3D 打印技術是一種（zhǒng）新型的（de）打印技術，其突出優點在於無需機械（xiè）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的零件，從而極大地縮短產品的研製周期，提高生產率和降低生產成本。 3D 打印金屬粉末作為金屬（shǔ）零件 3D 打印最（zuì）重（chóng）要的原材料，其製備方法備受人們關注。 本文主要介紹了（le）目前國（guó）內外（wài） 3D 打印金屬粉末的製備（bèi）工藝，氣霧化技術的最新進展，並對 3D 打印金屬粉末製備技術的現狀進行分析，提出建設性意見。

 

關鍵詞： 3D 打印；金屬粉末；製備方（fāng）法；霧化法

 

1 3D 打印金屬粉（fěn）末

 

3D 打（dǎ）印金（jīn）屬粉（fěn）末作為金（jīn）屬零件 3D 打印產業（yè）鏈最重要的一環，也是最大的（de）價值所在。 在（zài）“ 2013 年世界 3D 打印技術產業大會” [3] 上，世界 3D 打印行業的權威專（zhuān）家對 3D 打印金屬粉末給予明確定義，即（jí）指尺（chǐ）寸小於 1mm 的金（jīn）屬顆粒群。 包括單一金屬粉（fěn）末、合

 

金粉末以及（jí）具有金屬性質的某些難熔（róng）化合物粉末。目（mù）前（qián）， 3D 打印金屬粉末（mò）材料包括鈷鉻合金、不鏽鋼、工業鋼、青銅合金、鈦合金和（hé）鎳鋁合金等。但（dàn）是 3D 打印金屬粉末（mò）除需具備良好的可塑性外，還必須滿（mǎn）足（zú）粉末粒徑細小、粒（lì）度分布較窄、球形度高、流動性好和鬆裝密度高等（děng）要求（qiú）。

 

為了進一（yī）步證明 3D 打（dǎ）印金屬粉末對產品的影響。 作者采用選擇性激光燒結法（fǎ）（ SLS 法）打印兩（liǎng）種不同（tóng）的不鏽鋼粉末，發現製備出的產品存在明顯差異。

 

德（dé）國某廠家的（de）不鏽（xiù）鋼粉（fěn）末打印樣品表麵光澤、收縮（suō）率小、不易變形、力學性能穩定。 而（ér）國內某廠家的不鏽（xiù）鋼粉末的打印樣品則遠遠不及前者。 為此，對兩種不同的不鏽鋼粉末進行的微觀形貌分析。 圖 1 為德（dé）國某廠家不鏽鋼粉末的微觀結構，從圖中可（kě）以看出，粉末（mò）顆粒（lì）球形度好，顆粒尺寸分布在 11.2~63.6μm 範圍（wéi）內。 圖 2 為國內某廠家的不鏽鋼粉（fěn）末的微觀結構，可以看出，其顆粒為（wéi）不規則塊狀，尺寸較小。

 

 

 

 

圖 1 德國某（mǒu）廠家 3D 打印不鏽鋼粉末的微（wēi）觀（guān）結構

 

Fig.1 Microstructure of German stainless steel powder for 3D printing

 

通過上述研究表明， 3D 打印耗材金屬粉末需滿足粒徑細小、粒度分布窄、球形度高（gāo）、流動性好和鬆裝密度高。 因此，為（wéi）了得到（dào）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末製備方法。

 

 

 

 

圖 2 國內某廠家 3D 打印不（bú）鏽鋼粉末的微觀（guān）結構（gòu）

 

Fig.2 Microstructure of domestic stainless steel powder for 3D printing

 

 

 

2 金屬粉末的製備工藝

 

目前，粉末製備方法按照製備（bèi）工藝主要可分為：

 

還原法、電解法、羰基分解法（fǎ）、研磨法、霧化法等 [4-9] 。其中，以還原法、電解法和霧化法生產的粉末作為原料應用到粉末冶金（jīn）工（gōng）業的較為普遍。但電解法和還原法僅限於單質金屬（shǔ）粉末的生產，而對於合金粉末這些方法均不（bú）適用。 霧化法可以（yǐ）進行合金粉末（mò）的生產，同（tóng）時現代霧化工藝對粉末的形狀也能夠（gòu）做出控製，

 

不斷發展的霧化腔結構大幅提高（gāo）了霧化效率，這使得霧化法逐漸發（fā）展成為主要的粉末生產方法 [10] 。霧化法滿足 3D 打印耗材金屬粉末的特殊要求。霧化法是指通過機（jī）械（xiè）的方法使金屬熔液粉碎成尺寸小於 150μm 左右的顆粒的方法 [11] 。 按照（zhào）粉碎金屬熔液的方式分類，霧化（huà）法包括二流霧化法、離心霧化、超聲霧化、真空霧化（huà）等 [12,13] 。 這（zhè）些霧化（huà）方法具有各自特點，且都已成功應用於工業生產。 其中水氣霧化法具有生產設備及工（gōng）藝簡單、能耗低、批量大等優點，己成為金屬粉末的主要工（gōng）業化生產（chǎn）方（fāng）法（fǎ）。

 

 

2.1 水霧化法

 

在霧化製粉生（shēng）產中，水霧化法是廉價的生產方（fāng）法之一。 因（yīn）為霧化介質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（guó）內水（shuǐ）霧化法主要用來生（shēng）產鋼鐵粉末、金剛石工具用胎體粉末、含油（yóu）軸（zhóu）承用預合金粉末、硬麵技術（shù）用粉末以及鐵（tiě）基、鎳基（jī）磁性粉末（mò）等。 然而由於水（shuǐ）的比熱容遠大於氣（qì）體，所（suǒ）以在霧（wù）化過程中，被破碎的金屬熔滴由（yóu）於凝固過快而變成不規則狀（zhuàng），使粉（fěn）末的球形度受到影（yǐng）響。 另外一些具有高活性的金屬或者（zhě）合金（jīn），與水接觸會（huì）發生反應，同時（shí）由於霧化過程中與水（shuǐ）的（de）接觸，會提高粉末（mò）的氧含量。 這些問題（tí）限製（zhì）了（le）水霧化法在（zài）製備球形度高、氧含量低的金屬粉末的應用 [14] 。

 

但是，目前發明了一種水霧化製備（bèi）球形金屬粉末的方法，其采用在水霧化噴嘴下方處再設置一個二次冷水（shuǐ）霧化（huà）噴嘴，進行二次霧化。 該發（fā）明得到的粉末不僅球（qiú）形度接近氣（qì）霧化效果（guǒ），而且粉末粒度（dù）比一次水霧（wù）化更細。

 

 

 

2.2 氣霧化法

 

氣霧化法（fǎ）是生產金屬及合金（jīn）粉末的主要方法之一。 氣霧化的基本原理（lǐ）是用高速氣流將液（yè）態金（jīn）屬流（liú）破碎成小液（yè）滴並凝固成粉末的過（guò）程。由於其製備的粉末具有純度高、氧含量低、粉末粒（lì）度（dù）可控、生產成本低以及球形（xíng）度高等優點，已成為高性能及特種合金粉末製備技術的（de）主要發展方向 [16] 。 但是，氣（qì）霧化法也存在不足，高壓氣流的能量（liàng）遠（yuǎn）小於高壓水流的（de）能量，所以氣霧化對金屬熔體的破碎（suì）效率低於水霧化，這使（shǐ）得氣霧化粉末的霧化效率較（jiào）低，從而增加了霧化粉末的製備成本 [17] 。 目前，具有代表性（xìng）的幾種（zhǒng）氣霧化製粉技術氣（qì）霧化如下。

 

 

 

2.2.1 層流霧化技術

 

層流霧化技術是由德國 Nanoval 公（gōng）司等提出，該技術對常規噴嘴進行（háng）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（wù）化效率高，粉末粒度（dù）分布窄，冷卻速度達 106～107K/s 。 在 2.0MPa 的霧化壓力下，以 Ar 或 N 2 為介質霧化銅、鋁、 316L 不鏽鋼等，粉末平均粒度達到 10μm 。 該（gāi）工藝的（de）另一個優點是氣體（tǐ）消耗量（liàng）低，經濟效益顯著，並且適用於大多數（shù）金屬（shǔ）粉末的生產（chǎn）。 缺點是技術控製難度大，霧化過程不穩定，產量小（金屬質量流率小於（yú） 1 kg/min ），不利於工業化生產。 Nanoval 公司正致力（lì）於這些問題的解決。

 

 

 

 

圖 3 層流霧化噴嘴（zuǐ）結構圖（tú）

 

Fig.3 Structure of laminar flow atomization nozzles

 

2.2.2 超（chāo）聲緊耦合霧化技術

 

超聲緊耦合霧化技術是由英國 PSI 公司（sī）提出（chū）。該技術（shù）對緊耦合環縫式噴嘴進行結構優化，使（shǐ）氣（qì）流（liú）的出口（kǒu）速度超過聲速，並且增加金屬的質量流率（lǜ）。 圖4 為典型的緊藕合霧化噴（pēn）嘴（zuǐ）結構圖（tú） -Unal 霧化噴嘴。在霧（wù）化（huà）高表麵能的金屬如（rú）不鏽鋼時，粉（fěn）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 。

 

該技（jì）術的另一（yī）大優（yōu）點是大大（dà）提高了粉末的冷卻速度，可以生（shēng）產快冷或非（fēi）晶結的粉末。 從當前的發展來看（kàn），該項技術設備代表了緊耦合霧化技術的（de）新的發展（zhǎn）方向，且具（jù）有工業實用意義，可（kě）以廣泛應用於微細不鏽鋼、鐵合金、鎳合金、銅合金、磁性材料、儲氫材料等合金粉末的（de）生產。

 

 

 

 

圖（tú） 4 典型（xíng）的緊藕合霧化噴嘴結（jié）構圖

 

Fig.4 Structure of typical close coupled atomization nozzle

 

2.2.3 熱氣體霧化法

 

近（jìn）年來，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。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偏差均（jun1）隨溫度升高而降低。與傳統的霧化技術相比，熱氣體霧化技術可以提高霧（wù）化效（xiào）率，降（jiàng）低氣體消耗量，易於在傳統的霧化設備上實現該工藝（yì），是一項具有應用前景的（de）技（jì）術。 但（dàn）是，熱氣體霧化技術受到氣體加（jiā）熱係統和噴嘴的限製，僅有少數幾家研究機（jī）構進行研究。

 

2.3 國內（nèi） 3D 打印金屬粉末的霧化工藝

 

目前，我國河南黃河旋風股份有限公司已經開始進入 3D 打印金屬粉末研發。其所用的粉末製備（bèi）工藝如真空霧化製粉、超高壓水霧化製粉、惰性氣體緊（jǐn）3D 打印金屬粉末的製備方法 耦合霧化製粉技術。 下麵著重（chóng）介紹前（qián）兩種霧化技術。

 

2.3.1 真空霧化製粉

 

真空霧化製粉是指在（zài）真空條件下熔煉金屬或金屬合金，在氣體保護的條件下，高壓氣流將金屬液體霧化破碎成大量細小（xiǎo）的液滴，液滴在飛行中凝固成球形（xíng）或是亞球形顆（kē）粒。真空（kōng）霧化製粉可以製備大多數不能采用（yòng）在空氣中和水霧化方法製造的金（jīn）屬及其合（hé）金粉末，可得到球形或亞球形粉末。 由於凝固快克服了偏析現象，可以製取許多特殊合金粉末。 采用合適的工藝，可以使粉末粒度達（dá）到一個要求（qiú）的（de）範圍。

 

2.3.2 超高壓霧化（huà）法

 

超高壓霧化法是（shì）采用（yòng）超（chāo）高壓霧化（huà）噴嘴製備金（jīn）屬粉末（mò）的一（yī）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（gèng）高的超音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（míng）顯增（zēng）加氣（qì）體的動能，使霧化效率更高。該噴（pēn）嘴在較低的氣壓下產生與高壓霧化噴嘴相同的霧化效果（guǒ），而且氣流速度更加穩定和均勻。同時，製得的粉末粒徑小、分布窄。

 

 

 

圖 5 高壓霧化噴嘴結構圖

 

Fig.5 The structure of nozzles for high pressure atomization

 

 

 

3 結論

 

近年來（lái），我國積極探索 3D 打印金屬粉末製備技術，初步取得（dé）成效（xiào）。 自 20 世紀 90 年代（dài）初以來，清華大學、西安交通大學、華中科技大學、華南理工大學、北京航空航天（tiān）大（dà）學（xué）、西北工業大學（xué）等高校，在 3D 打印材料技術方麵，開展了積極的探索，已有部分技術處於世（shì）界先進水平（píng）。黃（huáng）河旋風股份有限公司已經開始進入 3D 打印金屬粉末研（yán）發。擁有多套國內領（lǐng）先水（shuǐ）平的霧化製（zhì）粉設備，工藝（yì）涵蓋真（zhēn）空霧化（huà）製粉、超高壓（yā）水霧化製粉、惰性氣體（tǐ）緊耦合（hé）霧化製粉技術，將為（wéi）中（zhōng）國的 3D 打印事業貢獻一份力（lì）量。 但是，目前，我（wǒ）國 3D打印（yìn）金屬粉末仍存在如下 4 個問題：缺乏宏觀規劃和引導、對技術（shù）研發投入不足、產業鏈缺乏統（tǒng）籌發展、缺乏教育培訓和社會推廣。 同時，在常規的金屬粉末（mò）霧（wù）化噴嘴中，金（jīn）屬粉末（mò）的形成是靠氣流對金屬液（yè）流的擾動和衝擊使其破碎（suì）成粉末，由於氣流的擾動具有統計特征，粉末的粒度分布較寬，同時在所（suǒ）有（yǒu）的霧化技術（shù）中，不管噴嘴的結構如何，氣流在（zài）作用於液流（liú）前的飛行中不斷膨脹，速（sù）度減小，導致霧（wù）化氣體能量損失較大，影響了霧化效率（lǜ）。因此，這為 3D 打印（yìn）技術帶來挑戰的同（tóng）時，也（yě）帶來（lái）了商（shāng）機。 3D 打印技術作為“增材製造”的主要實現形（xíng）式，節約（yuē）成本、減少燃料消耗（hào），必將成為最具潛力發展的產業。