金屬3D打印機火了（le）之後，金屬3D打印粉（fěn）末（mò）材料也跟（gēn）著開始火了。南極熊曾報道，市場研究公司（sī）IDTechEx公布2016年3D打印金屬粉末市場達到（dào）了2.5億美（měi）金，高於預測。而（ér）3D打印金屬粉末市場將保持高增長的態勢（shì），到2025年達（dá）到50億美金的市（shì）場規模，年（nián）複合增長率39.5%。

 

接下來（lái）南極熊（xióng）就為大家主要介紹一下，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（duì）3D打印金屬粉末製備技術的（de）現狀進（jìn）行分析，提（tí）出一些意見。

在南極熊發布（bù）的《中國3D打印格局》中也對金（jīn）屬粉末（mò）材料部分廠商進（jìn）行了梳理，並且南極熊之前剛剛報道了3D打印金屬粉末技術的最新成果：美國實驗室造出更優質3D打印金屬粉末：表麵（miàn）光滑，一致性（xìng）好（hǎo）

 

 

 

3D打（dǎ）印（yìn）技術是一種新型的打印（yìn）技術，其突出優點在於無需機械加工或任（rèn）何（hé）模具，就能直接從計（jì）算機圖形數據中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產品的研（yán）製周期，提（tí）高生產率（lǜ）和降低生產成本。3D打印金（jīn）屬粉末（mò）作為金屬零件3D打印最重要的原材料，其製備方法備受人們（men）關注 ，3D打印金屬粉（fěn）末作為金（jīn）屬零件3D打印產業鏈 最重要的一環，也是最大的價（jià）值所在。

 

在“2013年世界3D打（dǎ）印技術產業大會”上，世界（jiè）3D打印行業的權威專家對3D打印金屬粉（fěn）末（mò）給予明確定義，即指尺寸小於1mm的金屬顆粒（lì）群。包括單一金屬粉末、合金粉末以及具有（yǒu）金屬性質的某些難（nán）熔化（huà）合物粉末。目前，3D打印金屬粉（fěn）末材料包括鈷鉻合金、不鏽鋼、工（gōng）業鋼、青銅合金、鈦合金和鎳（niè）鋁合金等。但是3D打印金屬粉末除需具備良好的可塑性外（wài），還必須滿足粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和鬆裝密度高（gāo）等要求。 為了進一（yī）步證明3D打印金屬粉末對產品的影響。

采（cǎi）用選擇性激光燒結法（fǎ）（SLS法）打印兩種（zhǒng）不同的不鏽鋼粉末，發現製備出（chū）的產品（pǐn）存在明顯差異。德國某廠家的不鏽鋼粉末打印樣品表麵光澤、收縮率小、不易變形、力學性能穩定。而國內某廠家的不鏽鋼（gāng）粉末的打印樣品（pǐn）則遠遠不及前者。為此，對兩種不（bú）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（jié）構，從圖中我們可以看出，粉（fěn）末顆粒（lì）球形度好，顆粒尺寸分布在11.2~63.6μm範圍內。圖2為國內某廠家的不鏽鋼粉末的微（wēi）觀結（jié）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，3D打（dǎ）印（yìn）耗材金屬粉末需滿足粒徑細小、粒度分布窄、球（qiú）形度高、流動性好和鬆裝密度（dù）高。因此，為了得到所需優異性能的3D打印產品，必須尋求一種高（gāo）效的金屬粉末製備方法。 

 

2.金屬粉末的（de）製備工（gōng）藝

 

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

 

其中（zhōng），以還原（yuán）法、電（diàn）解法和霧化法生產的粉末作為原料（liào）應用到粉末冶金工業的較（jiào）為普遍。但電解法和還原法僅限於單（dān）質金屬粉末的生產，而對於合（hé）金粉末這些方法均不適用。霧化法可以進（jìn）行合金粉末的生產，同時現代（dài）霧化工（gōng）藝對粉（fěn）末的形狀也能夠做出控製，不（bú）斷發展的（de）霧化腔結構大（dà）幅提高了霧化效率，這使得霧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（shǔ）粉末的特殊要求（qiú）。 霧化法是指通（tōng）過機械的方法使金屬熔液粉碎成尺寸（cùn）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（wéi）霧化法（fǎ）包括二流霧化法（fǎ）、離心（xīn）霧化、超聲霧化、真空霧化等。這些霧化（huà）方法具有各（gè）自特點，且都已成功應用於工業生（shēng）產。其中水氣霧（wù）化法具有（yǒu）生產設備及工（gōng）藝（yì）簡（jiǎn）單、能（néng）耗低、批（pī）量大等（děng）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 

 

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（róng）易獲取，而（ér）且在霧（wù）化效率方而表現出色（sè）。目前，國內水霧化（huà）法主 要用來生產鋼鐵粉末、金剛石工（gōng）具用胎體粉末、含油軸承用預合金粉（fěn）末、硬麵技術用粉末以及鐵基、鎳基磁性粉末（mò）等（děng）。然而由於水的比熱容遠大於（yú）氣體，所以在霧化過程中，被破碎的金屬熔（róng）滴（dī）由於凝固（gù）過快而變成不規則狀，使粉末的球形度受到影響。

 

另外一些具有高活性的金屬或（huò）者合金，與水接觸會發生反應，同時由（yóu）於霧化（huà）過程中與水的接觸，會提高粉（fěn）末的（de）氧含量。這些（xiē）問題限製了水霧化法在製備球形度高、氧含量低的（de）金屬（shǔ）粉末的應（yīng）用。但是，金川集團股（gǔ）份有限公司發明了一種（zhǒng）水霧化製備球形（xíng）金屬粉末的方法，其（qí）采用在水霧（wù）化噴（pēn）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（mò）不（bú）僅球形度（dù）接近氣（qì）霧化效果，而且粉末粒度比一次水霧化更細。

2.2氣霧化法

 

氣（qì）霧化法是生產金屬及合金粉末的主（zhǔ）要方法之 一（yī）。氣（qì）霧化的基本（běn）原理是用高速氣流將液態金（jīn）屬流破碎成小液滴並凝固成（chéng）粉末的過程。由於（yú）其製備的粉末具有純度高（gāo）、氧含量低、粉末粒度可控、生產成本低以及球形度（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（xiàng）。但是，氣霧化法（fǎ）也（yě）存在不（bú）足（zú），高壓氣流（liú）的能量遠小於高壓水流的能量，所以（yǐ）氣霧化對（duì）金屬熔體的破（pò）碎效率低於水（shuǐ）霧化，這使得氣霧化粉末的霧化效率較低，從而增加了霧化粉末的製備成本。

 

目前，具有代表性的（de）幾種氣霧化製粉技術氣霧化如下： 

2.2.1層流（liú）霧化技術 

 

層流霧化技術（shù）是由德國Nanoval公司等提出，該技術對常規噴嘴（zuǐ）進行了重大改進。圖3為（wéi）層（céng）流霧化噴嘴結構圖。改進後的霧化噴嘴霧化效（xiào）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（xiù）鋼等，粉末平均粒度達到10μm。該工藝的另一（yī）個優點是氣體消耗量低，經（jīng）濟效益顯著（zhe），並且適用於大多數金屬粉末的生產。缺點是技術控製難度大，霧（wù）化過程不穩定，產量小（金屬質（zhì）量流率小於（yú）1kg/min），不利於工業化生產（chǎn）。Nanoval公司（sī）正致力於這些問（wèn）題（tí）的（de）解決（jué）。

 

2.2.2超聲緊耦合霧化（huà）技術（shù） 

 

超聲緊耦合霧化技術是（shì）由英國PSI公司提出。該技術對緊耦合環縫式噴嘴進（jìn）行結構優化，使氣流（liú）的出口速度超（chāo）過聲速，並且增加金屬的質量（liàng）流率。圖 4為典型的緊藕（ǒu）合霧化噴嘴結構圖-Unal霧化噴嘴（zuǐ）。 在霧化高（gāo）表麵能的金（jīn）屬（shǔ）如不鏽鋼時，粉末平均（jun1）粒度（dù）可達20μm左右（yòu），粉末的標準偏差最低（dī）可（kě）以降至1.5μm。

該技術的另一大優點是大大提（tí）高了粉末的冷卻速度，可以生產快冷（lěng）或非晶結的粉末。從當前的（de）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（yì）義，可以廣泛應用於微細不鏽鋼、鐵合金（jīn）、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PSI公司（sī）和美國的HJF公司分別對熱氣體霧化的作用及機理進行了大量的（de）研究。 HJF公（gōng）司在1.72MPa壓力下（xià），將氣體（tǐ）加熱至200～400℃ 霧化銀合金和金合金（jīn），得出粉末的（de）平均粒徑和標準偏（piān）差均（jun1）隨溫度升高而降低。與傳統的霧化技術（shù）相比，熱氣體霧化技術（shù）可以提高霧化效率（lǜ），降低氣（qì）體消耗量，易於在傳統的霧化設備上實現該工藝，是一項（xiàng）具有應用（yòng）前景的技術。但是，熱氣體霧化技術受到氣體加熱係統和（hé）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（dǎ）印金屬粉末的（de）霧化工藝 

 

目前，我國河南黃河旋風股份有限公司已經開始進入3D打印金屬（shǔ）粉末研發。其（qí）所用的粉末製備工藝如真空霧化製粉、超高壓水（shuǐ）霧化製（zhì）粉（fěn）、惰性氣體緊耦合霧（wù）化製粉技術（shù）。下麵著重介紹前兩種霧化技（jì）術。

 

2.3.1真空霧化（huà）製粉 

 

真空霧化製粉是（shì）指在真空條件下熔煉金屬或金屬合金，在氣體保護的條件下，高（gāo）壓氣流將金屬（shǔ）液體霧化破碎成大量細小（xiǎo）的液滴，液滴在飛（fēi）行中凝（níng）固（gù）成球形或（huò）是亞球形顆粒。真空霧（wù）化（huà）製粉可以製備大多數不能采用在空（kōng）氣中和水霧化方法製造的（de）金屬及其合金粉末，可得到球形或亞球形粉末。由於凝固快克服（fú）了偏析現象，可以製取許多特殊合金粉末。采用合適的工藝，可以使粉末粒度達到一個要求的範圍。 

 

 

2.3.2超高壓（yā）霧化法

 

超高壓霧化法是采用超高壓霧化噴嘴（zuǐ）製備金屬（shǔ） 粉末的一種（zhǒng）方法。圖5（a）為高（gāo）壓霧化噴嘴，圖5（b）為超高壓霧化噴嘴。超高壓霧化噴（pēn）嘴的特點是可以在較低的氣壓下產（chǎn）生更高的超音速氣流和均勻的（de）氣體（tǐ）速度場，從而更加有效抑製有害激波的產生，明（míng）顯（xiǎn）增加氣體（tǐ）的動能（néng），使霧化效率更（gèng）高。該噴嘴在較低的氣壓（yā）下產生與高壓霧化噴嘴相同的霧化效果，而且氣（qì）流速度更加穩定和均勻。同時，製得的粉末粒（lì）徑小（xiǎo）、分（fèn）布窄。 

 

我國3D打印金（jīn）屬粉末現狀

 

近年（nián）來，我國積（jī）極探索3D打印金屬粉末製備技術，初步取得成效。自（zì）20世紀90年代初以來（lái），清華大學、西（xī）安交通大學、華（huá）中科技大（dà）學、華南理工大學、北京航空航天（tiān）大學、西北工業大（dà）學（xué）等高（gāo）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（chù）於世界先進水（shuǐ）平。

 

同時，除了高校，中（zhōng）國出現了一批金屬（shǔ）3D打印粉末材料的生產企業（yè），例如北京中航邁特、無錫飛（fēi）爾康、西安賽隆、廣州納聯、河南黃河旋風等，影響（xiǎng）著中國的金屬3D打印事業。

 

同時，在（zài）常規的金（jīn）屬粉末霧化噴嘴中（zhōng），金屬粉末的形成是靠（kào）氣流對金屬液流的（de）擾動和衝擊使其破碎成粉末，由於氣流的擾動具有統計特征，粉末的粒度分布較寬，同時在所有的霧化技術中，不管噴嘴（zuǐ）的結構如何，氣（qì）流在作用於液流前（qián）的飛行中不斷膨脹，速（sù）度減小，導（dǎo）致霧化氣體能量損失較大，影響了霧化效率。因此，這為3D打印（yìn）技（jì）術帶來挑戰的（de）同時，也帶來了商機。3D打（dǎ）印技術作為“增材製造”的主要實現形式，節約成本、減少（shǎo）燃料消耗，必將成為最（zuì）具潛力發展的產業。

 

根據獨立市場（chǎng）研究公司MarketsandMarkets在2015年年底（dǐ）發表的報告,全（quán）球金屬粉末供應的5大公司分別（bié）是Sandvik，Carpenter，GKN，Arcam，LPW Technology。3D打印（yìn）粉末市場預計在未來幾年會顯著增長，其中，金屬粉末被（bèi）報道是（shì）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的公司之一，並且肯定（dìng）是美國的領先公司。根據報告（gào），北美是目前（qián）市（shì）場上最主要的地區，預計在未來幾年將繼續保持領先地位。