金屬3D打印機火了之後（hòu），金屬3D打印粉末材料也跟著開始（shǐ）火了。南極熊曾報道，市場研究（jiū）公司IDTechEx公布2016年3D打印金屬粉（fěn）末市場達到了2.5億美金，高於預測。而3D打印金屬粉末（mò）市場將保持高增長的態勢，到2025年（nián）達到50億美金的市場規模，年複合（hé）增長率39.5%。

 

接下來南極熊就為大家主要（yào）介紹一下（xià），目前國內外3D打印金屬粉末的製（zhì）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，提出一些意見。

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

 

 

 

3D打印技術是（shì）一種新型（xíng）的打（dǎ）印技術，其突出優點（diǎn）在於無需機（jī）械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據（jù）中生成任何形狀的零件，從而（ér）極大地縮短產（chǎn）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（dǎ）印最重要（yào）的原材料（liào），其製備方法備受人們關（guān）注 ，3D打印金（jīn）屬粉末作（zuò）為金屬零件3D打印產業鏈 最重要的一環，也是最大的（de）價值所在。

 

在“2013年世界3D打（dǎ）印技術產業大會”上，世界3D打印行業的權威專家對3D打印金屬粉末給予明（míng）確定義，即指尺寸小於1mm的金屬顆粒（lì）群。包括單一金屬粉末、合金粉末以及（jí）具有金屬性質的（de）某些（xiē）難熔化合物粉末。目前，3D打印金屬粉末材料包括鈷（gǔ）鉻合金、不鏽（xiù）鋼、工業鋼、青銅合金、鈦合金（jīn）和鎳鋁合金等。但是3D打印（yìn）金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（dù）分布較窄、球形度高、流動性好和鬆裝密度高等要求。 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（guāng）燒結法（SLS法）打印兩種不同的不鏽（xiù）鋼粉末，發現製備出的產品存在明顯差異。德國某廠家（jiā）的不鏽鋼粉末打印樣品表麵光澤、收縮率小、不易變形、力學性能穩定。而國內（nèi）某廠家的不鏽鋼粉（fěn）末（mò）的打印樣品則遠遠不及前者。為（wéi）此（cǐ），對兩種不（bú）同的不鏽鋼粉末進行（háng）的微觀形貌分（fèn）析。

 

圖1為（wéi）德（dé）國某廠（chǎng）家不（bú）鏽鋼（gāng）粉末的微觀結構，從圖中（zhōng）我們可以看出，粉末顆粒球形度好，顆粒尺寸分布在11.2~63.6μm範圍內。圖2為（wéi）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（zé）塊狀，尺寸較小。 通過（guò）上述研究表明，3D打印耗材金屬粉末需滿足粒徑細小、粒度（dù）分布窄、球形（xíng）度高、流動性好和鬆裝密度高（gāo）。因（yīn）此（cǐ），為了得到（dào）所需（xū）優異性能的3D打印（yìn）產品，必須（xū）尋求一種高效的金屬粉（fěn）末製備方法。 

 

2.金（jīn）屬粉（fěn）末的製備工藝

 

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、電解法和霧化法生產的粉（fěn）末作為原（yuán）料應用到粉末冶金工業的較為普遍（biàn）。但電解法（fǎ）和還原法僅限於單質金屬粉末的生產，而對於合（hé）金粉末這（zhè）些方法均不適用。霧化法可以進（jìn）行合金（jīn）粉末的生產，同（tóng）時現代霧化工藝對粉末（mò）的形狀也能夠做出控製，不斷發展的霧化腔結構大幅提高了霧化效率，這使得（dé）霧（wù）化法逐漸發（fā）展成為主要的（de）粉末生產方法。霧化法滿足3D打印耗材金屬粉末的（de）特（tè）殊要（yào）求（qiú）。 霧化法是指通過機械的方法使金屬熔液粉碎（suì）成尺寸（cùn）小於150μm左右的顆粒的方法。

按（àn）照粉碎金屬熔液的方式可以分為霧（wù）化法包括（kuò）二流霧（wù）化法、離心霧化、超聲霧化、真空霧化等。這些霧化方法（fǎ）具有各自特點，且都已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（dān）、能耗低、批量大等（děng）優（yōu）點，己成（chéng）為金屬粉末的主要工業化生產方法（fǎ）。 

 

2.1水霧化法 

 

在霧化製粉生產中，水霧化法（fǎ）是廉價的生產方法之（zhī）一。因為霧化介質水不但成（chéng）本低廉（lián）容易獲取，而且在霧化效率（lǜ）方而表現出色。目前，國內（nèi）水霧化法主 要用來生產鋼鐵粉末、金剛石工具用胎體粉末、含油軸承用預合（hé）金粉末、硬麵（miàn）技術用（yòng）粉末以及（jí）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（chéng）中（zhōng），被破碎的金屬熔滴由於凝固過（guò）快而變成不規則狀，使粉末的球形度受到影響。

 

另（lìng）外一（yī）些具有高活性（xìng）的金屬或者合（hé）金，與水接觸會發生反應，同時由於霧化過（guò）程中與水的接觸，會提高粉末的氧含量。這些問（wèn）題限製了（le）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（gōng）司發明了一（yī）種（zhǒng）水霧化製備球（qiú）形金屬粉末的方法，其采用在水霧化噴嘴下方處再設置一個二（èr）次冷水霧化噴嘴，進行二次霧化。該發明得（dé）到的（de）粉末不僅球形度（dù）接近氣霧化效果，而且粉末粒度（dù）比一次水霧化更細。

2.2氣霧化（huà）法

 

氣霧化法是生（shēng）產金屬及合（hé）金粉末的（de）主要方法之 一。氣霧化的基本原理是用高速氣流（liú）將（jiāng）液態金屬流破碎成小液滴並凝固成粉末的過程（chéng）。由（yóu）於其製備的粉末具有純（chún）度高（gāo）、氧含量（liàng）低、粉末粒度（dù）可（kě）控、生產（chǎn）成本低以及球形度高等優點，已成為高性能及特種合金粉（fěn）末製備技術的主要發展方向。但是，氣（qì）霧（wù）化法也存在不足，高壓氣流的能量遠小於高壓（yā）水流的能量，所以氣霧化對金屬熔體的（de）破碎（suì）效率低於水霧化，這使得氣霧化粉末的霧化（huà）效（xiào）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（xià）： 

2.2.1層流霧化（huà）技術 

 

層流霧化技術是由德國Nanoval公司等提出，該（gāi）技術對常規噴嘴進行（háng）了重大改進。圖3為層流霧化噴嘴結構圖。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（xià），以Ar或N2為介質霧化銅、鋁、316L不鏽鋼等，粉（fěn）末平均（jun1）粒度達到（dào）10μm。該工藝的另一個優（yōu）點是氣體（tǐ）消耗量低，經濟效益顯著，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大，霧化過程不穩定，產量小（金屬質量（liàng）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（chāo）聲緊耦（ǒu）合霧化技術 

 

超聲緊耦合（hé）霧化技術是由英國PSI公司（sī）提（tí）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（dù）超過聲速（sù），並且增加金屬的質量流率。圖 4為典型的緊藕合霧（wù）化噴嘴結構圖（tú）-Unal霧化噴嘴。 在霧化高表麵能的金屬如（rú）不鏽鋼時，粉（fěn）末平均粒度（dù）可達（dá）20μm左右，粉末的標（biāo）準偏差最低可（kě）以降至1.5μm。

該技術的另一大優點是大大提高了粉末的冷卻速（sù）度，可以生產快（kuài）冷或非晶結的粉末。從當前的發（fā）展（zhǎn）來看，該項技術設備代表了緊耦合霧（wù）化技術的新的（de）發（fā）展方向（xiàng），且具有工業實用意義（yì），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、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PSI公（gōng）司和美國的HJF公司分別對熱氣體霧化的作（zuò）用及機理進行了（le）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（hé）金，得出粉末的平均粒（lì）徑（jìng）和（hé）標準偏差（chà）均隨溫度（dù）升（shēng）高而降低。與傳統的霧化技術相比，熱氣體（tǐ）霧化技（jì）術可以提高霧化（huà）效率，降（jiàng）低氣體消（xiāo）耗（hào）量，易（yì）於在（zài）傳統的霧化設備（bèi）上實現該工藝，是一項具有（yǒu）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藝 

 

目前，我國河南黃（huáng）河旋（xuán）風股份（fèn）有限公司（sī）已（yǐ）經開始進入3D打印金屬粉末研（yán）發。其所用的粉末製（zhì）備工藝（yì）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（huà）技術。

 

2.3.1真（zhēn）空（kōng）霧化製（zhì）粉 

 

真（zhēn）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（tǐ）保護的條件下，高壓氣流將金屬液體霧（wù）化破碎成大量細（xì）小的液滴，液滴在（zài）飛行中凝固成球形或是亞球形顆粒。真空霧化製粉可以製備大多數不能采用在空氣中和水霧化方法（fǎ）製造的（de）金屬及其合金粉末，可得到球形或亞球形粉（fěn）末。由於凝固快克服了偏（piān）析現象（xiàng），可以製取許多特殊合金粉末。采用合（hé）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（chāo）高壓霧化法是采用超高壓霧化噴嘴製備金屬 粉末（mò）的一種方法。圖5（a）為高壓霧化噴嘴，圖（tú）5（b）為超高壓霧化噴嘴。超高壓霧化噴嘴的特（tè）點是可以在較低的氣壓下產生（shēng）更高的超音速氣流和均勻的氣（qì）體速度場（chǎng），從而更（gèng）加（jiā）有效抑（yì）製（zhì）有害（hài）激波的產生，明顯增加氣體的動能，使霧化效率更高。該噴嘴在較低的氣壓下產生與高壓霧化噴嘴相同的霧（wù）化效果，而且氣（qì）流速度更加穩定和均勻。同時，製得的（de）粉末粒徑小、分布窄。 

 

我國3D打印金屬粉（fěn）末現狀

 

近年來，我國積極（jí）探索3D打（dǎ）印（yìn）金屬粉末製備技（jì）術，初步取得（dé）成效。自20世紀90年代初以來，清華大學、西安交通（tōng）大學、華中科技大學（xué）、華南理（lǐ）工大學、北京航空航天（tiān）大學、西北工業大學等高校（xiào），在3D打印材料技術方麵，開展了積極的探索，已有部分技術（shù）處於世（shì）界先進水平。

 

同時，除了高校，中國（guó）出（chū）現了一批金屬3D打印粉末（mò）材料的生產企業，例如北京中航邁特、無錫飛爾康、西安賽隆、廣州（zhōu）納聯、河南黃河旋風等（děng），影響著中國的金屬3D打印事業。

 

同時，在常規的金屬粉末霧（wù）化（huà）噴嘴中，金（jīn）屬粉末的形成是靠氣流對金屬液流的擾動和衝擊使其（qí）破（pò）碎成粉末，由於（yú）氣流的擾動具有統計特征，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（pēn）嘴的結構如（rú）何，氣流在作用於液（yè）流（liú）前的飛行中不斷膨脹，速度減小（xiǎo），導致霧化氣體（tǐ）能量損（sǔn）失較大，影響（xiǎng）了霧化（huà）效率。因此，這為3D打印技術（shù）帶來挑戰的同時，也帶來了商機。3D打印技（jì）術作為“增材製造”的主要實現形式，節（jiē）約成本、減少燃料消耗，必將（jiāng）成為最具潛力發展的產業。

 

根據獨立市場研究公（gōng）司MarketsandMarkets在（zài）2015年年底（dǐ）發表的報告,全球金屬粉末供應的5大公司分別是Sandvik，Carpenter，GKN，Arcam，LPW Technology。3D打印粉末（mò）市場預計（jì）在未來幾年會顯著增長，其中（zhōng），金屬粉末被報道是目前3D打印粉末中最主要的。Carpenter目（mù）前作為全球3D打印粉末市場（chǎng）中最強大的公司（sī）之一，並且肯定是（shì）美國的領先公司。根據報告（gào），北美是目前市場上最主要的地區，預計（jì）在未來幾年將繼（jì）續保持領先地位。