日前，市場研究公司IDTechEx公布2016年3D打印金屬粉（fěn）末市場（chǎng）達到了（le）2.5億美金（jīn），高於預（yù）測。而3D打印金屬粉末市場將保持高（gāo）增長的態勢，IDTechEx預測到2025年（nián）達到50億美金的市場規模，年複合增長率39.5%。接下來就為大家主要（yào）介紹一下，目前國內（nèi）外3D打印金屬（shǔ）粉末的製備工藝——氣霧化技術的最新（xīn）進展，並對（duì）3D打印（yìn）金屬粉末製備技（jì）術的現（xiàn）狀進行分（fèn）析，提出一些意見。

 

3D打印技術（shù）是一（yī）種新型（xíng）的打印技術，其（qí）突出優點（diǎn）在於無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中（zhōng）生成（chéng）任何形狀的零件，從而極（jí）大地（dì）縮短產品的研（yán）製周期，提（tí）高生產率和降（jiàng）低（dī）生（shēng）產成本。3D打印金屬粉末作為金（jīn）屬零件3D打印最（zuì）重要的原材料，其製（zhì）備方法備受人們關注 ，3D打印金屬粉（fěn）末作（zuò）為金（jīn）屬零件3D打印產（chǎn）業鏈（liàn） 最重要的一（yī）環，也是最大的價（jià）值所在。

　　

在“2013年（nián）世界3D打印技術（shù）產業大會”上，世界3D打印行業的權（quán）威專家對3D打印金屬粉末給予明確定義，即指尺寸小於（yú）1mm的金屬顆粒（lì）群。包括單一金屬粉末、合金粉（fěn）末以及具有金屬性質的某些難熔化合（hé）物粉末。目前，3D打印金屬粉末材（cái）料包括鈷鉻合金、不鏽鋼、工業（yè）鋼、青銅合金、鈦合金和鎳鋁合金等。但是3D打（dǎ）印金屬粉末（mò）除需具備良（liáng）好（hǎo）的可塑性外，還必須滿足（zú）粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球（qiú）形度高、流動性（xìng）好和鬆裝密度高等要求。 為了進一步證明3D打（dǎ）印金屬粉（fěn）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（xiù）鋼粉末，發現製備出的產品存在明顯差（chà）異。德國某廠家的不鏽鋼粉末打印樣品表（biǎo）麵光澤、收縮率小、不易變形、力學（xué）性能穩定。而國內某廠（chǎng）家的不（bú）鏽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。

德國某廠家不鏽鋼粉末的微觀結構（gòu），從圖中我們可以看（kàn）出，粉末顆粒球形度好，顆粒尺（chǐ）寸分布在11.2~63.6μm範圍（wéi）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（kē）粒為不規則塊狀，尺寸較小。 通過上述研究表明，3D打印耗（hào）材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（zhuāng）密度高。因此（cǐ），為了得（dé）到所（suǒ）需（xū）優異性（xìng）能的3D打印產品，必須尋求一種高效（xiào）的金屬粉末製（zhì）備方（fāng）法。

 

 

金屬粉末的製備工藝（yì）

　　

目前，粉末製備方（fāng）法按照製備工藝主要可分為：還原法、電（diàn）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）。但電解法和還原法僅限於單質金屬粉末（mò）的生產（chǎn），而對於合金粉末這些方法均不適用。霧化法可以進行合（hé）金粉末的（de）生產，同（tóng）時（shí）現代霧化工藝對粉末的形狀也能夠（gòu）做出控（kòng）製（zhì），不斷發展的（de）霧化腔結構大幅提高了霧（wù）化效率，這使（shǐ）得霧（wù）化法逐漸發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殊要求。 霧化法是指（zhǐ）通過機械的方法使金屬熔液粉碎成尺（chǐ）寸小（xiǎo）於150μm左右的顆粒（lì）的方法。

　　

按照粉碎金屬熔液（yè）的方式可以分為霧化法包括二流霧（wù）化法、離心霧化、超聲霧化、真空霧化等。這些霧（wù）化方法具有各自特點，且都已成功應用於工業生產（chǎn）。其中水氣霧化法（fǎ）具有（yǒu）生產設（shè）備及工藝簡單、能耗低、批量大等優（yōu）點，己成為金屬（shǔ）粉末的主要工業化生產方法。

　　

1、水霧化（huà）法

　　

在霧化製粉（fěn）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（chéng）本低廉容易獲取，而且在霧化效率方而表現出色。目前，國內水霧化法主（zhǔ） 要（yào）用來生產鋼鐵粉末、金剛石工具用（yòng）胎體粉末、含油軸承用預（yù）合金粉末、硬麵技術用粉末以及鐵基、鎳基磁（cí）性粉末等。然（rán）而由於水的比熱（rè）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（biàn）成不（bú）規則狀，使粉末的球形度受到影（yǐng）響。

　　

另外一些（xiē）具有高活性的金屬或者合金，與水接觸會（huì）發生反應（yīng），同時由（yóu）於霧化過程中與水的接觸，會提高粉（fěn）末的氧含（hán）量。這些問（wèn）題限製了水霧化（huà）法在製備球形度高、氧含量低的金屬粉末的應用。但是（shì），金川集團股（gǔ）份有限公司發明了一種水霧化（huà）製備球形金屬粉末的（de）方（fāng）法，其采用在水霧化噴嘴下方處再設置一個二次冷水霧（wù）化噴嘴，進行二（èr）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（qiě）粉末粒度比一次水霧化更（gèng）細。

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（yī）。氣霧化的（de）基本原理是用高速（sù）氣流將液態金屬流破碎成小液滴並凝固成粉末的過程。由於其製備的粉末具有純度高、氧含量低、粉末粒度可控、生產成本低以及球形度高等優（yōu）點，已成為高性能及特種合金粉末製備技術的（de）主要發（fā）展方向。但是（shì），氣霧化法也存在不足，高壓氣流的能量（liàng）遠小於（yú）高壓水流的能量（liàng），所以氣霧化對金屬熔體的破碎效率低於水霧化，這使（shǐ）得氣霧化粉末的霧化效率較低（dī），從（cóng）而增加了霧化粉末的製備成本。

　　

目前，具有代表性的幾種（zhǒng）氣霧化（huà）製粉（fěn）技術氣霧化如下：

　　

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）技術對常規噴嘴進行了重大改進。圖3為層流霧化噴（pēn）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，冷卻速度達106～107K/s。在2.0MPa的霧（wù）化壓力下，以Ar或N2為介質霧化銅、鋁、316L不（bú）鏽鋼等，粉末（mò）平均粒度達到10μm。該工（gōng）藝的另一個優點是氣體（tǐ）消耗（hào）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（shì）技術控製難度大（dà），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（yè）化生產（chǎn）。Nanoval公司正致力於（yú）這些問（wèn）題的解決。

　　

2.2、超聲緊耦合霧化技術

　　

超聲緊耦合霧化（huà）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（jié）構（gòu）優化，使氣流的出口速（sù）度超過聲速，並且增加金（jīn）屬的質量流率。圖 4為典型的緊藕合霧化噴嘴結構圖-Unal霧化噴嘴（zuǐ）。在霧化高表麵能的金屬如不鏽鋼時（shí），粉末平均粒度（dù）可（kě）達20μm左右，粉末的標（biāo）準偏差最低可以降至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（shēng）產快冷或非晶結（jié）的粉末。從當前的發展來看，該項技術設備代表了緊耦合霧化技術的新的發展（zhǎn）方向，且具有工業實用意義，可以廣泛應用（yòng）於（yú）微細不鏽（xiù）鋼、鐵合（hé）金、鎳合（hé）金、銅（tóng）合金、磁性材（cái）料（liào）、儲氫材（cái）料等合金粉末的（de）生產。

　　

2.3、熱氣體霧化法

　　

近（jìn）年來，英國的PSI公司和美國的HJF公司分別對熱氣（qì）體霧化的作用（yòng）及機（jī）理進行了大量的研（yán）究（jiū）。 HJF公司在1.72MPa壓力下，將氣體加熱至200～400℃ 霧化銀合金（jīn）和金合金，得出粉末的平均粒徑和標（biāo）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（tí）高（gāo）霧化（huà）效率，降低氣體（tǐ）消耗量，易於在傳統的（de）霧化設備上實現該（gāi）工藝，是一項具有應用前景的技術。但是，熱氣體（tǐ）霧化技術受到（dào）氣體加熱係統和噴嘴（zuǐ）的限（xiàn）製，僅有少數幾家（jiā）研究機構進行（háng）研究。

　　

3、國內3D打印金（jīn）屬粉末的霧化工藝

　　

目前（qián），我國河南黃河旋風股份有限公司已經開始進入3D打（dǎ）印金屬粉末研發。其（qí）所用的粉末製備工藝如真空霧化製粉、超高（gāo）壓水霧化製粉、惰性氣體緊耦合霧化（huà）製粉技術。下麵（miàn）著重介紹前（qián）兩（liǎng）種霧化技術。

　　

3.1、真空霧化製粉

　　

真（zhēn）空霧化製粉是指在真空（kōng）條件（jiàn）下熔煉金屬或金屬合金，在氣體保護的條件（jiàn）下（xià），高壓氣流將金屬液（yè）體霧化破碎成大（dà）量細小的（de）液滴，液滴在飛行中凝固成球形（xíng）或是亞球形顆粒。真空霧化製粉（fěn）可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，可得（dé）到球形或亞（yà）球形粉末。由於凝固快克服了偏析現象，可以製取許多特殊合金粉末。采用合適的工藝，可以使（shǐ）粉末粒度達到一個要求的範圍。

3.2、超高（gāo）壓霧化法

　　

超高壓霧化法是采用超高壓霧化噴嘴製備金屬 粉末的（de）一種方法。圖5(a)為高壓霧化噴嘴，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（dī）的氣壓下產生（shēng）更高的超音速氣流和（hé）均勻的氣體速度場（chǎng），從而更加有效抑製有害激波的產生，明顯增加氣體的（de）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（tóng）的霧化效（xiào）果，而且氣流速度更加穩定（dìng）和均勻。同時，製得的粉末粒徑小、分布窄。

　　

我國3D打印（yìn）金屬粉末現狀

　　

近年來，我國（guó）積極探索3D打印金屬粉末製備技術（shù），初步取得成（chéng）效（xiào）。自20世紀90年代初以來（lái），清華大學（xué）、西安交通大學、華中科技（jì）大學、華南理工大學、北京航（háng）空航天（tiān）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）積極（jí）的探索，已有部分技術處於世界先進水（shuǐ）平。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。擁有多套國內領先水平的霧（wù）化製粉設備，工藝（yì）涵蓋真空（kōng）霧化製粉、超高壓水霧化（huà）製（zhì）粉、惰性氣體（tǐ）緊耦合霧化製（zhì）粉技術，將為中國的3D打（dǎ）印事業貢獻一份力量。

　　

但是，目（mù）前，我國（guó）3D打印金屬粉末仍（réng）存在如下4個問題：

缺乏宏觀規劃和引導、

對技（jì）術研發投入不足、

產（chǎn）業鏈缺（quē）乏統籌發展、

缺乏教育培訓和社會推廣。

　　

同時，在常規（guī）的金屬粉末霧化噴嘴（zuǐ）中，金屬粉末的形成是靠氣流對（duì）金屬液（yè）流的擾動和衝（chōng）擊使其破碎成粉（fěn）末，由於氣流的擾動具有統計特征，粉末的粒度分布較寬，同（tóng）時在所有的霧化技術中，不管噴嘴的結構（gòu）如何（hé），氣流（liú）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，影響了霧化效率。因此，這為3D打（dǎ）印技術帶來挑戰（zhàn）的同時，也帶來了商機。3D打印技術作為“增材製造”的主要實現形（xíng）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（nián）底發表的報告,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）市場預計在未來幾年會顯著增長（zhǎng），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打印粉末市場中最強大（dà）的公司之一，並且肯（kěn）定是美國的領（lǐng）先公司。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（nián）將繼續保（bǎo）持領先地位。