日前，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（yù）測。而（ér）3D打印金屬粉末市場將保持高（gāo）增長（zhǎng）的態勢，IDTechEx預測到2025年達到50億美金的市場（chǎng）規模，年複合增長（zhǎng）率39.5%。接下來就為大家主要介（jiè）紹一下，目前國內外3D打印金屬粉末的製備工藝——氣霧化技術的（de）最新進展，並對3D打印金屬粉末製備技術的現狀進（jìn）行分析（xī），提出一些意見。

 

3D打印技（jì）術是一種新（xīn）型的打印技術，其突出優（yōu）點在（zài）於無需機械加工（gōng）或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生（shēng）成任何形狀的零件，從而極大地縮（suō）短產品的（de）研製周期（qī），提高生產率和降低生產（chǎn）成本。3D打印金屬粉末（mò）作為金屬（shǔ）零件3D打印最重要的（de）原材料，其製備方法備受人們關注 ，3D打印金屬粉末作為金屬零件3D打印產業（yè）鏈 最重（chóng）要的一環，也是最大的價值所在。

　　

在“2013年（nián）世（shì）界3D打印技術產業大會”上（shàng），世界3D打印行業的權威專家對3D打印金（jīn）屬粉（fěn）末給予明確定義，即（jí）指尺寸小於（yú）1mm的金屬顆粒群。包括單（dān）一金屬粉（fěn）末（mò）、合金粉末以及具有金屬性質的某些（xiē）難熔化合物粉末。目前，3D打印金屬粉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（jù）備良好的可塑性外（wài），還必須滿足粉末粒徑細小、粒度分布較（jiào）窄、球形度高、流動性（xìng）好和鬆裝密度高等要求。 為（wéi）了進（jìn）一（yī）步證（zhèng）明3D打印金屬粉末對產品的影響（xiǎng）。

 

 

采（cǎi）用選擇性激光燒結法(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異。德（dé）國某廠家的不鏽鋼粉（fěn）末打印樣品表麵光澤、收縮率小、不易變（biàn）形、力學性能穩定。而國內某（mǒu）廠家的不（bú）鏽鋼粉（fěn）末的打印樣品（pǐn）則遠遠不及前者。為此，對兩種不同的不鏽（xiù）鋼粉末進行的微觀形貌分析。

德國某廠家不鏽鋼粉末的（de）微觀結構，從圖中我們可以看出，粉末顆粒球形度好，顆粒尺寸分布在11.2~63.6μm範圍內。圖2為國（guó）內某廠家的不鏽鋼粉（fěn）末的微觀結構，可以看出，其顆（kē）粒為不規則塊狀，尺寸較小。 通（tōng）過（guò）上述研究表明，3D打印耗材金屬粉（fěn）末需滿足粒徑細小、粒度分布（bù）窄、球（qiú）形度高、流動性好和鬆裝密度高。因此，為了得到所需優異性能的3D打印產品（pǐn），必須尋求一種（zhǒng）高效的金屬粉末製備方法。

 

 

金屬粉末的製備（bèi）工藝

　　

目前（qián），粉末製備方法按照（zhào）製備工藝（yì）主要可分為：還原法、電解法（fǎ）、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（shēng）產的粉末作為原料應用到粉末冶金工業的較為普遍（biàn）。但電解法和（hé）還原法僅限（xiàn）於單質金屬粉末的生產，而對於合金粉末這些方法均不適用（yòng）。霧化法可以進行合金粉（fěn）末的生產，同時現代霧化工藝對粉末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，這使得霧化法逐漸發展（zhǎn）成為主（zhǔ）要的（de）粉末生產（chǎn）方法。霧化法滿足3D打印耗（hào）材金屬粉末的特殊要求（qiú）。 霧化法是指通過機械的方法（fǎ）使金（jīn）屬熔液粉碎成尺（chǐ）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（fǎ）包括二流（liú）霧化法、離（lí）心霧化、超聲霧化、真空霧化等。這些（xiē）霧化方法具有各自特點，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單、能耗低、批量大等優點，己成（chéng）為金屬（shǔ）粉末的主要工業化生產方法。

　　

1、水霧化法

　　

在霧化製粉生產中，水霧化法是廉價的生產（chǎn）方法之（zhī）一。因（yīn）為霧化介質水不但成本低廉容易獲取，而且在（zài）霧化效率方（fāng）而表現出色。目（mù）前，國內水霧化法主（zhǔ） 要用來生產鋼鐵粉末、金剛（gāng）石工具用胎體粉末（mò）、含油軸承用預合（hé）金粉末、硬麵技術用粉末以及鐵基、鎳基磁性粉末等（děng）。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（kuài）而變（biàn）成不規則狀，使粉末的球形度受到影響。

　　

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，同時由於霧化過程中與（yǔ）水的接觸，會提高粉末的氧含量（liàng）。這些問題限製了水霧（wù）化法在製備球形度高、氧含（hán）量低的金屬粉末的應用。但是，金川集團（tuán）股份有限公司發明了一（yī）種水霧化（huà）製備球形（xíng）金屬粉（fěn）末的（de）方法，其采用在水霧化噴嘴下方處再設置一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霧化效果，而且粉末粒度比（bǐ）一次水霧化更細。

2、氣霧化法

　　

氣（qì）霧化法（fǎ）是生（shēng）產金屬（shǔ）及合金粉末的主要方法之 一（yī）。氣霧化的基本原理是用高速氣流將液態金屬（shǔ）流破碎成小液滴並（bìng）凝固成粉末（mò）的（de）過程。由於（yú）其製備的粉末具有純（chún）度高、氧含量（liàng）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（jì）術的主要發展方向。但是，氣（qì）霧化法也存在不足，高壓氣流的能（néng）量遠小於高壓水流的能量（liàng），所以氣霧化對金（jīn）屬熔（róng）體的破碎效率低於水霧化，這（zhè）使得氣霧化粉末的霧化效率較低，從而（ér）增加了霧化粉末的（de）製備成本。

　　

目前，具有代表性的幾種氣霧化製粉技術氣霧化如下：

　　

2.1、層流霧（wù）化（huà）技術

　　

層流霧化技術是由德國Nanoval公司（sī）等（děng）提出，該技術對常規噴嘴進行了重大改（gǎi）進。圖3為層流霧（wù）化噴嘴結構圖。改進後的霧化噴嘴霧化效率高，粉末（mò）粒度分布窄，冷卻速度達106～107K/s。在2.0MPa的霧（wù）化壓力下，以Ar或N2為（wéi）介質霧化銅、鋁、316L不鏽鋼等，粉末平（píng）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（xiào）益顯著，並且適用於大多（duō）數金屬粉末的生產。缺（quē）點是技術控製難度大，霧化過程不穩定，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（zhèng）致力於這些問題的解決。

　　

2.2、超聲緊耦合霧化技術

　　

超聲（shēng）緊耦合霧（wù）化技術是由英國PSI公司（sī）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（dù）超過（guò）聲速，並（bìng）且增加金屬的質量流率。圖 4為典型的（de）緊藕合霧化噴嘴結構圖-Unal霧（wù）化噴嘴。在霧化高表麵能的金屬如（rú）不鏽鋼時，粉末（mò）平均粒度可達20μm左（zuǒ）右，粉末的標準偏差最低可以降至1.5μm。

該（gāi）技術的另一大優點是大大提高了粉末的冷卻速度，可以生產快冷（lěng）或非晶結的粉末。從當（dāng）前的發展來看，該項技（jì）術設（shè）備代表了緊耦合霧化技術的新的發展方向（xiàng），且具有工業實用意義，可以廣泛應用於微細（xì）不鏽鋼、鐵（tiě）合金、鎳合金、銅合金、磁性材料、儲氫材料等合金粉末的生產。

　　

2.3、熱氣體霧化法

　　

近年來，英（yīng）國（guó）的PSI公司和美國的HJF公司分別對熱氣（qì）體霧化的作用及機理進行了大量的研究。 HJF公司在（zài）1.72MPa壓力下，將氣體加熱（rè）至（zhì）200～400℃ 霧（wù）化銀合金和金合金，得出粉末的平均粒徑和標準偏差均隨（suí）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，降低氣體消（xiāo）耗量，易於（yú）在傳（chuán）統的霧化設備上實現該工（gōng）藝，是一項具（jù）有應用（yòng）前景的技術（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，僅有少數幾家研（yán）究機構進行研究。

　　

3、國內3D打印金屬粉末（mò）的霧（wù）化工藝

　　

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

　　

3.1、真空霧化製（zhì）粉（fěn）

　　

真空霧化製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（de）條件下，高壓（yā）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亞球（qiú）形顆粒。真空霧化製粉可（kě）以製備大多數不（bú）能采（cǎi）用在空氣中和水霧（wù）化方法製造的金屬及其合金粉末，可得到（dào）球形或亞球形粉末。由於凝固快克服了（le）偏析現象，可（kě）以製取許多特殊合金粉末。采（cǎi）用合適（shì）的工藝，可以使粉末粒度（dù）達到一個要求的（de）範圍。

3.2、超高壓霧化法

　　

超高壓霧化法是采用超高壓霧化噴嘴製備（bèi）金屬（shǔ） 粉末的一種方法。圖5(a)為高壓霧化噴嘴，圖5(b)為超高（gāo）壓霧（wù）化噴嘴。超高壓霧化噴嘴的特（tè）點（diǎn）是（shì）可以在較低的氣壓下產（chǎn）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，明顯增加氣體的動能（néng），使霧化效率更高。該噴嘴在較低的氣壓下（xià）產生與高壓霧化噴嘴相同的霧化效果（guǒ），而且氣流速度更加穩定和均勻（yún）。同時，製得的粉末粒徑（jìng）小、分布（bù）窄。

　　

我（wǒ）國3D打印金屬（shǔ）粉（fěn）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年代初以來，清華（huá）大學、西安交通大學、華（huá）中科技大學、華南理工大學、北京航空航天大（dà）學、西北工業大（dà）學等高校，在3D打印材料技術方麵，開展了積極的探索，已有部分技術處於世（shì）界先進（jìn）水平。黃河旋風股份有限公司已經開（kāi）始進（jìn）入（rù）3D打印金屬（shǔ）粉末研發。擁有（yǒu）多套國內領先水平的霧化（huà）製粉設備（bèi），工藝涵（hán）蓋真空霧化製粉、超（chāo）高（gāo）壓水霧化製粉（fěn）、惰性氣體緊耦（ǒu）合霧化製粉技術，將為中國的3D打印事業貢獻一份（fèn）力量。

　　

但是，目前，我國3D打印金屬粉末（mò）仍存在如下4個問題：

缺乏宏觀規劃和（hé）引導、

對技術研發投入不足、

產業鏈缺乏統籌發展、

缺乏教育培訓和社會推（tuī）廣。

　　

同時，在常規的金屬粉末霧（wù）化（huà）噴嘴中（zhōng），金屬粉末的（de）形成是靠氣流對金屬液流的擾動和衝擊使其（qí）破碎（suì）成粉末，由於氣流的擾動具有（yǒu）統計特征，粉末的粒（lì）度（dù）分布較（jiào）寬，同時在所有的霧化（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，速度減小，導致霧化氣體能（néng）量損失較大，影響了霧化效（xiào）率。因此，這為3D打印技術帶來挑戰的同時，也帶來了商機（jī）。3D打印技（jì）術作為“增材製造”的主要實現形式（shì），節約成本（běn）、減少燃料消耗，必將成（chéng）為最具潛力發展的產業。

　　

根據獨立市場研究公（gōng）司（sī）MarketsandMarkets在2015年年底發（fā）表的報告（gào）,全球金屬粉末供應的5大公司分別是Sandvik，Carpenter，GKN，Arcam，LPW Technology。3D打印粉末市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（fěn）末市場中最強大的公司之一，並且肯定是美國的領先公司（sī）。根據報告，北美是目前市場上最主要的地區，預計在未來幾年將繼續保持領先地位。