在鑄造領域，不管是那種工藝，都要先將金屬熔化，進而成型，3D打印的出現，可以直接將呋喃、酚醛、亞克力粉（fěn）等做成複雜形狀（zhuàng）的模（mó）具，在鑄造（zào）領（lǐng）域，逐漸得到應（yīng）用，起到節能（néng）環保、降（jiàng）本（běn）增效的作用！

 

不僅如（rú）此，如今3D打印已經可以直接打印金屬粉末（mò）了，未來的某一天，當3D打印金屬粉末技術足夠成熟，鑄造業必將迎來翻天覆地的變化！

 

接下來，給大家看一下3D打印金屬粉末製備技術及現狀

 

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3D打印（yìn）金屬粉（fěn）末給予明確定義，即指尺寸（cùn）小於1mm的金屬顆粒群。包括單一金屬粉末、合金粉末以及具有金（jīn）屬性質的某些難熔化合物粉末。

 

目前，3D打印金屬粉末材料包括鈷（gǔ）鉻合金、不鏽鋼、工業鋼、青銅合（hé）金、鈦合金和（hé）鎳（niè）鋁合金（jīn）等。但是3D打印金屬粉末除需具備良（liáng）好的可塑（sù）性外，還（hái）必（bì）須滿足粉末粒徑細小、粒度（dù）分布較窄、球形度高、流動（dòng）性好和鬆裝密度（dù）高等要求。 為了進一步證明3D打印（yìn）金屬粉末對產品的影響。

 

 

 

采用選擇性激光燒（shāo）結法（fǎ）(SLS法)打印兩種不（bú）同的不鏽鋼（gāng）粉末（mò），發現（xiàn）製備出（chū）的產品存在明（míng）顯差異。德國（guó）某廠家的不鏽（xiù）鋼粉末打印樣品表麵光澤、收縮率小、不易變形、力（lì）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（bú）及前（qián）者。為此，對（duì）兩種不同的不（bú）鏽鋼粉末進（jìn）行的微觀形貌分（fèn）析。

 

德國某廠家不鏽（xiù）鋼粉（fěn）末的微觀結構，從中我（wǒ）們可以看出，粉末顆粒球形度好，顆粒尺寸分布（bù）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（yǐ）看出，其（qí）顆粒為不規則塊狀，尺寸較小。 通過上述研究表（biǎo）明，3D打印耗（hào）材金屬粉末需滿足粒徑細小、粒度（dù）分布窄、球形度高、流動性好和鬆裝密度高。因此，為（wéi）了得（dé）到所（suǒ）需優異性能的3D打印產品，必（bì）須尋求一種高效的金屬粉末製備方法。

 

金屬粉末的製（zhì）備工藝

　　

目前（qián），粉（fěn）末製備方法按照製備工（gōng）藝（yì）主要（yào）可分為：還原法、電解法、羰基分解法、研（yán）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（wéi）原料應用到粉末冶金工業的較為普遍。但電解法和還原法僅限於單質金屬粉末的生產，而（ér）對於合金粉末這些方法均不適（shì）用。霧化（huà）法可（kě）以（yǐ）進行合金粉末的生產，同時現代霧化工（gōng）藝對粉末的形狀（zhuàng）也能夠做出控（kòng）製，不斷發展（zhǎn）的霧化腔結構大幅（fú）提高了霧化效率，這使得（dé）霧化法逐漸（jiàn）發展（zhǎn）成為主要的（de）粉末生產方法。霧化法滿足3D打印耗材（cái）金屬粉（fěn）末的特殊要求。 霧化法是（shì）指通過機械的（de）方法（fǎ）使金屬熔（róng）液粉碎成尺寸小（xiǎo）於150μm左右的顆粒的方法。

　　

按照粉碎金屬熔（róng）液的方式（shì）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。這些霧化方法具有（yǒu）各（gè）自特點，且都（dōu）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（hào）低、批量（liàng）大等優點，己成為金屬粉末的主要工業化生產（chǎn）方法（fǎ）。

 

1、水霧化法

 

在霧化製粉生產中，水霧化法是廉價的生產方法之（zhī）一。因為霧（wù）化介（jiè）質（zhì）水不但成本（běn）低廉容易獲（huò）取，而且在（zài）霧化效率方而表現出色。目前（qián），國內水霧化（huà）法主 要用來（lái）生產鋼鐵粉末、金剛石工具用胎體（tǐ）粉末、含油軸（zhóu）承用預合金粉末、硬麵技術用粉末以及（jí）鐵基、鎳基（jī）磁（cí）性粉末等。然而由於水的比熱容遠大於氣體，所以（yǐ）在霧（wù）化過（guò）程中，被破碎的金屬熔滴由於凝固過快而變成不規則狀，使粉末的球（qiú）形度受到影響。

 

另外一些具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（huà）過程中與水（shuǐ）的接觸，會提高粉末（mò）的氧含量。這些問題限製了水霧化（huà）法在製備球形度高、氧含量低的金屬粉末的應（yīng）用。但是，金川集團股份有限公司發明了（le）一種水（shuǐ）霧化製備球形金屬粉末的方（fāng）法，其（qí）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（huà）。該（gāi）發明得到的粉末（mò）不（bú）僅球形度接近（jìn）氣霧化效果，而且粉末粒度比一（yī）次水霧化更細。

 

 

2、氣霧化法

　

氣霧化法是生產（chǎn）金屬及合金粉末的主要方法之 一。氣霧化的基本原理是用高速氣流將液態金屬流破碎成小液滴並凝固成（chéng）粉末的過程。由於其製備的（de）粉（fěn）末具有純度高、氧（yǎng）含量低、粉末粒度可控、生（shēng）產成本（běn）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術的主要發展方向。但是，氣霧化法也存在不足，高壓氣流的能量（liàng）遠小於高壓水流的能量，所以氣霧化對金屬熔體的破碎效率低（dī）於（yú）水霧化（huà），這使得氣霧化粉末的霧（wù）化效率較（jiào）低，從（cóng）而增加了霧化粉末的製備成本。

　　

目前（qián），具有代表性的幾種氣（qì）霧化製粉技術氣霧（wù）化如下：

　　

2.1、層流霧化技術

　

層流（liú）霧化技術是由德國Nanoval公司等提出，該技術對常規噴（pēn）嘴進行了重大改進。圖3為層流（liú）霧化噴嘴結構圖（tú）。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，以Ar或N2為介質霧化銅、鋁、316L不鏽鋼等，粉末平均粒度（dù）達到10μm。該工藝的另一（yī）個優點是氣體（tǐ）消耗量低，經濟（jì）效益顯著，並且適用於大（dà）多數金屬粉末的生產。缺點是技（jì）術控製難度大，霧化過程不穩定（dìng），產量小(金屬質量流率小於1kg/min)，不（bú）利於工業化生產（chǎn）。Nanoval公司正致力於這些問題的解決。

　　

2.2、超聲緊耦合霧（wù）化技術

　　

超聲緊耦合霧化技術是由英國PSI公司提出。該技術對緊耦合環縫式噴嘴進行結構（gòu）優化，使氣流的（de）出口速度超過聲速，並（bìng）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。在霧化高表麵（miàn）能的金屬如不鏽鋼時，粉末平均粒（lì）度（dù）可達20μm左右，粉末（mò）的標準偏差最低可以降至1.5μm。

 

 

典型的（de）緊藕合霧化（huà）噴嘴結構圖

該技術的另一大優點是大大提高了粉末的冷卻速度，可（kě）以生產快冷或非晶（jīng）結的粉末。從當前的發展來看，該（gāi）項技（jì）術（shù）設備代表了緊耦合霧化技術的（de）新的發展方向，且具有工業實用意義，可以廣泛應（yīng）用於微細不鏽鋼、鐵合金、鎳（niè）合金、銅合（hé）金、磁性材（cái）料、儲氫材料等合（hé）金粉末的生產。

　　

2.3、熱氣體霧化法

　　

近年來，英國的PSI公司和（hé）美國的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，將氣體加熱至200～400℃ 霧化銀合金和金合金，得出粉末的平均粒徑和標準偏差均（jun1）隨溫度升高（gāo）而降低。與（yǔ）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，降低氣體消耗（hào）量，易於在傳統的霧化設備上實現該工藝，是一項具有應用前景的技術。但是，熱（rè）氣體霧化技術受到氣體（tǐ）加熱係統和噴嘴的限製，僅（jǐn）有少數幾家研究機構進行研（yán）究。

　　

3、國（guó）內3D打印金屬粉末的霧化工藝

 

目前，我國（guó）河南黃河旋風股份有限公（gōng）司已經開始進入3D打（dǎ）印（yìn）金屬粉末研發。其所用的（de）粉末製備工藝如真空霧化製粉、超（chāo）高壓水霧化製（zhì）粉、惰性氣體緊耦合霧化（huà）製粉技術。下麵著重介紹前兩種（zhǒng）霧化技（jì）術。

 

3.1、真空霧化製粉（fěn）

　　

真空霧化製（zhì）粉是（shì）指在真空條（tiáo）件（jiàn）下熔煉金屬或（huò）金屬合金，在氣體保護的條件下，高壓（yā）氣流將金（jīn）屬（shǔ）液體霧化破碎成大量細小的（de）液（yè）滴，液滴在飛行中凝固成球形或是（shì）亞球（qiú）形顆粒。真（zhēn）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製造的金屬及其合金粉末，可得到球形或亞球形（xíng）粉末。由於凝固（gù）快克服了偏析（xī）現象，可以製取許多特殊合金粉末。采用合適的工藝，可以使粉末粒度達到一個要求（qiú）的範圍。

 

 

 

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金屬 粉（fěn）末的一種方法。圖5(a)為（wéi）高壓霧化噴嘴，圖5(b)為超高壓霧化噴嘴。超（chāo）高壓霧化噴嘴的特點是可（kě）以在較低的氣壓下產生更高的超音速氣流和均（jun1）勻（yún）的氣體速度場，從而（ér）更加有效抑（yì）製有害激波的產生，明顯（xiǎn）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化效果，而且氣流速度更加（jiā）穩定和均勻。同時，製得的粉末粒（lì）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（shù），初步取得成效。自20世紀90年代初以（yǐ）來，清華大學、西安交通（tōng）大學、華（huá）中科技大學、華南理工（gōng）大學、北京航空航天大學、西北工（gōng）業大學等高校（xiào），在3D打（dǎ）印材（cái）料技術方麵，開展了積極的探索，已有部分（fèn）技術處於世界先進水平。黃河旋風股份有限公司已經開始（shǐ）進（jìn）入（rù）3D打印金屬粉末研發。擁有多套國內領先水（shuǐ）平的霧化製粉設備，工藝涵蓋真空霧化（huà）製粉、超高壓水霧化製粉、惰性氣體（tǐ）緊耦（ǒu）合霧化製粉技術，將為中國的3D打印事業貢獻一份力量。

　　

但是，目前，我國3D打印金屬（shǔ）粉末仍存在如下4個（gè）問題：

 

1、缺乏宏觀規劃（huá）和引導；

2、對技術研發（fā）投（tóu）入不足；

3、產（chǎn）業鏈缺乏統（tǒng）籌發展；

4、缺乏教育培訓和社會推廣。

　　

同時，在常規的金屬粉末霧化噴嘴中，金屬粉末的形成是靠氣流對金（jīn）屬液流的擾動和衝擊使其破碎成粉末，由於氣流的擾（rǎo）動（dòng）具有統計特征（zhēng），粉末的粒度分布較寬，同時在所有（yǒu）的霧化技術（shù）中，不管噴嘴的結構如（rú）何，氣流在作用於液流前的（de）飛行中不斷膨脹，速度減小，導致（zhì）霧化氣體能量損（sǔn）失（shī）較大（dà），影響（xiǎng）了霧化效率。因（yīn）此，這為3D打印技術帶（dài）來挑（tiāo）戰的同時，也帶來了商機。3D打印技術作為“增（zēng）材製造”的主要實現形式，節約成（chéng）本（běn）、減少燃料消耗，必（bì）將成為最具潛力（lì）發展的產業。

　　

根（gēn）據獨（dú）立市（shì）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打印粉末市場（chǎng）預計在未來幾年會顯著增長，其中，金屬粉末被報道是目（mù）前3D打印粉末中最主要的。Carpenter目（mù）前作為全球3D打印（yìn）粉末市場中最（zuì）強大的公司之一，並且肯定是美國的（de）領先公司。根（gēn）據報告，北美是目前市場上最主要的地區，預（yù）計（jì）在未來幾年將繼續保持領先地位。