日（rì）前，市場研究公司IDTechEx公布2016年3D打印金屬粉末市場達到了2.5億美金，高於預測。而3D打印金屬粉（fěn）末市（shì）場（chǎng）將保持高增長的（de）態勢，IDTechEx預（yù）測到2025年達（dá）到50億（yì）美金的市（shì）場規模，年複合增長率39.5%。接下來就為大家主要介紹（shào）一下，目前（qián）國內外（wài）3D打印金屬粉末的製備工（gōng）藝——氣霧化技術的最新進展，並對3D打印金屬粉末製備技術（shù）的現狀進行（háng）分析，提出一些意見。

 

3D打印技術是一種新型的打印技術，其突出優點在於無需機械加工或任何模具（jù），就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的（de）零件，從而極大地縮短產品的研製周期，提高生（shēng）產率和降低生（shēng）產成本。3D打印金屬粉末作為金屬零件3D打印最重要的原材料（liào），其製備方法備受人們關注 ，3D打印（yìn）金屬粉末作為金（jīn）屬（shǔ）零件3D打印（yìn）產業鏈 最重要的一（yī）環，也是最（zuì）大（dà）的價值所在。

　　

在“2013年世界3D打印技（jì）術產業大會”上，世界3D打印行業的（de）權威專家對3D打印金屬粉末給予明（míng）確定義，即指尺寸小於1mm的金屬（shǔ）顆粒群。包括單一金屬粉末（mò）、合金（jīn）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（fěn）末材料（liào）包括鈷鉻合金、不鏽（xiù）鋼、工業鋼、青銅合金（jīn）、鈦合金（jīn）和鎳（niè）鋁合金等。但是3D打印金屬粉末除需具備良好的可（kě）塑性外，還必須滿足粉末粒徑細小、粒度分布較窄（zhǎi）、球形度高、流動性好和（hé）鬆裝密度高等要求。 為了進一步證（zhèng）明3D打印金屬粉末對產品的（de）影響。

 

 

采用選擇性激光燒結（jié）法(SLS法)打印兩種不同（tóng）的不鏽鋼（gāng）粉末，發現製備出的產品存在明顯（xiǎn）差異。德國某廠家的不鏽鋼粉末打印樣品表麵光澤、收縮率（lǜ）小、不易變形、力學性能穩定（dìng）。而國內（nèi）某（mǒu）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（háng）的微觀形貌分析。

德國某廠家不鏽鋼粉末的微觀結構，從圖中我們可以（yǐ）看出，粉末顆粒球形度好，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（de）微（wēi）觀結構，可以看出，其（qí）顆粒為不規則塊狀，尺寸較小（xiǎo）。 通過上述（shù）研究表明，3D打印耗材金（jīn）屬粉末需（xū）滿足（zú）粒徑細小、粒度分布窄、球形度高、流動性好和鬆裝密度高。因此，為了得（dé）到所需優異性能的3D打印產品，必須尋求一種高效的金屬粉末製備方法。

 

 

金屬粉末的製備（bèi）工藝

　　

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（fǎ）、羰基分解法、研磨（mó）法、霧化法等。

　　

其中，以還原法、電解法和霧化（huà）法生產的粉末作為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（jǐn）限於單質（zhì）金屬粉末的生產，而對於合金粉末這些方法均不適用。霧（wù）化法可以進行（háng）合金粉末的生產，同（tóng）時現代霧化工藝對粉末的形狀也能夠做出控製（zhì），不斷發展的霧化腔結構大幅（fú）提高了霧化效率，這使得霧化法逐（zhú）漸發展成為主要（yào）的粉末生（shēng）產方法。霧化法滿足3D打印耗（hào）材金屬粉（fěn）末的特殊要求。 霧化法是指（zhǐ）通過機械的方法使金屬熔（róng）液粉碎成尺寸（cùn）小於（yú）150μm左右的顆（kē）粒的方法。

　　

按照粉碎金屬熔液的方（fāng）式可以分為霧（wù）化法包括（kuò）二流霧化法、離心霧化、超（chāo）聲霧化、真空霧化等。這些霧化方法具有各（gè）自特點（diǎn），且都已成功應用於工業生產。其中水氣霧化法具有生產（chǎn）設備及工藝簡單、能耗低、批量大等優（yōu）點，己成為金屬粉末的主要工業化生產方法。

　　

1、水霧化（huà）法

　　

在霧化製（zhì）粉生產中，水霧化法是廉價的生產方法之一。因為霧化介質水不但成本低廉（lián）容易獲取，而（ér）且在霧化效率方而表現出色（sè）。目前，國內水霧化法主 要用來生產鋼鐵粉末、金剛石（shí）工（gōng）具用胎體粉末（mò）、含油軸承用預合金粉末（mò）、硬麵技術用粉末以及鐵基、鎳基磁性粉末等。然而由於水的比（bǐ）熱容遠大於氣體，所以在霧化過程中，被破碎的（de）金屬熔滴由於凝固過快而變成不規則狀，使粉末的（de）球形度受到影響。

　　

另外一（yī）些具有（yǒu）高活性的（de）金屬或者合金，與水接觸會發生（shēng）反應，同時由於霧化過程（chéng）中與水的接觸，會提高粉末的氧含（hán）量。這些（xiē）問題（tí）限（xiàn）製了水霧化法在（zài）製備球形度高、氧含量低的金屬粉末（mò）的應用。但（dàn）是，金川集團股份有限公司發（fā）明（míng）了一種水霧化製備球形金屬粉末的方法，其（qí）采用在水霧（wù）化噴嘴下方處再設置一個二次冷水霧化噴嘴，進行二次霧（wù）化（huà）。該發明得到的粉末不僅球形度（dù）接近氣霧化（huà）效果，而且（qiě）粉（fěn）末粒度比一次水霧化（huà）更細。

2、氣霧化法

　　

氣霧化（huà）法是生產金屬及合（hé）金粉（fěn）末的主要方法（fǎ）之 一。氣霧化的基本原理（lǐ）是用高（gāo）速（sù）氣流將液態金屬流破碎（suì）成小液滴並凝固成粉（fěn）末的過程。由於其（qí）製備的粉末具有純度高、氧含量低、粉末粒度可控、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（mò）製（zhì）備技術的主要發（fā）展（zhǎn）方向。但是，氣霧化法也存在不足，高壓氣流的能量遠小於高壓水流的能（néng）量，所以氣（qì）霧化（huà）對金屬熔體的破碎（suì）效率低於水霧化，這使得氣霧化粉末的霧化效率較低，從而增加了霧（wù）化粉（fěn）末的製備成本。

　　

目前，具有代表性的（de）幾種氣霧化製粉（fěn）技術氣霧化如下：

　　

2.1、層流霧（wù）化技術

　　

層流霧化技（jì）術是由德國Nanoval公司等提出，該技術（shù）對常規噴嘴進行了重大改進。圖3為層流霧化噴嘴結構圖。改進後的霧化噴嘴霧化（huà）效率高，粉末（mò）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（zhì）霧化銅、鋁、316L不鏽（xiù）鋼等，粉末平均粒度達到10μm。該工藝的另一個優點是氣體消耗（hào）量低，經濟效益顯著，並（bìng）且適用於大多數金屬粉末的生（shēng）產。缺點是技術控製難度大，霧（wù）化過程不穩（wěn）定，產量小(金屬質（zhì）量（liàng）流率小於1kg/min)，不利於工業化生產。Nanoval公司正致力（lì）於這些問題的解決。

　　

2.2、超聲緊耦合霧化技術

　　

超聲（shēng）緊（jǐn）耦合霧化（huà）技術是由英國PSI公司提出。該技（jì）術對緊耦合環縫式（shì）噴嘴進行結構優化（huà），使氣流的出口速度超過聲速，並且增（zēng）加金屬的（de）質量流率。圖 4為典型的緊藕（ǒu）合霧化噴嘴結構圖-Unal霧（wù）化（huà）噴嘴。在霧（wù）化高表麵能的金屬如不鏽鋼時，粉末平均粒度可達20μm左右，粉末的標準偏差最低可以降至1.5μm。

該（gāi）技（jì）術的（de）另一大優點是大大提高了（le）粉末的冷卻速度，可以生（shēng）產快冷或非晶結的（de）粉末。從當前的（de）發（fā）展來（lái）看，該項（xiàng）技術設備代表了緊耦合霧（wù）化技術的新的發展方向，且（qiě）具有工業實用意義，可以（yǐ）廣泛應用於微細（xì）不鏽鋼、鐵合金、鎳合金、銅合金、磁性材料、儲氫材料等合金粉末的生產。

　　

2.3、熱氣體霧化法

　　

近（jìn）年來（lái），英國的PSI公司和美國的HJF公司分別對熱氣體霧化的作用及機理進行了大量的研究（jiū）。 HJF公司在1.72MPa壓力下，將氣（qì）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（zhǔn）偏差均隨溫度升高而降低。與傳統的霧化技術（shù）相比，熱氣體霧化技術可以提高霧化效（xiào）率，降低氣體消耗量，易於在傳（chuán）統的霧化設備上實現該工藝，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（jiā）熱係統和噴嘴的限製，僅有少數幾家研（yán）究機構進行研究。

　　

3、國內3D打印金屬粉末的霧化工藝

　　

目（mù）前，我國河南黃河旋風股份有限公司已經開始進（jìn）入3D打（dǎ）印金屬粉末（mò）研發。其所用的粉末製（zhì）備工藝如（rú）真空霧化製粉、超高壓水霧化製粉、惰性氣體緊耦合霧化製粉技術。下（xià）麵著重介紹前兩種霧化技術。

　　

3.1、真空霧化（huà）製粉（fěn）

　　

真（zhēn）空霧化製粉（fěn）是指在真空條件下熔煉金屬或（huò）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，液滴在飛行中凝固成球形或是亞球形顆粒。真空霧化製粉可（kě）以製備大多（duō）數不能（néng）采用在空氣中（zhōng）和（hé）水霧化方法製造的金屬及其合金粉末，可得（dé）到（dào）球形或亞球形粉末。由於凝固快克（kè）服了偏析現象，可（kě）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（wéi）。

3.2、超高壓霧化（huà）法

　　

超高（gāo）壓霧化法（fǎ）是采用超高壓霧化噴嘴製備金屬 粉末的一種方法。圖5(a)為高壓霧化噴嘴，圖5(b)為超高壓霧化噴嘴。超高壓霧化（huà）噴嘴的特點是可以在較低的氣壓下產生更高的超音（yīn）速氣流和均勻的氣體速度場，從而更加有效抑製有害激波的產生，明顯增加氣體的動能，使霧化效率（lǜ）更高。該噴嘴在較低的氣壓下產生與高壓霧（wù）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，製得的粉末粒（lì）徑小、分布窄。

　　

我國3D打印（yìn）金屬粉末現狀

　　

近（jìn）年來，我國積極探（tàn）索3D打（dǎ）印金屬粉末製備技術，初步取得成效。自20世紀90年代初以來，清華大學、西安交通大學、華中科技大學、華南理工（gōng）大學、北京航空航天大（dà）學、西北工業大學等高（gāo）校，在3D打（dǎ）印材（cái）料（liào）技術方麵，開展了積極的探索，已有部分技術處於世界先進水平。黃河旋風股份有限公司已經開始進（jìn）入（rù）3D打（dǎ）印金屬（shǔ）粉末研發。擁有多套國內領先水平的霧化製粉設備，工（gōng）藝涵蓋真空霧（wù）化製粉、超（chāo）高壓水霧化製粉、惰性氣體緊耦合霧化製粉技術，將為中國的3D打印事業貢獻一份力（lì）量。

　　

但是，目（mù）前，我國3D打（dǎ）印金屬粉末仍存在如下4個問題：

缺乏宏（hóng）觀規劃和引導、

對技術研發投入不足、

產業鏈缺乏統籌發展、

缺乏教育培訓和社會（huì）推廣。

　　

同時，在常規（guī）的金屬粉末霧化噴嘴中，金屬粉末的形成是靠氣流對金屬液流的擾動和衝擊使其破碎成粉（fěn）末，由於氣流的擾（rǎo）動具有統計特征，粉末的（de）粒度分布（bù）較寬，同時在所有的霧化技術中（zhōng），不管噴嘴的結構如何，氣流在作用於（yú）液流前的飛行中不斷膨脹，速（sù）度減小，導致霧化氣體能量損失（shī）較大，影響（xiǎng）了霧化（huà）效率。因此，這為3D打印（yìn）技術帶（dài）來挑戰的同時，也帶來了商（shāng）機。3D打印技術作為“增材製造”的主要實現形式，節（jiē）約成本、減少燃料消耗，必將成為最具潛（qián）力發（fā）展的產業。

　　

根（gēn）據獨立市場研究公司（sī）MarketsandMarkets在2015年年底發（fā）表的報（bào）告,全球金屬粉末供應的5大公司分別是Sandvik，Carpenter，GKN，Arcam，LPW Technology。3D打印粉末市場預計在未（wèi）來幾年會顯著增（zēng）長，其中，金屬粉末被報（bào）道是目前3D打印粉末中（zhōng）最主要的。Carpenter目（mù）前作為全球3D打印粉末市場中最強大的公（gōng）司之一（yī），並且肯定是（shì）美國的領（lǐng）先公司。根據（jù）報告，北美是目前市（shì）場上最主要的地（dì）區，預（yù）計在未來幾年將繼續保持（chí）領先地位。