì）兩種不同的不鏽鋼（gāng）粉末進行的微（wēi）觀形貌分析。

圖1為德國某廠家不（bú）鏽鋼粉末的微（wēi）觀結構，從圖中我們可以看出，粉末顆粒（lì）球形度好，顆粒（lì）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結構，可以看出，其顆粒為不規則塊狀，尺寸較小。 通過上述研究表明，3D打印耗材（cái）金屬粉末需滿足粒徑細小、粒度分布窄、球形度高、流動性好和鬆裝密度高。因此，為了得到所需優異性（xìng）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（fěn）末的製備工藝

目前，粉末製備方法（fǎ）按照製備工藝主要可分為：還原（yuán）法、電解法、羰基分解法、研（yán）磨法、霧化（huà）法等。

其中，以（yǐ）還（hái）原法、電解法和霧（wù）化法生產（chǎn）的（de）粉末作為原（yuán）料應（yīng）用到粉末冶金（jīn）工（gōng）業的（de）較為普遍。但電（diàn）解法和還原法僅（jǐn）限於單質金屬粉末的（de）生產，而對（duì）於合金（jīn）粉末這些方法均不適用。霧化法可以進行合金粉（fěn）末的生產，同時現（xiàn）代霧化工藝對粉末的形狀也能夠做（zuò）出控製，不斷發展的霧（wù）化腔結構大幅提高了霧化效率，這使得霧化法逐漸發（fā）展成為主要的粉末生產方法。霧化法滿足3D打印耗材金屬粉末的特（tè）殊要求。 霧化（huà）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。

 

 

按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（wù）化、超聲霧化、真空霧化等。這（zhè）些霧化方法具有各自（zì）特點，且都已（yǐ）成功應用於工業生產。其中水氣霧（wù）化法具有生產設備及（jí）工藝簡單、能耗低、批（pī）量大等優點，己（jǐ）成為金屬粉末的主要（yào）工業化生（shēng）產方法。

　　2.1水（shuǐ）霧（wù）化法（fǎ）

在霧化製粉生產（chǎn）中，水霧化法是廉價的生產方法之一。因為霧化介質水不（bú）但成（chéng）本低廉容易獲取，而且在霧化效率方而表現出（chū）色。目前，國（guó）內水霧化法主 要（yào）用來生產鋼鐵粉末、金剛石工具（jù）用胎體粉（fěn）末（mò）、含油軸承用預合金粉末、硬麵技術用粉末以及鐵基、鎳基磁性粉末等。然（rán）而由（yóu）於水的比熱容遠大於氣體，所以在霧化過程中（zhōng），被（bèi）破碎的金屬熔滴由（yóu）於凝固過快（kuài）而變成不規則狀，使粉末的球（qiú）形度受到影響（xiǎng）。

另外一些具（jù）有高活性的（de）金屬或者合（hé）金，與水接觸會發生反（fǎn）應，同時由於霧化過程中與水的（de）接觸，會提高粉末的氧（yǎng）含量。這些問（wèn）題限製了水霧化法在（zài）製備球形度高、氧含量低的金屬粉末的應用。但是，金川集團股份有限公司發明了一（yī）種水霧（wù）化製備球形金屬粉末（mò）的（de）方法，其采用在水霧化噴嘴下方處再設置一（yī）個二（èr）次（cì）冷水霧化噴嘴，進行二次霧化。該發明得到的粉末不僅球形度接近氣霧化效果，而且粉（fěn）末粒度比一次水霧化更細（xì）。

 

 

　　2.2氣霧化法

氣霧化法是生產金屬及合金（jīn）粉末的主要方法之 一。氣霧（wù）化的基本原（yuán）理是用高（gāo）速氣流將液態金屬流破碎成（chéng）小液滴並凝固成粉末的過（guò）程。由於其製備的粉末具有純度高、氧含量低、粉末粒度可控、生產成本低（dī）以及球形度高等優點，已成為高性能及特（tè）種合（hé）金粉末製備技術的主要發（fā）展方向。但是，氣霧化法也存在不足（zú），高（gāo）壓氣流的能（néng）量遠小於高壓（yā）水流（liú）的能量，所（suǒ）以氣霧化對金屬熔體的破碎效率（lǜ）低（dī）於水霧化，這（zhè）使（shǐ）得氣霧（wù）化粉末的霧化效率較低，從而增加了霧化粉末的（de）製備成本（běn）。

 

 

　　目前，具有代表性的幾種氣霧化製粉技術氣（qì）霧化如下：

　　2.2.1層流霧化技術

層流霧化技（jì）術是由德國Nanoval公司等提出，該技術（shù）對常（cháng）規噴（pēn）嘴進行了重大改進。圖3為層流霧化噴嘴（zuǐ）結構圖。改進後的霧化噴嘴霧化效率高，粉末粒度分布窄，冷（lěng）卻速度達106～107K/s。在（zài）2.0MPa的霧化壓（yā）力下，以Ar或N2為介質霧化銅、鋁、316L不鏽鋼（gāng）等，粉（fěn）末平均粒度達到10μm。該工藝的另一個優點是氣體消耗量低，經濟效益顯著，並且適用於大多數金（jīn）屬粉（fěn）末的生產。缺點是技術控製難度大，霧化過程不穩定，產（chǎn）量小(金屬質量流率小於1kg/min)，不（bú）利於工業化生（shēng）產。Nanoval公司正致力於這些問題的解決。

　　2.2.2超聲緊耦合霧化技（jì）術

超（chāo）聲緊耦合霧化技（jì）術（shù）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（huà），使氣流的出（chū）口速度超過聲速，並且（qiě）增加金屬的質量流率。圖 4為典型（xíng）的緊藕合霧化噴嘴結構（gòu）圖-Unal霧化噴嘴。在霧化高（gāo）表麵（miàn）能的金屬如不鏽鋼時，粉末平均（jun1）粒度（dù）可達20μm左右，粉末的標準偏差最低可以降至1.5μm。

 

 

該技術的另一大（dà）優點是大（dà）大提高了粉末的冷卻速度，可（kě）以生產快冷或非（fēi）晶結（jié）的粉末。從當前的發展來看，該項技術設（shè）備代表了緊耦合霧化（huà）技術的（de）新（xīn）的發展方（fāng）向，且（qiě）具（jù）有（yǒu）工業實用意義，可以（yǐ）廣泛應用於微細（xì）不鏽鋼（gāng）、鐵合金、鎳合金、銅（tóng）合金、磁性材料、儲氫材（cái）料等合金粉末的生產。

　　2.2.3熱氣體霧化法（fǎ）

近年（nián）來，英國（guó）的（de）PSI公司和美國的（de）HJF公司分別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（jiāng）氣體加熱至200～400℃ 霧化銀合金和金合金，得出粉末（mò）的平均粒（lì）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，熱氣體霧化技（jì）術可以提高霧化效率，降低（dī）氣體消耗量，易於在傳統的霧化設備上實（shí）現該工藝，是一項（xiàng）具有應用前（qián）景的技術（shù）。但是，熱氣體霧化技術受到氣體加（jiā）熱係統和噴嘴的限製，僅有少（shǎo）數幾家研究機（jī）構進（jìn）行研（yán）究（jiū）。

　　2.3國（guó）內3D打印金屬粉末的霧（wù）化（huà）工藝

　　2.3.1真空霧化製粉

　　真空霧化製粉是指在真空條件下熔（róng）煉（liàn）金屬或金屬合金，在氣體保護的條件下，高壓氣流將金（jīn）屬液體霧化破碎成大量細小的液（yè）滴，液滴在飛行中凝固成球形或（huò）是亞球形顆粒。真空霧化製粉可（kě）以製備大多數不（bú）能采用在空氣中和水霧化方法製造（zào）的金屬及其合金粉末，可（kě）得到球形或亞球形粉末。由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（cǎi）用合適的工藝，可以使（shǐ）粉末粒度（dù）達（dá）到一個要求的範（fàn）圍。

 

 

　　2.3.2超高壓霧化法（fǎ）

超高壓霧化法是采（cǎi）用超高壓霧（wù）化噴嘴製備金（jīn）屬 粉末的一種方（fāng）法。圖（tú）5(a)為高壓（yā）霧（wù）化噴嘴，圖5(b)為超高壓（yā）霧化噴嘴。超高壓霧化噴嘴的特點是（shì）可以在較低的氣壓下產生更高的超音速氣流和均勻的氣體速度場，從而更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（xiào）率更高。該噴嘴（zuǐ）在較（jiào）低的氣壓下產生與高壓霧化噴嘴相同的霧化效果，而且（qiě）氣流速（sù）度更加穩（wěn）定和均勻。同時，製（zhì）得（dé）的粉末（mò）粒徑小、分布窄。

　　我國3D打印金（jīn）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，初步取得成效。自20世紀90年代初（chū）以來，清華大學（xué）、西安交通大學、華中科技大學、華南理工大學、北京航空航（háng）天大學、西北工業大學等高校，在3D打印材料技術方麵，開（kāi）展了積極的探索，已有部分技術（shù）處於世界先進水平。中航邁特粉冶科技已經開始進入3D打印金屬粉末研發。擁有多套國內領（lǐng）先水平的霧化製粉設備，工藝（yì）涵蓋真（zhēn）空氣霧化製粉、電極（jí）感應氣霧（wù）化製粉，將為中國的3D打（dǎ）印事業貢獻一份力量（liàng）。

　　目前，我（wǒ）國3D打印金屬粉末仍存在如（rú）下4個問（wèn）題：

　　1.缺乏宏觀規劃和引導（dǎo）、

　　2.對技術研發投入不足、

　　3.產業鏈缺乏統籌發展、

　　4.缺（quē）乏教育培訓和社會推廣。

同（tóng）時，在常規（guī）的金屬粉末霧化噴嘴中，金屬粉末的形成是靠氣流對金屬（shǔ）液流的擾動和衝擊使其破碎成粉末（mò），由於氣（qì）流的擾動具（jù）有統計特征，粉末的粒度分布較寬（kuān），同時在所有的霧化技術中，不管噴嘴的結構如何，氣流（liú）在（zài）作用於液流前的（de）飛行中（zhōng）不斷膨脹，速度減小，導致霧化氣體能量損失較大，影響了（le）霧化效率。因此，這為3D打印技術帶來挑戰的同（tóng）時，也帶來了商機（jī）。3D打印技術作為“增（zēng）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。

根據獨立市場研究公司MarketsandMarkets在2015年年底發表（biǎo）的報告,全球（qiú）金屬粉末供應的5大公司分別是（shì）Sandvik，Carpenter，GKN，Arcam，LPW Technology。3D打印粉末市（shì）場預計在未來幾年會顯著增長，其中，金屬粉末被報道是目前3D打印粉末中最主要的。Carpenter目前作為全球3D打印粉末市（shì）場中最強大的公司之一，並且肯定是美國的領先公（gōng）司。根據報告，北美是目前市場上最主要的地（dì）區，預計在未來幾（jǐ）年將繼（jì）續保持（chí）領（lǐng）先地位。