金屬3D打印機火了之後，金屬3D打（dǎ）印粉末材料也（yě）跟著開始火了。南極熊曾報（bào）道，市場研究公司IDTechEx公布2016年3D打印金屬粉末市場達到了2.5億美金，高於預測（cè）。而3D打印金屬粉（fěn）末市場將（jiāng）保持高增長的態勢，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（jiù）為大（dà）家主要介紹（shào）一下，目前國內外3D打印金屬粉末的製備工藝——氣霧化（huà）技術的最新進展，並對3D打印金屬粉末製備技術的現狀（zhuàng）進行分析，提出一些（xiē）意見（jiàn）。

在南極熊發布的《中國3D打印格局》中也對金屬粉末材料部（bù）分廠商進行了梳理，並且南極熊之前剛剛報道了3D打印金屬粉末技術的最新成果（guǒ）：美國實驗室造出（chū）更優質3D打印（yìn）金屬粉末：表麵光滑，一致性好

 

 

 

3D打印技術是一種新型的打印技術，其突出優點在於無（wú）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（chéng）任何形狀的零件，從而極大地縮短產品的（de）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（jiàn）3D打印最重要的原材料，其製備方法備受人們關（guān）注 ，3D打印金屬粉末作為金屬零件3D打印產業鏈（liàn） 最重要的（de）一環，也是最大的（de）價值所在。

 

在“2013年世界3D打印技術產業大會”上，世界3D打印行業的權威專家對（duì）3D打印金屬粉末給予明確（què）定義，即指尺寸小於（yú）1mm的金屬顆粒群。包括（kuò）單一金屬粉末、合金粉末以及具有金屬性質的（de）某些難熔化合物粉末。目前，3D打印金屬粉（fěn）末材（cái）料包括鈷鉻合金、不鏽鋼、工業鋼、青銅合（hé）金、鈦合金和（hé）鎳鋁合金等。但是3D打印金屬粉末（mò）除需具備良好的可塑性外，還必須滿（mǎn）足粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高（gāo）、流動性（xìng）好和鬆裝密度高等要求。 為了進一步證明（míng）3D打印金屬粉末對產品的（de）影響。

采用選擇性激（jī）光燒結法（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（chà）異（yì）。德國（guó）某廠家的（de）不鏽鋼粉末打印樣品表麵光澤、收縮率小、不易變形、力學性能穩（wěn）定（dìng）。而國內（nèi）某廠家的不鏽鋼粉末的（de）打（dǎ）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（xíng）貌分析。

 

圖1為德國某廠家不鏽鋼粉末的微觀結構，從圖中我們可以看出，粉末顆（kē）粒球形度好，顆粒尺寸分（fèn）布在11.2~63.6μm範圍內。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（qí）顆粒為不規則塊狀，尺寸較小。 通過上述研究（jiū）表明，3D打印耗材金屬粉末需滿足粒徑細小（xiǎo）、粒度分（fèn）布窄、球形度高、流動（dòng）性好和鬆裝密度高。因此（cǐ），為了得到所需優（yōu）異性能的3D打印（yìn）產品，必須尋求一種高效的金屬粉末製備方法。 

 

2.金屬粉末（mò）的製備工藝

 

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

 

其中，以還原法、電解（jiě）法和霧化法生產的粉末作為原（yuán）料應用到粉末冶金工業的（de）較（jiào）為普遍。但電解法和還（hái）原法僅限於單質金屬粉末的生產（chǎn），而對於合（hé）金（jīn）粉末這些方法均不適用（yòng）。霧化法可以進行合金粉末的（de）生產，同時現代霧化（huà）工藝對粉末的形狀也能夠做出控製，不斷發展的霧（wù）化腔結構大幅提高（gāo）了霧化效率（lǜ），這使得霧化法逐（zhú）漸發展成為主要的粉末（mò）生產方法。霧化法滿足（zú）3D打印（yìn）耗材金屬粉末的特（tè）殊要求。 霧化法是指通（tōng）過機械的方法（fǎ）使金屬（shǔ）熔液粉碎成尺寸小於150μm左右的顆粒的方法。

按照粉（fěn）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（shēng）霧化、真空霧化等。這些（xiē）霧化方法（fǎ）具（jù）有各自特點，且都已成功應用於工業生產。其中水氣霧化法具有生產設備及工藝簡（jiǎn）單（dān）、能耗低、批量（liàng）大等優點，己成為金屬粉末的主要工業化生產方法。 

 

2.1水霧化（huà）法 

 

在霧化製粉生產中，水霧化法是（shì）廉價的（de）生產方法之一。因為霧化介質水不但成本（běn）低廉容易（yì）獲取，而且（qiě）在（zài）霧化效（xiào）率方而表現出色。目前，國內水霧化法主 要用來生產鋼鐵粉末、金剛石工具用胎體粉（fěn）末、含油軸承用預合金粉末、硬麵技術用粉末以及鐵基、鎳基磁（cí）性粉末等。然而（ér）由（yóu）於水的比熱容遠大（dà）於氣體，所以在霧化過程（chéng）中，被破碎的金屬熔滴由於凝（níng）固過（guò）快而變成不規則狀，使（shǐ）粉末的球（qiú）形（xíng）度受到影響。

 

另外一些具（jù）有高活性的金屬或者合金，與水接觸會發生反應，同時由（yóu）於霧化過（guò）程中與水的接（jiē）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（le）一種水霧（wù）化製備球形（xíng）金屬粉末的（de）方法，其采用在水霧化噴（pēn）嘴下方處再設置一（yī）個二次冷水霧化噴嘴，進行二次霧化。該發明得到的粉末不僅球形度接近氣（qì）霧化效果，而且粉末（mò）粒度比一次水霧化更細。

2.2氣霧化法

 

氣霧化法是生產金屬及合金粉末的主要方法之 一。氣（qì）霧化的基本原理是用高速（sù）氣流將液態金（jīn）屬流（liú）破碎成小液滴並凝固成粉末的過程。由於其製備（bèi）的粉末具有純度高、氧含量低、粉末粒（lì）度可控、生產成本低以及球形度高等優點，已成為（wéi）高性能及特種合金（jīn）粉末（mò）製備技術的主要發展方向。但是，氣霧化法也存在不（bú）足，高壓氣流的（de）能量遠小於（yú）高壓水流的能量，所以氣霧化對金屬熔體的破碎效率低（dī）於水霧化（huà），這（zhè）使得氣（qì）霧化（huà）粉末的霧化效率較低，從而增加（jiā）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霧化如下： 

2.2.1層（céng）流霧化技術 

 

層流霧化（huà）技術（shù）是由德國Nanoval公司等提出，該技術對常規噴嘴進行了重大改進。圖3為層流霧化噴（pēn）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（de）霧化壓力下，以Ar或N2為介（jiè）質霧化（huà）銅、鋁、316L不鏽鋼等，粉末平均粒（lì）度達到10μm。該工藝（yì）的另一個優點是氣（qì）體（tǐ）消耗量低，經濟效益顯著，並且適用於大多數金屬粉末（mò）的生產。缺點是技術控製難度大（dà），霧化過程不穩定，產量小（金屬質（zhì）量（liàng）流率小於1kg/min），不利於工業化生產。Nanoval公（gōng）司正致力於這些問題的解決。

 

2.2.2超聲緊耦合霧化技術 

 

超聲緊耦合霧化技術是（shì）由（yóu）英國（guó）PSI公司提出。該技術對緊耦合環縫式噴嘴進行結構優（yōu）化，使氣流的出口速度超過聲速，並且增加金屬的質量（liàng）流率。圖 4為（wéi）典型的緊（jǐn）藕合（hé）霧化噴（pēn）嘴結構圖-Unal霧化噴嘴。 在霧化高表麵能的金屬如（rú）不鏽鋼時，粉末平均粒度可達20μm左右，粉末的標準偏差最低可以降（jiàng）至1.5μm。

該技（jì）術的另一大（dà）優點是大大提高了（le）粉末的（de）冷卻速度，可以生產快（kuài）冷（lěng）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（wù）化技術的新的發展方向，且具有工業實用意義，可（kě）以廣泛應用於微細不（bú）鏽（xiù）鋼、鐵合金、鎳合金、銅合金、磁性材料、儲氫（qīng）材料等合金粉末的（de）生產。

 

2.2.3熱氣體霧化法 

 

近年來，英國的PSI公（gōng）司和美國的HJF公司分別（bié）對熱氣體霧（wù）化的作用及（jí）機理進行了大（dà）量的研究。 HJF公司（sī）在1.72MPa壓力下，將氣體加熱至200～400℃ 霧化銀合金和金合金，得出粉（fěn）末的平均粒徑和標準偏差均隨溫度升高而降低。與傳統的霧化技術相比，熱氣體霧化技術可以提高霧（wù）化效率，降低氣體消（xiāo）耗量，易於在傳統的霧（wù）化設備上實（shí）現該工藝，是（shì）一項具有應用前（qián）景的技（jì）術（shù）。但是，熱氣（qì）體霧（wù）化技術受到氣體加（jiā）熱（rè）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（yìn）金屬粉末的霧化工藝 

 

目前，我國河南黃河旋風股份有限公司已經（jīng）開始進入3D打印（yìn）金屬粉末研發。其所用的粉末製備工藝如真空霧化製粉（fěn）、超高壓（yā）水霧化製粉、惰性氣體（tǐ）緊耦（ǒu）合霧化製粉技術。下麵著重介紹（shào）前兩種霧化技術。

 

2.3.1真空霧化製粉 

 

真空霧化製粉是指在（zài）真空條件下熔（róng）煉金屬或金屬（shǔ）合金，在氣體保護（hù）的條件下，高壓氣流將金（jīn）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（kōng）霧（wù）化製粉可以製備大（dà）多數不能采用在空氣（qì）中和水霧化方法製造的金屬及其合金粉末，可（kě）得到球形或（huò）亞球形粉末（mò）。由（yóu）於凝固快克服了偏（piān）析現象，可以製取（qǔ）許多特殊合金粉末。采用合適的工藝（yì），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（fǎ）是采用超高壓霧化噴嘴製（zhì）備金屬（shǔ） 粉末的一種方法。圖5（a）為（wéi）高壓霧化噴嘴，圖5（b）為超高（gāo）壓霧化噴嘴。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度場，從而更加有效抑製有害激波（bō）的產生，明顯增加氣體（tǐ）的動能，使霧（wù）化效率更高。該噴嘴在較低的氣壓下產生與高壓霧化噴嘴相同的霧化效（xiào）果，而且氣流速（sù）度更加穩（wěn）定和均勻。同時（shí），製得的粉末粒（lì）徑小、分布窄（zhǎi）。 

 

我國3D打印金屬粉末（mò）現狀

 

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（kōng）航天大學、西北工業大學等高校，在3D打印材（cái）料技術方麵，開展了（le）積（jī）極的（de）探索，已有部分技術（shù）處於世界先進水平。

 

同時，除了高校，中國出現了一批金屬（shǔ）3D打印粉末材料的（de）生產企業，例如北（běi）京中航（háng）邁特、無錫飛爾康、西安賽（sài）隆（lóng）、廣（guǎng）州納聯、河（hé）南黃河旋風等，影響著中國的金屬（shǔ）3D打印事業。

 

同時，在（zài）常規的（de）金（jīn）屬粉末霧化（huà）噴嘴中，金屬粉末的形成是靠氣流對金屬液流的擾（rǎo）動和（hé）衝擊使其破碎成粉末，由於氣流的擾（rǎo）動具有（yǒu）統計特征，粉末的粒（lì）度分（fèn）布較寬（kuān），同時在所有的（de）霧化技術中，不（bú）管（guǎn）噴嘴的結構（gòu）如何，氣流在作用於液流前（qián）的飛行中不斷膨脹，速度（dù）減小，導致霧化氣體能量（liàng）損失（shī）較大，影響了霧化效率。因此，這為3D打印技術帶來挑（tiāo）戰的（de）同時，也帶來了商機。3D打印技術作為“增材製造”的主要實現形式，節約成本、減少燃料消耗，必將成為（wéi）最（zuì）具潛力發展的產業。

 

根據獨立市（shì）場研（yán）究公司MarketsandMarkets在2015年（nián）年底發表的報告,全球金屬粉末（mò）供（gòng）應的5大公司（sī）分別是Sandvik，Carpenter，GKN，Arcam，LPW Technology。3D打印粉末市場預計在未來幾年會顯著增長，其中，金屬粉末被報（bào）道是目前3D打（dǎ）印粉末中最（zuì）主要的。Carpenter目前作為（wéi）全球3D打印粉末市場中最強大的公司之一，並且肯定是美國的領先公司。根據報告，北美是目前市場上最（zuì）主要的地區，預計在未來幾年將繼續保持領先地位。