在當(dāng)前3D打印產(chǎn)業(yè)當(dāng)中，金屬3D打印占據(jù)了相當(dāng)大一部分比例，而且隨著金屬3D打印技術(shù)的日益成熟和成本大幅下降，其應(yīng)用范圍、深度和規(guī)模都在不斷突破。比如在航空航天領(lǐng)域，金屬3D打印已經(jīng)從制造測試樣件進(jìn)入到批量生產(chǎn)的階段；在齒科領(lǐng)域，3D打印金屬牙冠也成為牙齒技工所的常規(guī)手段；在骨科領(lǐng)域，3D打印金屬植入體開始規(guī)模化使用；在模具、散熱器等領(lǐng)域正在替代傳統(tǒng)工藝；在汽車領(lǐng)域還有巨大的應(yīng)用潛力等待挖掘。

       作為金屬3D打印最常用的原材料之一，金屬球形粉末發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。由于3D打印在制造工藝上的特殊性，其所需的金屬粉末也有區(qū)別于傳統(tǒng)的粉末冶金方法，目前打印用粉末多是以球形度高、流動(dòng)性好、純度高的細(xì)粉為主。因此，像傳統(tǒng)的還原法、電解法等方法生產(chǎn)出的不規(guī)則粉末難以在金屬3D打印中得到實(shí)際應(yīng)用。近年來，隨著金屬產(chǎn)品在裝備制造領(lǐng)域應(yīng)用的普及，金屬3D打印的應(yīng)用市場也不斷擴(kuò)大。為實(shí)現(xiàn)金屬3D打印產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模發(fā)展，對(duì)原材料金屬粉末的產(chǎn)量、成本等要求也需要不斷提高。

金屬3D打印粉末的制備工藝

從工藝方面劃分，當(dāng)前全球主流的3D打印金屬粉末制備方法包括：氣霧化法（GA）、等離子旋轉(zhuǎn)電極法（PREP）、等離子霧化法（PA），以及等離子球化法（PS）等。

1）氣霧化法

氣霧化法是利用惰性氣體在高速狀態(tài)下對(duì)液態(tài)金屬進(jìn)行噴射，使其霧化、冷凝后形成球形粉。根據(jù)熱源的不同又可以將氣霧化法細(xì)分為電極感應(yīng)熔煉氣霧化(EIGA)和等離子惰性氣體霧化(PIGA)兩種工藝，采用惰性氣體既能防止產(chǎn)物氧化，又能避免環(huán)境污染。在EIGA工藝中，為電極形式的預(yù)合金棒將在不使用熔煉坩堝的情況下進(jìn)行感應(yīng)熔煉和霧化，其工藝原理圖如下圖所示。采用氣霧化法所得粉末粒度分布廣，大部分為細(xì)粉，雜質(zhì)易于控制，但粉末由于粒徑不同而冷卻速度不同，導(dǎo)致顆粒內(nèi)部易產(chǎn)生氣泡，形成空心結(jié)構(gòu)，粉末形狀不均勻，出現(xiàn)行星球等，對(duì)粉末后期應(yīng)用造成不利影響。

電極感應(yīng)熔煉氣霧化(EIGA)原理及其生產(chǎn)的金屬粉末

2）等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法(PREP)

等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法(PREP)是生產(chǎn)高純球形鈦粉較常用的離心霧化技術(shù)，其基本原理是自耗電極端面被等離子體電弧熔化為液膜，并在旋轉(zhuǎn)離心力作用下高速甩出形成液滴，然后液滴在表面張力的用下球化并冷凝成球形粉末。PREP因采用自耗電極，制備出的粉末純凈度較高，且該技術(shù)不使用高速惰性氣體霧化金屬液流，避免了“傘效應(yīng)”引起的空心粉和衛(wèi)星粉顆粒的形成。因此，相對(duì)于氣霧化而言，PREP 制備的粉末中空心粉和衛(wèi)星粉更少。PREP 制備的粉末球形度可達(dá)99.5%以上，但是粉末粒徑分布較窄，主要介于50～150μm，存在著粉末尺寸偏大的問題并且細(xì)粉收得率很低。目前俄羅斯最先進(jìn)的PREP技術(shù)也只能收得約15%的細(xì)粉(～45μm)，難以服務(wù)于微細(xì)球形鈦粉市場。

3）等離子絲材霧化法（PA）

等離子絲材霧化法（PA）是加拿大AP&C公司特有的金屬粉末制備技術(shù)，PA工藝是以純度高的金屬或合金絲為原料，以等離子槍為加熱源，原料絲材被等離子體瞬間熔化的同時(shí)被高溫氣體霧化，形成的微小液滴在表面張力的作用下球化并在下落過程中冷卻固化為球形顆粒的一種工藝。以合金絲為原料制備各種材質(zhì)球形粉末的工藝，可實(shí)現(xiàn)高水平的可追溯性和較好的顆粒大小控制。該工藝生產(chǎn)出的粉末粒徑分布范圍窄，平均粒徑約為40μm，細(xì)粉收得率高（80%），幾乎沒有衛(wèi)星球；粉末純度高（低氧，無夾雜），球形度高，伴生顆粒非常少。具有出色的流動(dòng)性和表觀密度、振實(shí)密度。主要服務(wù)對(duì)象為生物醫(yī)療和航空航天工業(yè)，產(chǎn)品暢銷20余個(gè)國家。

近年來，國外關(guān)于PA技術(shù)的研究取得了不少進(jìn)展，現(xiàn)有技術(shù)已能夠在單位時(shí)間內(nèi)所消耗氣體與原料的質(zhì)量比小于20的條件下，制備大量(至少80%)粒徑分布為0～106μm的金屬粉末。加拿大AP＆C公司是PA技術(shù)的專利持有者，加拿大Pyro Genesis公司也擁有相關(guān)類似專利，但均不對(duì)外出售等離子霧化設(shè)備。由于國外公司專利保護(hù)及技術(shù)封鎖，一直以來國內(nèi)關(guān)于PA技術(shù)的研究進(jìn)展緩慢。

4）射頻等離子球化工藝

射頻等離子體球化法是利用射頻電磁場作用對(duì)各種氣體（多為惰性氣體）進(jìn)行感應(yīng)加熱，產(chǎn)生射頻等離子。例用等離子區(qū)的極高溫度熔化非球狀粉末。隨后粉末經(jīng)過一個(gè)極大的溫度梯度，迅速冷凝成球狀小液滴，從而獲得球形粉末。

射頻等離子球化技術(shù)（PS）

目前國外在這方面研究較多的公司有代表性的包括：英國LPW技術(shù)公司和加拿大的泰克納公司。其中，泰克納 (TEKNA) 公司所開發(fā)的射頻等離子體粉體處理系統(tǒng)，在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位，可以實(shí)現(xiàn)Ti、Ti-6Al-4V、W、Mo、Ta、Ni等金屬及其合金粉末的生產(chǎn)。

國內(nèi)北京科技大學(xué)在射頻等離子球化方面也進(jìn)行了大量的研究，以不規(guī)則形狀的大顆粒TiH2粉末為原料，經(jīng)過射頻等離子高溫區(qū)后TiH2粉末脫氫分解、爆碎，即發(fā)生“氫爆”。爆開的金屬液滴下落過程中，在表面張力的作用下縮聚成規(guī)則的球狀，得到微細(xì)球形粉末。所收得的粉末粒度范圍可以達(dá)到20~50μm，細(xì)粉收得率更是高達(dá)80%以上，各項(xiàng)性能參數(shù)均不遜于國際一流隊(duì)列的粉末，圖6是氫化鈦粉末經(jīng)射頻等離子球化前后粉末形貌圖。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還將該方法創(chuàng)新性地應(yīng)用到了鎢、高溫合金、釹鐵硼等金屬粉末的球化處理當(dāng)中，均取得了顯著的成果。

△射頻等離子體制備球形鈦粉示意圖

“中國制造2025”需要國產(chǎn)金屬粉末的崛起

國內(nèi)金屬3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迅猛，市場規(guī)模日益擴(kuò)大，但與歐美等金屬3D打印起步較早的一些發(fā)達(dá)國家相比，我國的金屬3D打印在材料、裝備及工藝方面的投入研究依然存在較大差距。根據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鈦鋯分會(huì)的統(tǒng)計(jì)，近三年鈦粉的出口總量高于進(jìn)口總量，而出口所獲利潤則遠(yuǎn)低于進(jìn)口成本。事實(shí)上，國內(nèi)高性能金屬粉末仍面臨著供不應(yīng)求的局面，像3D打印、注射成型等需求旺盛的下游行業(yè)卻也只能“等米下鍋”。

高端金屬粉末的生產(chǎn)工藝特殊，世界上僅有如美、德、加拿大等少數(shù)幾個(gè)國家具有原創(chuàng)和較深的技術(shù)積累，且高性能球形粉生產(chǎn)設(shè)備對(duì)外禁售，壟斷技術(shù)，進(jìn)口粉末價(jià)格高達(dá)3000元/公斤。國內(nèi)參與金屬3D打印粉末制備的企業(yè)數(shù)量雖多，但是多數(shù)企業(yè)不注重產(chǎn)品技術(shù)準(zhǔn)入門檻，導(dǎo)致技術(shù)含量低，在激烈的市場競爭中大打“價(jià)格戰(zhàn)”。雖然這使得金屬粉末的價(jià)格有了一定的下降，但從另一方面來講，中、低等品質(zhì)鈦粉市場趨于飽和，不能滿足高端客戶需求，特別是航空級(jí)、醫(yī)用級(jí)別的高質(zhì)量鈦粉仍需大量進(jìn)口。這造成我國金屬、礦產(chǎn)和人力資源的極大浪費(fèi)，也制約了我國增材制造產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

針對(duì)3D打印對(duì)金屬粉末性能要求的嚴(yán)格性，目前國內(nèi)具備一定的生產(chǎn)能力，氣霧化法及旋轉(zhuǎn)電極法可以實(shí)現(xiàn)一定規(guī)?；a(chǎn)，球化法還處于實(shí)驗(yàn)室階段，存在工藝穩(wěn)定性問題,實(shí)現(xiàn)規(guī)模化還有一定的距離。為解決高端3D打印用金屬基粉末依賴進(jìn)口的痛點(diǎn)，我國應(yīng)加大技術(shù)投入，借鑒成熟的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，自主研發(fā)新技術(shù)新工藝，促進(jìn)3D打印用金屬粉末制備技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，也爭取在增材制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定領(lǐng)域保持足夠的話語權(quán)。

在金屬粉末領(lǐng)域尖端技術(shù)不突破，國產(chǎn)化替代不實(shí)現(xiàn)，不利于我國國際市場競爭力和綜合國力的提升。為促進(jìn)我國自主增材制造產(chǎn)業(yè)的建設(shè)發(fā)展，及早實(shí)現(xiàn)3D打印上下游產(chǎn)業(yè)鏈各部分的國產(chǎn)化替代，需要我們從原材料粉末制備到最終產(chǎn)品逐一補(bǔ)課。當(dāng)然，一花獨(dú)放不是春，百花齊放春滿園，我們也鼓勵(lì)越來越多的企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)投入到3D打印領(lǐng)域研究中來，加大對(duì)增材制造產(chǎn)業(yè)的投入和對(duì)專業(yè)3D打印技術(shù)人員的培養(yǎng)，為新材料事業(yè)的發(fā)展添磚加瓦，為早日實(shí)現(xiàn)“中國制造2025”助力增彩。

 以上文章內(nèi)容轉(zhuǎn)載于南極熊3D打印平臺(tái)。