金屬3D打（dǎ）印機火了之後，金屬3D打印粉末材料也跟著開始火（huǒ）了，市（shì）場研究公（gōng）司IDTechEx公布2016年3D打印金屬粉末市場達到了2.5億美金，高於（yú）預（yù）測。而3D打印金屬粉末市場將保持高增長的態勢，IDTechEx預測到2025年達到50億（yì）美（měi）金的市場規模，年複合增長率39.5%。

 

      下麵為大家主要介（jiè）紹一下目前（qián）國內外3D打印金屬粉末的製備（bèi）工藝——氣霧化技術的最（zuì）新（xīn）進展（zhǎn）。

 

  　金屬3D打印技術是（shì）一種（zhǒng）新型的打印技術，其突出優點在於無需（xū）機（jī）械加工或任何模具，就能直接（jiē）從計算機圖形數據中生成任何形狀（zhuàng）的零件，從而極大地縮短（duǎn）產品的研製周（zhōu）期，提高效率降低生產（chǎn）成（chéng）本。3D打印（yìn）金屬粉末作為金屬零件3D打印最重（chóng）要的原材料，其製備方法備受人們關注。

   　在“2013年世界3D打印技術產業大會（huì）”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。包（bāo）括單一（yī）金屬粉（fěn）末、合金粉末以及具有金屬（shǔ）性質的某些難熔（róng）化合物粉末。目前，3D打印金屬粉（fěn）末材料包括鈷鉻合金、不（bú）鏽鋼、工業（yè）鋼、青銅合金（jīn）、鈦合金和鎳（niè）鋁（lǚ）合金等。但是3D打印金屬粉末除（chú）需具備（bèi）良好的可塑性外（wài），還必須滿足粉（fěn）末粒徑細小、粒度分布（bù）較窄、球形度高、流動性好和鬆裝密度高等要求。 

   　為了進一步證明（míng）3D打（dǎ）印（yìn）金屬粉末對產品的影響，采用選擇性激光燒結法（SLS法）打印兩種不同的不鏽鋼粉末（mò），發現製備出的產品存在明顯差異（yì）。德國（guó）某廠家的不鏽鋼粉末（mò）打印樣（yàng）品表麵光澤、收縮率小、不易變形、力學性（xìng）能穩定（dìng）。而國內某（mǒu）廠家的不鏽鋼粉末的打（dǎ）印樣品則遠遠不及（jí）前者。以下為對兩種不同的（de）不鏽鋼粉末進行的微觀形貌分析。

、

 

　　為德國某廠家不鏽鋼粉末的微觀結構，從圖中我們可以看（kàn）出，粉末顆粒球形度好，顆粒尺寸分（fèn）布（bù）在11.2~63.6μm範圍內。圖2為國內某廠家的不鏽鋼粉（fěn）末的（de）微（wēi）觀結構，可以（yǐ）看出（chū），其顆粒為不規則塊狀，尺寸較（jiào）小。 通過上述研究表明，3D打印耗（hào）材金屬粉末需（xū）滿足粒徑（jìng）細小、粒度分布窄、球形度高、流動性好和鬆（sōng）裝密（mì）度高。因此，為了得到（dào）所需優異性能的3D打印產品，必（bì）須（xū）尋求（qiú）一種高效的金屬粉末（mò）製備方法。

 

　　目前，粉末製（zhì）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）、霧化法等。

　　其中（zhōng），以還原法、電解法和霧化（huà）法生產的粉（fěn）末作（zuò）為原料應（yīng）用（yòng）到粉末冶（yě）金（jīn）工業的較為普遍。但電解法和還原法（fǎ）僅限（xiàn）於（yú）單質金屬粉末的生產，而對於合金粉末這些（xiē）方法均不適用。霧化法可以進行合金粉末的生產，同時現代霧化工藝對（duì）粉末的形狀也能夠（gòu）做出（chū）控製，不斷發展的霧化腔（qiāng）結構大幅提高了霧化效（xiào）率，這使得霧（wù）化法逐（zhú）漸發展成為主要（yào）的粉末生產方法。 霧化法（fǎ）是指通過機械（xiè）的方法使金屬熔液粉碎成（chéng）尺（chǐ）寸小於150μm左右的顆（kē）粒的方法。

 

      按照粉碎金屬（shǔ）熔液的方式可以分為霧化法包括二流霧化法（fǎ）、離心霧化、超聲霧化、真空霧化等。這些霧（wù）化方（fāng）法具有各自特點，且都已成功應用於工業生產。其中水氣霧化（huà）法具有生產設備及（jí）工藝簡（jiǎn）單（dān）、能耗低、批（pī）量大等優點，己成為金屬粉末的主要工業化生產方（fāng）法。

       水霧化法

　   在霧化製粉（fěn）生產中，水霧（wù）化（huà）法是廉價的生（shēng）產（chǎn）方法之一。因為霧化介質水不但成本低（dī）廉容易獲取，而且在霧化效率方而表現出（chū）色。目前（qián），國內水霧化法主要用來生產鋼鐵粉末、金（jīn）剛石工具（jù）用胎體粉末、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。然而由（yóu）於水的比熱容遠大於氣（qì）體，所以在（zài）霧化過程中（zhōng），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（xiē）具有高（gāo）活性的金屬或者合金，與水接觸會發生反（fǎn）應，同時由於（yú）霧化過程中與水的接（jiē）觸，會提高粉末的（de）氧含量。這些問題限製了水（shuǐ）霧化法在製備球形度高、氧（yǎng）含量低的金屬粉末的應用。但是，金川集團股份有限公司發明了一種水霧化製備（bèi）球（qiú）形金屬粉末的方法，其采用在水霧化噴嘴下方處再設置一個二次冷水霧化（huà）噴嘴，進行二次霧化。該（gāi）發明（míng）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（cì）水（shuǐ）霧化更細。

　　氣霧化法

　　氣霧化（huà）法是生產金（jīn）屬及合金（jīn）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（yè）態金（jīn）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（kě）控、生產成本低以及球（qiú）形度高等（děng）優點，已成為高性能及特種合金粉末製備技術的主要（yào）發展方向（xiàng）。但是，氣霧化法也存在不足（zú），高壓氣流的能量遠小於高（gāo）壓水流（liú）的能量，所以氣霧化對金屬熔體（tǐ）的破碎效率低於（yú）水霧化，這使得氣霧化（huà）粉末的（de）霧化效率較低（dī），從而增加了霧化粉末的製（zhì）備成本。

 

      目前，具有代表性的幾種氣霧化製粉技術氣霧化如下（xià）：

　  層流（liú）霧（wù）化技術

 

　　層流霧化技術（shù）是由德國Nanoval公司提出，該技術對常規噴嘴（zuǐ）進行了重大改進。改進後（hòu）的霧化噴嘴霧（wù）化（huà）效率高，粉末粒度分布窄，冷卻速度達106～107K/s。在2.0MPa的霧化（huà）壓力下，以Ar或N2為介質霧化銅、鋁（lǚ）、316L不鏽鋼等，粉末平（píng）均粒（lì）度達到10μm。該工藝的另（lìng）一（yī）個優點是氣體消耗量低，經濟（jì）效益顯著，並且適用於大多數金屬粉末的生產。缺點是技術控製難（nán）度大，霧化過程不穩定，產量小（金屬質量流率小於1kg/min），不利於（yú）工業化生（shēng）產。

  　 超聲緊耦合霧化技術

   　超聲緊耦合霧化技（jì）術（shù）是由（yóu）英國PSI公（gōng）司提出。該技術對緊耦合環縫式噴嘴進行結構優化，使氣流的出口速度超過聲速，並且（qiě）增加金屬的質量流率。在霧化高表麵能的金屬如不鏽鋼時，粉末平均粒（lì）度可達20μm左右，粉末的標準偏差（chà）最低可以降至1.5μm。

 

 

       該技術（shù）的另一大優點是大大提高了粉末的冷卻速（sù）度，可以生產快（kuài）冷或（huò）非晶結的粉末。從當前的發展來看（kàn），該項技術設備（bèi）代表了緊耦合霧化技術的（de）新的發展方向，且具有工（gōng）業實用意義，可以廣（guǎng）泛應（yīng）用於微細（xì）不鏽鋼、鐵合（hé）金、鎳合金、銅合金（jīn）、磁性材料、儲氫材料等合金粉末的生產。

  　 熱氣（qì）體霧（wù）化法

   　近年（nián）來，英國的PSI公司和美（měi）國的HJF公司分別對熱氣（qì）體（tǐ）霧化的作用及機（jī）理進行了大量的（de）研究。 HJF公司在1.72MPa壓力下，將（jiāng）氣體加熱至（zhì）200～400℃ 霧化銀合金和金合金，得出粉末的平均粒徑和標準偏（piān）差均隨溫度升高而降低。與傳統的霧化技術（shù）相比，熱氣體霧（wù）化技術可以提高霧化效率，降低氣體（tǐ）消耗量，易於在傳統的（de）霧化設備上（shàng）實現該工藝，是一項具有（yǒu）應用前景的技術。但是，熱氣體霧化技術受到氣體加熱係統和噴嘴（zuǐ）的限製，僅有少數幾家研究機構進行研究（jiū）。

       國內3D打印金屬粉末的霧化工藝

   　目前，我國河南（nán）黃河旋風股份有限公司已經開始進（jìn）入3D打印金屬粉末研發（fā）。其所用的粉末製備工藝如真空霧化製粉、超高壓水霧化（huà）製粉（fěn）、惰性氣體（tǐ）緊耦合霧化製粉技術。下麵著重介紹前兩種霧化技術。

      真空霧（wù）化製粉（fěn）

  　真空霧化製粉是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，高壓氣流將金屬液（yè）體霧化破碎成大量細小的液滴，液滴在飛行（háng）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（néng）采用在空氣中（zhōng）和水（shuǐ）霧（wù）化方法製造的金屬及其合金粉末，可（kě）得到球（qiú）形或亞球形粉（fěn）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（mò）。采用（yòng）合適的工藝，可以使粉末粒度達到一個要求的範圍。