導讀

 3D 打印（yìn）技術是製造業領域正在迅速發展的一項（xiàng）新興技術，被稱為“具有工業（yè）革命意義的製造技術”，已成為現代模型、模具和零部件製造的（de）有效手段，在航空航天、汽車摩托車、家電、生物醫學等（děng）領域得到了一定（dìng）應用， 在（zài）工程和教學研究等領域也占有獨特地位。3D 打印（3D printing）是以計（jì）算機3 維設計模型為藍本，通過軟件分層離散（sàn）和數控成型係統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將（jiāng）金屬粉體、陶瓷粉體、塑料、細胞組織、沙子等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，製造（zào）出實（shí）體產品。 

  

       3D 打印的原材料較為特殊，必須能夠液化、粉體化、絲化，在（zài）打印完成（chéng）後又能重新結合起來，並具有合（hé）格的物理（lǐ）化學性（xìng）質。金屬零件3D 打印技術作為整個（gè）3D 打印體係中（zhōng）最為前沿和最有潛（qián）力的技術，是先進製造技術的重要發（fā）展方向。目前，國內3D 打印耗（hào）材金屬（shǔ）粉（fěn）體製備難度大（dà）、產量小、產品性（xìng）能低，國（guó）外廠家壟斷市場，價格昂貴。因此，對3D 打印耗材金屬粉體製備方（fāng）法的研究尤為（wéi）重要。

1   3D 打印金屬粉體

       3D 打印金屬粉體作為金屬（shǔ）零件3D 打印產業鏈最重要（yào）的一環，也是最大的價值所在。在“2013 年（nián）世界3D 打印（yìn）技術產業大會”[3]上，世界3D 打（dǎ）印行（háng）業的權威（wēi）專（zhuān）家對3D 打印金屬粉體給予明確定義，即指尺寸小於1mm 的金屬顆粒群。包括單一金屬（shǔ）粉體、合（hé）金粉（fěn）體以及具有金屬性質的某（mǒu）些難熔化合物粉體。目前，3D 打（dǎ）印金屬粉體材料包括鈷（gǔ）鉻合金、不鏽鋼、工（gōng）業鋼、青銅合金、鈦合金和鎳鋁合（hé）金等。但是3D 打印金屬粉體除需具（jù）備良好的可塑（sù）性外，還必須滿足粉體粒徑細小（xiǎo）、粒（lì）度分布較窄、球（qiú）形度高、流動性好和鬆裝密（mì）度高等要求。

       為了進一步證明3D 打印金屬粉體對產品的影（yǐng）響。作者采用選擇性激光燒結法（SLS 法）打印兩種不同的不鏽鋼粉體，發現（xiàn）製備出的（de）產品存在明顯差異。德國某廠家的不鏽鋼粉（fěn）體打印樣品表麵光澤、收縮率小（xiǎo）、不易變形（xíng）、力（lì）學性能（néng）穩（wěn）定。而國內某（mǒu）廠家的不鏽（xiù）鋼粉體的打印樣品則遠遠不及前者。為此，對兩種不同的不（bú）鏽（xiù）鋼（gāng）粉體進行的微觀形貌分析。圖1 為德國某廠家不（bú）鏽鋼粉（fěn）體的微觀結構，從圖中可以看出，粉體顆粒球形度好，顆（kē）粒尺寸（cùn）分布在11.2~63.6μm 範圍內。圖2 為國內某廠家的不鏽鋼粉體的微觀結構，可以看出，其顆粒為不規則塊狀，尺寸較小。

 

       通過上述研究表明，3D 打印耗材金屬粉體需滿足粒徑細小、粒度分（fèn）布窄、球形度高、流（liú）動性（xìng）好和鬆裝密度高。因此，為了得到所需優異性能的3D 打印產品（pǐn），必須尋求一種高效的金屬粉體製備（bèi）方法。

2   金屬粉體的製備工藝

       目前，粉體製備方法按照製（zhì）備工藝主要可分為：還原法（fǎ）、電解法、羰基（jī）分解法、研磨法、霧化法等。其中，以還原法、電（diàn）解法和霧化（huà）法生產的粉體作為原料應用到粉體冶（yě）金工（gōng）業的較為（wéi）普遍。但電解法和還原法僅限於單質（zhì）金屬粉體的（de）生產（chǎn），而對於合（hé）金粉體這些（xiē）方法均不適用。霧化法可（kě）以進行合金粉體的生產，同時（shí）現代霧化工藝對粉體的形狀也能夠做（zuò）出控製，不斷發（fā）展的（de）霧化腔結構大幅（fú）提高了霧化效率，這使（shǐ）得霧化法逐漸發展成為（wéi）主要的粉體生產方法。霧化法滿（mǎn）足（zú）3D 打印耗材金屬粉體的特殊要求（qiú）。

       霧化法是指通過機械的方法（fǎ）使金屬熔（róng）液粉碎成（chéng）尺寸小於150μm 左右的顆粒的方法。按照粉碎金屬（shǔ）熔液（yè）的方式分類，霧化（huà）法包括二流霧化法、離心霧化、超聲霧化、真空霧化等。這（zhè）些霧化方法具有各自特點，且都（dōu）已成功應用於工業生產。其中水氣霧化法具有生產設備（bèi）及工（gōng）藝簡單、能耗低、批量（liàng）大等優點，己成為金屬粉體的主要工業化生產方法。

2.1 水（shuǐ）霧化法

       在霧化製粉生產中，水霧化法（fǎ）是廉價的生產方法之一。因為霧化介質（zhì）水不但成本低廉容易獲取，而且在霧化效率方而表現出色。目前，國內水（shuǐ）霧化法主（zhǔ）要用來生產鋼鐵粉體、金（jīn）剛石工具用胎體粉體、含油軸承用預合金粉體、硬麵技術用粉體以（yǐ）及（jí）鐵基、鎳基磁性（xìng）粉（fěn）體（tǐ）等。然而（ér）由（yóu）於水的比熱（rè）容遠大於氣體，所（suǒ）以在（zài）霧化過程中，被破碎的金屬熔滴由於凝固過快而變成不規（guī）則狀，使粉體的球形度受到影（yǐng）響。另外一些具有（yǒu）高活性的金屬或者合（hé）金，與水接觸會發生反應，同時由於霧（wù）化過程中與水的接觸，會提高粉體的氧含量。這些問（wèn）題限製了水霧化法在製備球形度高、氧含量低的金屬粉體的應用。

       但是，金川集團股份有限公司發明了（le）一種水霧化製備球形金屬粉體的方法，其（qí）采用在水霧化（huà）噴嘴下方處再設置一個二次冷水霧（wù）化噴嘴，進行二次霧化。該發明得到的粉體不僅（jǐn）球形度接近氣霧化效果，而且粉體粒度比一次水（shuǐ）霧化更細。

2.2 氣霧（wù）化法

       氣霧化法是生產金（jīn）屬及合金粉體的主（zhǔ）要方法之一。氣霧化的基本原理是用高速氣流將液態金屬流破碎成小液滴並凝固成粉體的過程。由於其製備的（de）粉體具有純度高、氧含量低、粉體粒（lì）度可（kě）控、生產成本低以及球形度高等優點，已（yǐ）成為高性能（néng）及特種合金粉體製（zhì）備技術（shù）的主要發展方向（xiàng）。但是，氣霧化法（fǎ）也存在不足，高壓（yā）氣流的能量遠小於高壓水流的能量，所以氣霧（wù）化對金屬熔體（tǐ）的破（pò）碎效率低於水霧（wù）化，這使得氣霧化（huà）粉體（tǐ）的霧化效率較低（dī），從而增加了霧化（huà）粉體的（de）製備成本。目前，具有代表性的幾種氣霧化製粉技術（shù）氣霧化如下。

2.2.1 層流（liú）霧化技術

       層（céng）流霧化技術是由德國Nanoval 公司等提出，該技術對常（cháng）規噴嘴進行了（le）重大改進。圖3 為（wéi）層流霧化噴嘴結構圖。改進後的霧化噴嘴霧化效率高，粉體粒度分布（bù）窄（zhǎi），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 不鏽鋼等，粉體平均粒度達到10μm。該工藝的另一個優點是氣體消耗量低，經濟效益（yì）顯著，並且（qiě）適用於大多數金屬粉體的生產。缺點是技術控製難度大，霧化過程（chéng）不穩定，產量小（金屬質量（liàng）流率小於1 kg/min），不利於工業（yè）化生產。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是由（yóu）英國PSI 公司提出。該技（jì）術對緊耦合（hé）環縫式噴嘴進行結構優化，使氣流的出口速度超過聲速（sù），並且增加（jiā）金屬（shǔ）的質量流率。圖4 為典型的緊藕合霧化噴嘴結構圖-Unal 霧（wù）化噴嘴（zuǐ）。在霧（wù）化高表麵能的金（jīn）屬如不（bú）鏽鋼時，粉體（tǐ）平均粒度（dù）可達20μm左右，粉體的標準偏差最低可（kě）以降（jiàng）至1.5μm。該技術的（de）另一大優點（diǎn）是大（dà）大提高了粉體的冷卻速度，可以生（shēng）產快冷或非晶結的粉體。從當前的發展來看，該項（xiàng）技術設備代表了緊耦合霧化技術的新（xīn）的發展方向，且具有工業（yè）實用意義，可以廣泛應用於微細不鏽鋼、鐵合金、鎳合（hé）金、銅（tóng）合金、磁性材料、儲氫材料等合金粉體的生產。

 

2.2.3 熱（rè）氣體霧化法（fǎ）

       近年來，英國的PSI 公司和（hé）美國的HJF 公司分別（bié）對（duì）熱氣體霧化的作用及機理進行了大量的研究。HJF 公（gōng）司在1.72MPa 壓力（lì）下，將氣體加熱至200～400℃霧化銀合金和金合金，得出粉體的平均粒徑（jìng）和標準偏差均隨溫度升高而降低。與傳統的霧化技術相（xiàng）比，熱氣體霧（wù）化技術（shù）可以提高霧化效率（lǜ），降低氣體消耗量，易於在傳統的霧化設備上（shàng）實現該工藝，是（shì）一項具有應用前景的技術。但是，熱氣體霧化技術受到氣體加熱係統和噴嘴的限製，僅有少數（shù）幾家研究機（jī）構進行研究。

2.3 國（guó）內（nèi）3D 打印金屬粉體的霧化工藝

       目（mù）前，我國河南黃河旋風股（gǔ）份有限公司已經開始進入3D 打印金屬粉體研發（fā）。其所用（yòng）的粉體（tǐ）製備工（gōng）藝如真空霧化製粉、超高壓水霧化製粉、惰性氣體緊耦合霧化製粉技術。下麵著重介紹前兩（liǎng）種霧化（huà）技術。

2.3.1 真空（kōng）霧化製（zhì）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（de）條件下，高（gāo）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（gù）成球形或是亞球（qiú）形顆粒。真空霧化製（zhì）粉可（kě）以製備大（dà）多數不能采用在空氣中和水霧（wù）化方法製造的金（jīn）屬（shǔ）及其合（hé）金粉體，可得到球形或亞球形粉體。由於凝固（gù）快克服了偏析現象，可以製取許多特殊合金（jīn）粉體。采用合適的工藝，可以使粉體粒度達到一個（gè）要求的範圍。

2.3.2 超高壓霧化法

       超高壓霧化法是采用（yòng）超高（gāo）壓霧化噴嘴（zuǐ）製備金屬粉（fěn）體的一種方法。圖5（a）為高壓霧化噴嘴，圖5（b）為超高壓霧化噴嘴。超高壓霧化噴嘴的特點（diǎn）是可以在較低的氣壓下產生更高的超音速氣流和均勻的氣體（tǐ）速度場，從而更加有效抑製有害激波（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噴嘴相同的霧化效果，而且氣流速度更加穩定和均（jun1）勻。同時，製得的粉（fěn）體粒徑（jìng）小、分布窄。

3 結論

       近年來，我國積極探索3D 打印金屬粉體製備技術，初步取得成效。自20 世紀90 年代初（chū）以來，清華大學、西安交通大學、華中科（kē）技大學、華南理工大學、北京航空航天大學（xué）、西北工業大學等高校，在3D 打印材料技術方麵（miàn），開展了（le）積極的探索，已有部分技術處於世界先進水平。