金屬3D打印機火了（le）之後，金屬3D打印粉末材（cái）料也跟著（zhe）開（kāi）始火了。南極熊曾報道，市場研究公司IDTechEx公布2016年3D打印金屬粉末市場達到了（le）2.5億（yì）美金，高於預測。而3D打印金屬粉末（mò）市（shì）場將保持高增長的（de）態勢，到2025年達到50億美金的市場規模，年複合增長率39.5%。

 

接下（xià）來南極熊就為大家主要介紹一下（xià），目前國內外3D打印金屬粉末的製備工藝——氣霧化技術的最新進展，並對（duì）3D打印金屬粉末製備技（jì）術的現狀進行分析，提出一些意見。

 

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

 

幹貨 ：不用找了，全球金屬3d打印粉（fěn）末材料廠商都在這裏

 

 

3D打印技術是一種新型的打印技術，其突（tū）出優點在於（yú）無需（xū）機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據（jù）中生成任何形狀的零件，從而極（jí）大地縮短產品的研製周期，提高生產率和降低生（shēng）產成本（běn）。3D打印金屬（shǔ）粉末作為金屬零件3D打印最（zuì）重（chóng）要的原材料，其製備方（fāng）法備受人們關注 ，3D打（dǎ）印金屬粉末作為金屬零件3D打印產業鏈 最重要的一環，也是最大的價值（zhí）所在。

 

在“2013年世界（jiè）3D打印技術產業大會”上，世界3D打印行業的權威專家對3D打印金屬粉末給予明確定義，即指尺寸小於1mm的金屬顆粒群（qún）。包括單（dān）一金屬粉末、合金粉末（mò）以及具有金屬性（xìng）質的某些難熔化合物粉末。目前，3D打印金屬粉末材料包括（kuò）鈷鉻合金、不鏽鋼（gāng）、工業鋼、青銅合金、鈦合金和鎳鋁合（hé）金等。但（dàn）是3D打印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（xiǎo）、粒度分布較（jiào）窄、球形度高、流動性好和（hé）鬆（sōng）裝密度高等要求。 為了進（jìn）一步證明3D打印金屬粉末對產品的影響。

 

采用選（xuǎn）擇性激光燒結法（SLS法（fǎ））打印兩（liǎng）種不同的不鏽鋼粉末（mò），發現製備出的產品（pǐn）存在明顯（xiǎn）差異。德（dé）國某廠家的不（bú）鏽鋼粉末打印樣品表麵光澤、收縮率小、不（bú）易變形、力學（xué）性能穩定。而國內某廠家的不鏽鋼粉末的打印樣品則遠遠不及前（qián）者。為此，對兩種不（bú）同的不鏽（xiù）鋼粉末進（jìn）行的微觀（guān）形貌分析。

 

圖1為德國某廠家不鏽鋼粉末的微觀結構（gòu），從圖中（zhōng）我們可以看出，粉末顆粒球形度好，顆粒尺（chǐ）寸分布在11.2~63.6μm範（fàn）圍內（nèi）。圖2為國內某（mǒu）廠家的不鏽（xiù）鋼粉末的微觀結構，可（kě）以看出，其顆粒為不規則塊狀，尺寸較小。 通過上述研究表明（míng），3D打（dǎ）印（yìn）耗材金（jīn）屬粉（fěn）末需滿（mǎn）足（zú）粒徑細小、粒度分布窄、球形度高、流動性（xìng）好和鬆裝密度高。因此，為了得到所需優（yōu）異性能的3D打印產品，必須尋求一種高效的（de）金屬粉末（mò）製備方法。 

 

 

2.金屬粉末的製備工藝

 

目前，粉末製（zhì）備方法按照製備工藝主要可分為：還原法（fǎ）、電解法、羰基分（fèn）解法、研磨法、霧化法等。

 

其中，以還原法、電解法和霧化法（fǎ）生產的（de）粉末作為原料（liào）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（shǔ）粉末的生產，而對於合金粉末這些方（fāng）法（fǎ）均不適用（yòng）。霧（wù）化（huà）法可以進行（háng）合金粉末的生產，同時現代霧化工藝對粉末的形狀（zhuàng）也（yě）能夠做出控製，不斷發（fā）展的霧化腔結構大（dà）幅提高了霧（wù）化效率，這使得霧化法逐漸發展成為主要的粉（fěn）末生產方法。霧化法滿足（zú）3D打印耗材金屬粉末的特殊要求。 霧化法是指通過（guò）機械的方法使金屬熔液粉碎（suì）成尺寸小於150μm左右的顆粒的（de）方法。

 

按照粉碎金屬熔液的方式可（kě）以分為霧化法包括（kuò）二流（liú）霧化法、離心霧化、超聲霧（wù）化、真空霧化等。這些霧化方法具（jù）有各自特點，且都已成功應用於工業生產。其中（zhōng）水氣霧化法（fǎ）具有生產設備及工藝簡單、能耗低、批量大等優點，己成為金屬粉末的主要工業化生產方法。 

 

2.1水霧化法（fǎ） 

 

在霧化製粉生產中，水霧化法是廉價的生產方（fāng）法之一。因為霧化介質水不但成本低廉容易獲取，而且在霧（wù）化效率方而表現出色。目前，國內水霧化法主（zhǔ） 要用來生產鋼（gāng）鐵粉末、金剛石工具用胎體粉末、含油軸承用預合（hé）金粉末、硬麵技術用粉（fěn）末以及鐵基、鎳基磁性粉末等（děng）。然（rán）而由於水的比熱容遠大於氣體，所以在霧化過（guò）程中，被破碎的金屬熔滴由於凝固過快而變成不規則狀，使粉末的球形度受到影響（xiǎng）。

 

另外（wài）一些具有（yǒu）高活性的金（jīn）屬或者合金，與水接觸會（huì）發生反應（yīng），同時由於霧化過程中與水（shuǐ）的接觸，會提高粉末的氧含量。這些問題限製了水霧化法在製備球形度高、氧含量低的金屬粉末的應用。但是，金川集團股（gǔ）份有限公司發明了一種水霧化製（zhì）備球（qiú）形金屬粉末的方法，其采用在水霧化噴（pēn）嘴（zuǐ）下方處再設置一個（gè）二次冷水霧化噴嘴，進行二次霧（wù）化。該發明（míng）得（dé）到的粉末不僅球形度接近氣霧化效果，而且粉末粒（lì）度比一次水霧化更細。

 

2.2氣霧化法

 

氣霧化法是生產金屬（shǔ）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（tài）金屬流破碎成小液（yè）滴並凝固成粉末的過程。由於其製備的粉末具有純度高、氧（yǎng）含量（liàng）低、粉末（mò）粒（lì）度可控、生產成（chéng）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術的主（zhǔ）要發展方向。但是，氣霧化法也存在不足，高壓氣流（liú）的能量遠小於高（gāo）壓水流的（de）能量，所以氣霧化對金屬熔體（tǐ）的破碎效率低於水霧化，這使得（dé）氣霧化粉末的霧化效率較低，從而增加了霧化粉末（mò）的製備成（chéng）本（běn）。

 

目前，具有代表性的幾種氣霧化製粉技術氣（qì）霧化如（rú）下（xià）： 

 

2.2.1層（céng）流霧化技術 

 

層流霧化技術是由德國Nanoval公司等提出，該技術對常規噴嘴進行了重大改進。圖3為層流霧（wù）化噴嘴（zuǐ）結構圖。改（gǎi）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（huà）壓力下，以Ar或N2為介質霧化銅、鋁、316L不鏽鋼（gāng）等，粉（fěn）末平均（jun1）粒度達到10μm。該工藝的另一個優點是氣體消耗量低，經濟效益顯著，並且（qiě）適用於大（dà）多數（shù）金屬粉末的生產。缺點是技術（shù）控製難度大（dà），霧化過程不穩定，產量小（金屬質量流（liú）率小於1kg/min），不利（lì）於工業化生（shēng）產。Nanoval公司正致力於這些問題的解決。

 

2.2.2超聲緊耦合霧化技術 

 

超聲緊耦合霧化技術（shù）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優化，使氣流的（de）出口速度超過聲速，並（bìng）且增（zēng）加金屬的質量流率。圖 4為典型的緊藕合霧化噴嘴結構圖（tú）-Unal霧化噴嘴。 在霧化高表麵能的金屬（shǔ）如不（bú）鏽鋼時（shí），粉末平均粒度可達20μm左右，粉末的標準偏差最低（dī）可以降（jiàng）至1.5μm。

 

該技術的另一大優（yōu）點是大大提高了粉末的冷卻速度，可以生產快（kuài）冷或非晶結的（de）粉末。從當前的發展來看，該（gāi）項技術設備代表了緊耦合霧化技術的新的發展方向，且具有工業實用意義，可以廣泛應用於微細（xì）不鏽鋼、鐵合金、鎳合金、銅合金、磁（cí）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（de）PSI公司和美國的HJF公司分別對熱氣體（tǐ）霧化的作用及（jí）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隨（suí）溫度升（shēng）高（gāo）而降低。與傳統的霧化技術相比（bǐ），熱氣體霧化技術可以提高霧化效率，降低氣體消耗（hào）量，易於（yú）在（zài）傳統的霧化設備上實現該工藝（yì），是一項具有應用前景的技術。但是（shì），熱氣體霧化技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，我國河南黃河旋（xuán）風股（gǔ）份有限公司已經開始進入（rù）3D打（dǎ）印金（jīn）屬粉末研發。其所用的粉末製備工藝（yì）如真空霧化製粉、超高壓水霧化製粉、惰性氣體（tǐ）緊耦合霧化製粉技術。下麵著重介紹（shào）前兩種霧化技術。

 

2.3.1真空霧化製粉 

 

真空霧化（huà）製粉是指在真空（kōng）條件下熔煉金屬或金屬合（hé）金，在氣體保護的（de）條件下（xià），高壓（yā）氣流將金屬液體霧化破碎成大量細小的液滴，液滴（dī）在飛行中凝固成球形或是亞球形顆粒。真空霧化製粉（fěn）可以（yǐ）製備大（dà）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）到球形或亞球形粉末。由於（yú）凝固快克服了偏析現象，可以製取許多特（tè）殊合金（jīn）粉（fěn）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

 

超高壓霧（wù）化法是采（cǎi）用超（chāo）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5（b）為超高壓霧（wù）化噴嘴。超高壓霧化噴嘴的（de）特點是可以在較低的氣（qì）壓下產生更高的（de）超音速氣流和均勻（yún）的氣體速度場，從而更加有效抑製（zhì）有（yǒu）害激波（bō）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（huà）噴嘴相同的霧化效果，而且氣流速度更加穩定和均勻。同時，製（zhì）得的粉（fěn）末粒徑小、分布窄。 

 

我國3D打（dǎ）印金屬粉（fěn）末現狀

 

近年來（lái），我國積極探（tàn）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（dài）初以來，清華大學、西安交通大學、華中科技大學、華南（nán）理工大學、北京航空（kōng）航天大學、西北（běi）工業大學等高校，在3D打（dǎ）印材料技術方麵，開展（zhǎn）了積極的探索，已有部分技術處於世界先（xiān）進水平。

 

同時（shí），除了高校，中國出現了（le）一批金屬3D打印粉末材料的生（shēng）產企業，例如北京中（zhōng）航邁特、無錫飛爾康、西（xī）安賽隆、廣州納聯、河（hé）南黃河旋（xuán）風等，影響（xiǎng）著（zhe）中國的金屬（shǔ）3D打印事業。

 

同（tóng）時，在常規的金（jīn）屬粉末霧化噴嘴中（zhōng），金（jīn）屬（shǔ）粉末的形成是（shì）靠氣流對金屬液流的擾動和衝擊使其破（pò）碎成（chéng）粉末，由（yóu）於氣流（liú）的（de）擾（rǎo）動具有統（tǒng）計特征，粉末的粒度分布較（jiào）寬（kuān），同時在所有的霧化技術中，不管噴（pēn）嘴（zuǐ）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（jiǎn）小，導致霧化氣體能量損失較（jiào）大，影響了（le）霧化效率。因此，這為3D打印技術帶來挑戰的同時，也帶來了商機。3D打印技術作（zuò）為（wéi）“增材製造”的主要實現形（xíng）式，節（jiē）約成本、減少燃料消耗，必將成為最具潛力發展的產業。