3D 打印技術是一種（zhǒng）新型的打印技（jì）術，其突（tū）出優點在於無需機械加工或任（rèn）何模具，就能（néng）直接從計算機圖形數據中生成任（rèn）何形狀的零件，從而極大地縮短產品的研（yán）製周期，提高生產率和降低生產成本。 3D 打印金屬粉（fěn）末作為金屬零件 3D 打印最重要的原材料，其製備方法備受人（rén）們關注。 本文主要介紹了目前國內外（wài） 3D 打印（yìn）金屬粉末的製備工藝，氣（qì）霧化技術的最新進展，並對 3D 打印金屬粉末製備技術的現狀進行（háng）分析，提出建設性意見。

 

關鍵詞： 3D 打印（yìn）；金屬粉末；製備方法；霧（wù）化法

 

1 3D 打印金屬粉末

 

3D 打印金屬粉末作為金屬零（líng）件 3D 打印產業鏈最重要的一環，也是最大的價值所在。 在“ 2013 年世界 3D 打印技術產（chǎn）業（yè）大會” [3] 上，世界 3D 打（dǎ）印行業（yè）的權威專家對（duì） 3D 打印金屬粉末給予明確定義，即指尺（chǐ）寸小於 1mm 的金屬顆粒群。 包括單一金（jīn）屬（shǔ）粉末、合

 

金粉末以及具有金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 打印金屬粉末除需具備良好的（de）可塑性外，還必須滿足粉末粒徑細小、粒（lì）度分布較（jiào）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（yǐng）響。 作者采用選擇（zé）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（cún）在明顯差異。

 

德國某廠家的不鏽鋼粉末打印樣品表麵光澤、收（shōu）縮率小、不易變形、力學性能（néng）穩定。 而國（guó）內某廠家的不鏽鋼粉末的打印樣品則（zé）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。 圖 1 為德國某廠家不鏽鋼粉末的微觀結構，從圖中可以看出（chū），粉末顆（kē）粒球形度好，顆粒（lì）尺（chǐ）寸分布（bù）在（zài） 11.2~63.6μm 範圍內。 圖 2 為國內某（mǒu）廠家的不鏽（xiù）鋼粉末的微觀（guān）結構，可（kě）以看出，其（qí）顆粒為不規（guī）則塊狀，尺寸較（jiào）小。

 

 

 

 

圖 1 德國某廠家 3D 打印（yìn）不鏽鋼（gāng）粉末的微觀結構

 

Fig.1 Microstructure of German stainless steel powder for 3D printing

 

通過上述研究表明， 3D 打印耗材金屬粉末需滿足粒徑細（xì）小、粒度分布（bù）窄、球形度高、流動性好和鬆裝密度高。 因此，為了（le）得到所需優異性能的 3D 打印產品，必須（xū）尋求一種高效的金屬粉末製備方法。

 

 

 

 

圖 2 國內某廠家 3D 打印不鏽鋼粉末（mò）的微（wēi）觀（guān）結構

 

Fig.2 Microstructure of domestic stainless steel powder for 3D printing

 

 

 

2 金屬粉（fěn）末的製備工藝

 

目前，粉（fěn）末製備方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（fǎ）、霧化法（fǎ）等 [4-9] 。其中，以還原法、電解法和霧化法生產的粉末作（zuò）為原料應用到（dào）粉末冶金工業的較（jiào）為（wéi）普遍。但電解法和還原（yuán）法（fǎ）僅限於（yú）單（dān）質（zhì）金屬粉末的（de）生（shēng）產，而（ér）對於合金粉末這些（xiē）方法均不適用。 霧化法可以進（jìn）行（háng）合金粉末的生產，同時（shí）現代霧化工藝（yì）對（duì）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成為主要（yào）的粉末生產方法 [10] 。霧（wù）化法（fǎ）滿足 3D 打印耗材金（jīn）屬粉末（mò）的特殊要求。霧化法是指通過機械（xiè）的方法使金屬熔液粉碎成尺寸小於 150μm 左右的顆粒的方法 [11] 。 按照（zhào）粉（fěn）碎金屬熔液的方（fāng）式分類（lèi），霧化法包括二流霧化（huà）法、離心霧化、超聲霧化、真空霧化等 [12,13] 。 這些霧化方法具有各（gè）自特點，且都已（yǐ）成功應用於工業（yè）生產。 其中水氣霧化法具有（yǒu）生產設備及工藝簡單（dān）、能耗低、批量（liàng）大等優點，己（jǐ）成（chéng）為金屬粉末（mò）的主要工業化生產方法（fǎ）。

 

 

2.1 水霧（wù）化法

 

在（zài）霧化製粉生（shēng）產中，水霧化（huà）法是廉價（jià）的生（shēng）產方法之一。 因為霧（wù）化介質水不但成本低廉容易獲取，而且在霧化效率方而表現出色。 目前，國內水霧化法主要用來生產（chǎn）鋼鐵粉末、金剛（gāng）石工具（jù）用胎體粉末（mò）、含油軸承用預合金粉末、硬麵技術用粉末（mò）以及鐵基、鎳基磁性粉末等（děng）。 然（rán）而由於水的（de）比熱容遠大於氣（qì）體，所以在霧化過程中，被破碎的金屬熔（róng）滴由於凝固過快而變成不規則狀，使粉末的球形度受到影響。 另外一些（xiē）具有高活性的金屬或者合金，與水接觸會發生反應（yīng），同時由於霧化過程中與（yǔ）水的接觸，會提高粉末的氧含量。 這些（xiē）問題限製了（le）水霧化法在製備球形度高、氧含量低的金屬粉末的應用 [14] 。

 

但是，目前發明了一種水霧化製備球形金屬粉末的方法，其采用在水霧化（huà）噴嘴下方處再設置一個二次冷水霧化（huà）噴嘴（zuǐ），進行二次（cì）霧化。 該發明得到的粉末不僅球形度接近氣霧化效果，而且粉末粒度比一次水（shuǐ）霧（wù）化更細。

 

 

 

2.2 氣霧化法

 

氣霧化（huà）法是生產金（jīn）屬及合金粉（fěn）末的主要（yào）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（chéng）小液（yè）滴並凝固（gù）成粉末的過程（chéng）。由於其製備的（de）粉末具有純度高、氧含量低、粉末（mò）粒度可控（kòng）、生產成本低（dī）以及球形度（dù）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 [16] 。 但是，氣霧化法也存在不足，高壓（yā）氣流的能量遠小於（yú）高壓水流的能量，所以氣霧化對金（jīn）屬熔體（tǐ）的破碎效（xiào）率（lǜ）低於水霧化，這使得氣霧化粉末（mò）的霧化效率較低，從而增加了霧化粉（fěn）末的製備成本 [17] 。 目前，具有代表性（xìng）的幾種氣霧化製粉技術氣霧化如下。

 

 

 

2.2.1 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（jì）術對常（cháng）規噴嘴進行了（le）重大改進。 圖 3 為（wéi）層流霧化（huà）噴嘴結構（gòu）圖（tú）。 改進後的（de）霧化噴嘴（zuǐ）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（yǐ） Ar 或 N 2 為介質霧化銅、鋁、 316L 不鏽鋼等，粉（fěn）末平均粒度達到 10μm 。 該工藝的另（lìng）一個優（yōu）點是氣體消耗量低（dī），經濟效益顯著，並且適用於大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，產（chǎn）量小（金屬質量（liàng）流率小於 1 kg/min ），不利於工業化生產。 Nanoval 公司正致力於這（zhè）些問（wèn）題的解決。

 

 

 

 

圖 3 層流霧化噴嘴結（jié）構圖

 

Fig.3 Structure of laminar flow atomization nozzles

 

2.2.2 超（chāo）聲緊耦合霧化技術

 

超聲緊耦合霧化技術是由英（yīng）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（huà），使氣流的出口速度超過聲速，並且增加金屬的質量流（liú）率。 圖（tú）4 為典（diǎn）型（xíng）的緊藕合霧化噴嘴結構（gòu）圖 -Unal 霧化噴嘴。在霧化高表麵能的金屬如不（bú）鏽鋼時，粉（fěn）末平均粒度可達 20μm 左右，粉末的標準（zhǔn）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度，可以生產快冷或非晶結的粉末。 從當前的發（fā）展來看，該（gāi）項技術設備代表了緊耦合（hé）霧化技術的新的發（fā）展（zhǎn）方向，且具（jù）有工業實用意義，可以廣泛應用於微（wēi）細不鏽鋼、鐵合金、鎳合金、銅合（hé）金、磁性材料、儲氫材料等合金粉末的生產。

 

 

 

 

圖 4 典型的緊藕合霧（wù）化（huà）噴嘴結構圖

 

Fig.4 Structure of typical close coupled atomization nozzle

 

2.2.3 熱氣體霧（wù）化法

 

近年來，英國的 PSI 公司和美國的（de） HJF 公司分別對熱（rè）氣體霧化的作用及機理進行了大量的研究。HJF 公司（sī）在 1.72MPa 壓力下，將氣體加熱（rè）至 200～400℃霧化銀合金和金合金，得出粉（fěn）末的平均（jun1）粒徑和標準（zhǔn）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）高霧化效率，降低（dī）氣體消耗量，易於在傳統的霧化設備上實現該工藝，是一項具有應用（yòng）前景（jǐng）的技術。 但是，熱氣體霧化技術受到氣體（tǐ）加熱係統和噴嘴的限製，僅有少數幾家研（yán）究機構進行研究。

 

2.3 國內 3D 打印金屬（shǔ）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開始（shǐ）進入 3D 打印金屬粉末研發。其所用的粉末製備工藝如真空霧化製粉、超（chāo）高壓水（shuǐ）霧化製粉（fěn）、惰性氣體緊3D 打印金屬粉末（mò）的製備方法 耦合霧化製粉技術。 下麵著重介紹前（qián）兩種霧化技術（shù）。

 

2.3.1 真空霧化製粉

 

真空霧化製粉是指在真空條件下熔（róng）煉金屬（shǔ）或金屬合金，在氣體保護的條件下，高壓氣流將金屬液體霧化（huà）破碎（suì）成大量細小的液滴，液滴在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（cǎi）用在空氣中和水（shuǐ）霧化方法製造的金屬及（jí）其合金粉末，可得到球形或亞球（qiú）形粉（fěn）末（mò）。 由於凝固快克服了偏析現象，可以製取許多特殊合（hé）金粉末。 采用合適的工藝，可以（yǐ）使粉末粒度達到一（yī）個要求的範圍。

 

2.3.2 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末的一（yī）種方法。圖 5 （ a ）為高（gāo）壓霧化噴嘴，圖 5 （ b ）為超高壓霧化（huà）噴嘴。 超高壓霧（wù）化（huà）噴嘴的特點是可以在較低的氣壓下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（yì）製有害激波（bō）的產（chǎn）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（wù）化噴嘴相同的霧化效（xiào）果，而且氣流速度更加穩定和均勻。同時，製得的粉末（mò）粒徑小、分布窄。

 

 

 

圖（tú） 5 高壓霧化噴嘴結（jié）構圖

 

Fig.5 The structure of nozzles for high pressure atomization

 

 

 

3 結論（lùn）

 

近年來（lái），我國積極探索 3D 打印金屬粉末製備技術，初步取（qǔ）得成效（xiào）。 自 20 世紀 90 年代初以來，清華大（dà）學、西安交通大學、華中科技大學、華南理工大學、北京航空航天（tiān）大學、西北工業大（dà）學等高校，在 3D 打印材（cái）料技術方麵，開展（zhǎn）了積極的探索（suǒ），已有部分技（jì）術處於世界先進水平。黃河旋（xuán）風股份有限公司已經開始（shǐ）進（jìn）入 3D 打印金屬粉（fěn）末研（yán）發。擁有多套國內領先水平的霧化製（zhì）粉設備，工藝涵蓋（gài）真空霧化製粉、超高壓水霧化製粉、惰性氣體緊耦合（hé）霧（wù）化製粉技術，將為中國的 3D 打印事業貢獻一份力量。 但（dàn）是，目前，我（wǒ）國 3D打印金屬粉（fěn）末仍存在（zài）如下 4 個問題：缺乏宏觀規劃和（hé）引導、對技術（shù）研（yán）發投入不足、產業鏈缺乏統籌發展、缺乏教（jiāo）育培訓和社會推廣。 同（tóng）時，在常（cháng）規的金屬粉末霧化噴嘴中，金屬（shǔ）粉末的形成是靠氣流對金屬液流的擾動和衝擊使其破碎（suì）成粉末，由於氣流的擾動具有統計特征，粉末的粒度分布較寬，同時在所有（yǒu）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（zhàng），速度減小，導致霧化氣體能量損（sǔn）失較大，影（yǐng）響了霧化效率。因此，這為 3D 打（dǎ）印技術帶來挑戰的同時（shí），也帶來了商機。 3D 打印技術作為“增材製造”的主（zhǔ）要實現形式，節約成本、減少燃料（liào）消耗，必將成為最（zuì）具潛力（lì）發（fā）展的產業。