導讀

 3D 打印技術是製造業領域正在迅速發展的（de）一項新興技術，被稱為“具有工業革命意義（yì）的製造技術”，已成為現代模型、模具和零部件製（zhì）造的有（yǒu）效手（shǒu）段，在航空航天、汽車摩托（tuō）車、家電、生（shēng）物醫學等領域得到了一定應用， 在工（gōng）程和教（jiāo）學研究等領域也占有獨特（tè）地位。3D 打印（3D printing）是以計算機3 維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成（chéng）型係統，利用激光束、熱熔噴嘴（zuǐ）等方（fāng）式將金屬粉（fěn）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（nián）結，最終疊加成（chéng）型，製造出實體產品。 

  

       3D 打印的原材料較（jiào）為特殊，必須能夠液化、粉體化、絲化，在打印完成後又能重（chóng）新結合起來，並具有合格的物理化學性質。金（jīn）屬零件3D 打印技（jì）術作為整（zhěng）個3D 打印體係中最為前沿和最有潛力的技術，是先進製造技術的重要（yào）發（fā）展方（fāng）向。目前，國內3D 打印耗（hào）材金屬粉體（tǐ）製備難度大、產量小、產品性（xìng）能低，國外廠家壟斷市場，價格昂貴。因此，對（duì）3D 打印（yìn）耗（hào）材（cái）金屬粉體製備方法的研究尤為重要。

1   3D 打印金屬粉體

       3D 打（dǎ）印金屬粉體作為金屬零件3D 打印產業鏈最重（chóng）要的一環，也是最大的價值所在。在“2013 年世界3D 打印技術（shù）產業大會”[3]上，世界3D 打印行（háng）業的權威專（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（jīn）屬顆粒群。包括單（dān）一金屬粉體、合金粉體（tǐ）以及具有金屬性質的某些難熔化合物粉體。目前，3D 打印金屬粉體材料包括鈷鉻合金、不鏽鋼、工業鋼、青（qīng）銅合金、鈦合金和鎳鋁合金等。但是3D 打印金屬粉體除需具備良好的可塑性外，還必須（xū）滿足（zú）粉體粒徑細小、粒度分布較窄（zhǎi）、球形度高、流動性好和鬆裝密度高等要求。

       為了進一步證明3D 打印金屬粉體（tǐ）對產（chǎn）品的（de）影響。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，發現製備出的產品存在明顯差異。德國某廠家的不鏽鋼粉體打印樣品表麵光澤、收縮率小、不（bú）易變形、力學性能穩定。而國內某廠（chǎng）家的不鏽鋼粉體（tǐ）的打印樣品則遠遠不（bú）及前者。為此，對兩種不同的（de）不鏽鋼粉體進（jìn）行的微（wēi）觀形貌分析。圖1 為德（dé）國某廠家不鏽鋼粉體的微觀結構，從圖中可（kě）以看出，粉（fěn）體顆粒球形度好（hǎo），顆（kē）粒尺寸分布在11.2~63.6μm 範圍內。圖2 為國內某廠家的不鏽（xiù）鋼粉體的微觀結構，可以看出，其顆（kē）粒為不規則塊狀，尺（chǐ）寸較小。

 

       通過上述研究表明，3D 打印耗（hào）材金屬粉體（tǐ）需滿足粒徑細小、粒（lì）度分布窄、球（qiú）形度高、流動性好和鬆裝密度高。因此（cǐ），為了得到所需（xū）優異性能的（de）3D 打印產品，必須尋（xún）求一種高效的金屬粉體製備方法。

2   金屬粉體的製備工藝

       目前，粉體製備方法按照製備工藝主要可分（fèn）為（wéi）：還（hái）原法、電解法（fǎ）、羰基分解法、研（yán）磨法、霧（wù）化法等。其中，以還原法（fǎ）、電解法和（hé）霧化法生產的粉體作為原料（liào）應用到粉體（tǐ）冶金工業的較為普遍。但（dàn）電解法和還原（yuán）法僅限於單質金屬粉體的生產，而對於合金粉體這些方法均不適用。霧化法可以進（jìn）行合金粉體的（de）生產（chǎn），同時現代（dài）霧（wù）化工藝對粉體的形狀也能夠做出控製，不斷發展的霧化腔結構大幅提高了霧化效（xiào）率，這使得霧化法逐漸發展成為主要的粉體生產方法。霧化法滿足3D 打印耗材金屬粉體（tǐ）的特殊要（yào）求。

       霧化法是指通過機械的方法使金屬熔（róng）液粉碎成（chéng）尺寸小於150μm 左右的（de）顆粒的方法。按照粉碎金屬熔（róng）液的（de）方式分類，霧（wù）化法包括二流霧化法、離心霧（wù）化、超聲霧化、真空霧（wù）化等（děng）。這些霧化方法具有各自特點，且都已（yǐ）成功應（yīng）用於工業生產。其中水氣霧化法具有生產設（shè）備及（jí）工藝簡單、能耗低、批量大等優點，己成（chéng）為金屬粉體的主要工業化（huà）生產方法。

2.1 水霧（wù）化法

       在霧化（huà）製粉（fěn）生產中，水霧化法是廉價的生產方法之一。因（yīn）為霧（wù）化介質水不但（dàn）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（nèi）水霧化法主要用來生產鋼鐵粉體（tǐ）、金剛石工具用胎（tāi）體（tǐ）粉體、含油軸承用預合金粉體、硬麵技術用粉體以及鐵基、鎳基磁性粉體等。然而由於（yú）水的比熱容遠大於氣體，所以在霧化（huà）過程中，被破碎的金屬熔滴由於（yú）凝固過（guò）快而變成不規則（zé）狀，使粉體的球形度受到影響。另外一些具有高活性（xìng）的金屬或者合金，與水接觸會發生反應，同時由於霧化過程（chéng）中與（yǔ）水的接觸，會提高粉體的氧含量。這些問題限製了（le）水（shuǐ）霧化法在製備（bèi）球形度高（gāo）、氧含量低（dī）的金屬粉體的應用。

       但是（shì），金川集團股份有限公司發明了一種水（shuǐ）霧化製備球形金（jīn）屬粉體的方（fāng）法，其采用在水霧化噴嘴下方處（chù）再設置一個二次冷水（shuǐ）霧（wù）化噴嘴，進行二次霧化。該發明得到的粉（fěn）體不僅球形度接近氣霧化效果，而且粉體粒（lì）度比一次水霧化更細。

2.2 氣霧化法

       氣霧化法是生產金屬及（jí）合金粉體的主要方法之一。氣霧（wù）化的基本原（yuán）理是用高速氣流將液態金（jīn）屬流破碎成（chéng）小液滴並凝固成粉體的過程。由於其製（zhì）備的粉體具有純度高、氧含量低、粉體（tǐ）粒度可控、生產成本低以及球形度高等優點，已成為高性能及特種合金粉體製備技術的主要發展（zhǎn）方向。但是（shì），氣霧化法也存（cún）在不足（zú），高壓氣流的能量遠小於高壓水流的能（néng）量，所以氣霧化對金屬熔體的破碎效率低於水霧化，這使得氣霧化粉體（tǐ）的霧化效率較低，從而增加了（le）霧化粉體的製備成本。目前，具有代（dài）表性的幾種氣霧化製粉技術氣霧化如下。

2.2.1 層流霧化（huà）技術

       層（céng）流霧化技（jì）術是由德國Nanoval 公（gōng）司等提出，該技術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效率（lǜ）高，粉體粒度分布（bù）窄，冷卻速度達106～107K/s。在2.0MPa 的霧化壓力（lì）下，以Ar 或N2為介質霧（wù）化銅、鋁、316L 不鏽鋼等，粉（fěn）體平均粒度達到10μm。該工藝（yì）的另一（yī）個（gè）優點是氣（qì）體消耗量低，經濟效益（yì）顯（xiǎn）著，並且適用（yòng）於大多數（shù）金屬粉體的生（shēng）產。缺點（diǎn）是技術控製難度大，霧化過（guò）程不（bú）穩定，產量小（金屬（shǔ）質（zhì）量流率小於（yú）1 kg/min），不利於工業化生產。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（wù）化技（jì）術是由英國PSI 公司提出。該技（jì）術對緊耦（ǒu）合環縫式噴嘴進（jìn）行結構優化，使氣流的出口速度超過聲速（sù），並且增加金屬的（de）質量流率。圖4 為典型的緊藕合霧化（huà）噴嘴結構圖-Unal 霧化噴嘴（zuǐ）。在（zài）霧化高表麵（miàn）能的金屬如不鏽鋼時，粉體平均粒度可達20μm左右，粉體的標準偏差最（zuì）低可以降至1.5μm。該技術（shù）的另一大優點（diǎn）是大大提高了粉體的冷卻速度，可以生產快冷或非晶結（jié）的粉體。從當前（qián）的發展來看，該項技術設備代表了（le）緊耦合霧化技術的新的發展方向，且具有工業實用意義，可以廣泛應用（yòng）於微細不鏽鋼、鐵（tiě）合金、鎳合金、銅（tóng）合金、磁性材料、儲氫材（cái）料等合金粉體的生產。

 

2.2.3 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（huà）的作用及機理進行了大量的研究。HJF 公司在1.72MPa 壓力下（xià），將氣體加熱至200～400℃霧化銀合金和金合金（jīn），得出粉體的平（píng）均粒（lì）徑和標準偏差均隨溫（wēn）度（dù）升高而降低。與傳統的霧化（huà）技術相比，熱氣體霧化技術可以提高霧化效率，降低氣體消耗量，易於（yú）在傳統的霧化設備上實現該工藝，是一項具有應用前景的（de）技術。但是（shì），熱氣體霧化技術受到氣體加熱（rè）係統（tǒng）和噴嘴（zuǐ）的限製，僅有少數幾家研究機構進行研究。

2.3 國內3D 打印金屬粉體的霧化工藝

       目前，我國河南黃河旋風股份有限公司已經開始進入3D 打印金屬粉（fěn）體研發。其所用的粉體製（zhì）備工藝如真（zhēn）空霧化製粉、超高（gāo）壓水霧化製粉（fěn）、惰性氣體緊耦合霧化製粉技術。下麵著重介紹前兩種霧化技術。

2.3.1 真空霧化製粉

       真空霧化製粉是指在真空條件（jiàn）下熔煉金屬或（huò）金屬合金，在氣體保護的條件下，高（gāo）壓氣流將金屬液體霧化破碎成大量細小的液滴，液（yè）滴在飛行中凝固成球形或是亞（yà）球（qiú）形顆粒。真空霧化製粉可以製（zhì）備大多數不（bú）能采用在空氣（qì）中和水霧化方法製造的金屬及其合金粉體，可得到球形或亞球形粉體。由於凝固快克服了偏析現象，可以製取許（xǔ）多特殊（shū）合金粉體。采用合（hé）適的工藝，可以使粉體粒度達到（dào）一個要求的範圍。

2.3.2 超高（gāo）壓霧化（huà）法

       超高壓霧化法（fǎ）是采用超高壓霧化噴嘴（zuǐ）製（zhì）備金屬粉體的一種（zhǒng）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是可以（yǐ）在較低的氣壓下產（chǎn）生更高的（de）超音速氣流（liú）和均勻的氣體速度場，從而更加有效抑製有害（hài）激波（bō）的產生，明顯增加氣體的動能，使霧化效率更高。該（gāi）噴嘴在較低的（de）氣壓下產生與高壓霧化（huà）噴嘴相同的霧化效果，而且氣流速（sù）度更加穩定和均勻。同時，製得（dé）的粉體粒徑小、分布窄。

3 結論

       近年來，我國積極探（tàn）索3D 打印金（jīn）屬粉體（tǐ）製備技術（shù），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（dà）學、華中科技（jì）大學、華南理工大學、北京航空（kōng）航天大學（xué）、西北工業（yè）大學等高（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（yú）世界先進水平。