3D 打印技術是一（yī）種新型的打印技術，其突出（chū）優點在於無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零（líng）件，從而極大地縮短產品的研製周期，提高生產（chǎn）率和降低生產成本。 3D 打印金屬粉末作為金屬零件 3D 打印最重要（yào）的原材（cái）料，其製備方（fāng）法備受人們關注。 本文主要介紹了目前國內外 3D 打印金屬（shǔ）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的現狀進行分析，提出建（jiàn）設性（xìng）意見。

 

關鍵詞： 3D 打印；金（jīn）屬（shǔ）粉末；製備方（fāng）法；霧化法

 

1 3D 打印金（jīn）屬粉末

 

3D 打印金屬粉末作為金（jīn）屬零（líng）件 3D 打印產業鏈最重要的一環，也是最大的價（jià）值所在（zài）。 在“ 2013 年世界 3D 打印技術產業大會” [3] 上，世界 3D 打印行業的（de）權（quán）威專家對 3D 打印金屬粉末給予明（míng）確定義，即指尺寸（cùn）小於 1mm 的金屬顆粒群。 包括單（dān）一金（jīn）屬（shǔ）粉末、合

 

金粉末以及具有（yǒu）金屬性（xìng）質的某些難熔化合物粉（fěn）末。目前， 3D 打印金屬粉末材料包括鈷鉻合金、不鏽鋼、工業鋼、青銅合金、鈦合金和鎳鋁合金等。但是 3D 打印金屬粉末除需具備良好的可塑（sù）性外，還必須（xū）滿足粉末粒徑細小、粒（lì）度（dù）分布（bù）較窄、球形度高、流動性好和鬆裝密度高等要求。

 

為了進一步證明（míng） 3D 打印金屬粉末對產（chǎn）品的影響。 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末，發現製備出的產品存在明顯差異。

 

德國（guó）某廠家的（de）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（wěn）定。 而國內某廠家的不鏽鋼粉末的打（dǎ）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（wēi）觀形貌（mào）分析。 圖 1 為德國某（mǒu）廠家不（bú）鏽（xiù）鋼粉末的微（wēi）觀結構，從圖中可以看（kàn）出，粉末顆粒球形度（dù）好，顆粒尺寸分布在 11.2~63.6μm 範圍內。 圖（tú） 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（lì）為不規則塊狀（zhuàng），尺寸較小。

 

 

 

 

圖 1 德國某廠家（jiā） 3D 打印不鏽鋼粉末的（de）微（wēi）觀結構

 

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（shǔ）粉末需滿足粒徑細小、粒度分布窄、球形度高、流（liú）動性好和鬆裝密度高。 因此，為（wéi）了（le）得到所需優異性能的 3D 打印產品，必須（xū）尋求一種高（gāo）效（xiào）的金屬粉（fěn）末製（zhì）備方法（fǎ）。

 

 

 

 

圖 2 國內某廠家（jiā） 3D 打印不鏽鋼粉末的微觀結構

 

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

 

 

 

2 金屬粉末（mò）的（de）製備工藝

 

目前，粉末製備方法按（àn）照製備（bèi）工藝主要可分為：

 

還原法、電解法、羰基分（fèn）解法、研磨法、霧化法等（děng） [4-9] 。其（qí）中，以（yǐ）還（hái）原法、電解法和霧化法生產的粉末作為（wéi）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限於單質金屬粉末的生產，而對於合金粉末這些（xiē）方法均不適用。 霧化法可（kě）以進行合金（jīn）粉末的生產，同時現代（dài）霧化工藝對粉末的形狀也能夠做（zuò）出控製，

 

不斷發展的霧化腔結構（gòu）大幅提（tí）高了霧化效（xiào）率（lǜ），這（zhè）使得霧化法逐漸發（fā）展成為主（zhǔ）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。霧化法是指通過機械的方法使金屬熔液粉碎（suì）成尺（chǐ）寸小於 150μm 左右的顆粒的方法 [11] 。 按照粉碎金屬（shǔ）熔液的方式分類，霧化法包括二流霧化法、離心（xīn）霧化、超聲霧化、真空霧化等（děng） [12,13] 。 這些霧化方法具有各自特點，且都已成功應用於工（gōng）業生產。 其中水氣霧化法具有生產設備及工藝簡單、能耗低、批量大等（děng）優點，己（jǐ）成為金屬粉末的（de）主要工業化生產方法。

 

 

2.1 水霧化法

 

在霧化製粉（fěn）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（dàn）成本低廉容易獲取，而且在霧化效率方而表（biǎo）現出色。 目前，國內水霧化法主要用來（lái）生產鋼鐵粉末、金剛石工具用胎（tāi）體粉末、含油軸承（chéng）用預（yù）合金粉末（mò）、硬麵技（jì）術（shù）用粉末以及鐵基、鎳基磁性粉末等。 然而由於水的比熱容遠大於氣體，所以在霧化過程中，被破碎的金屬熔滴由於凝固過快而變成不規則狀，使粉末的球形（xíng）度（dù）受到影響。 另外一些具有高活性的金屬或（huò）者合金（jīn），與水接觸會發生反應，同時由於霧化過程中與水的接觸，會提高粉末的（de）氧含量。 這些問題限（xiàn）製了（le）水霧化法在製備球（qiú）形度高、氧含量低的（de）金屬（shǔ）粉末的應用 [14] 。

 

但是，目前發明了一種水霧化製備球形（xíng）金屬粉末的方法，其采用在水霧（wù）化噴嘴（zuǐ）下方處再設置（zhì）一個二次冷水霧化噴嘴，進行二次霧化（huà）。 該（gāi）發明得到的粉末不（bú）僅球形度接近氣霧化效果，而且粉末粒度比一次水霧化（huà）更細。

 

 

 

2.2 氣霧化法

 

氣霧化法是生（shēng）產金屬及（jí）合金粉末的主要方（fāng）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（bìng）凝固成粉末的過程。由於其製備的粉末具有純度高、氧含量低、粉末粒度（dù）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末製備技術的主要發展方向 [16] 。 但（dàn）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（fěn）末的霧化效率（lǜ）較低（dī），從而增加了霧化粉末的製備成本 [17] 。 目前，具有代表（biǎo）性的幾種氣霧化（huà）製粉技術氣霧化如下。

 

 

 

2.2.1 層流霧化（huà）技術（shù）

 

層流霧化技術（shù）是由德國 Nanoval 公司等提出，該（gāi）技術對常（cháng）規噴嘴（zuǐ）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高（gāo），粉末粒度分布窄，冷（lěng）卻速度達（dá） 106～107K/s 。 在 2.0MPa 的霧化壓力下，以 Ar 或 N 2 為介質霧（wù）化銅、鋁、 316L 不鏽鋼等，粉（fěn）末平均（jun1）粒度達到 10μm 。 該工藝（yì）的另一個優點（diǎn）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末的生產。 缺點是技術控製難度（dù）大，霧（wù）化過程不（bú）穩（wěn）定（dìng），產（chǎn）量小（金屬質量流率小於 1 kg/min ），不利於工業化生產。 Nanoval 公司正致（zhì）力於這些（xiē）問題的解決。

 

 

 

 

圖 3 層流霧化噴嘴結構圖

 

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 公司提出。該技術對緊耦合環縫式噴嘴進行結構優化，使氣流的出（chū）口速度超過聲速，並且增加金屬的質量流率。 圖4 為典（diǎn）型的緊藕合霧化（huà）噴嘴結構圖 -Unal 霧化噴嘴。在霧化高表（biǎo）麵能的金屬如不鏽鋼時（shí），粉末平均粒度可達 20μm 左右，粉末的標準偏差（chà）最低可以降至 1.5μm 。

 

該技術的（de）另一大優點是（shì）大（dà）大提（tí）高了粉末的冷卻速（sù）度，可以生產快（kuài）冷或非晶結的粉末。 從（cóng）當前的（de）發展來看，該項技術設備代表了緊耦合霧化技術的新的發展方向，且（qiě）具有工業實用意義，可以廣泛應用於微細不鏽鋼、鐵（tiě）合金、鎳合金、銅合（hé）金、磁性材料、儲氫材料等合金粉（fěn）末的生產（chǎn）。

 

 

 

 

圖 4 典（diǎn）型的緊藕（ǒu）合霧化噴嘴結構圖

 

Fig.4 Structure of typical close coupled atomization nozzle

 

2.2.3 熱氣體霧化法

 

近年來，英國的 PSI 公司（sī）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，將氣體加熱至 200～400℃霧化銀合金（jīn）和金合（hé）金（jīn），得出粉末的平均粒徑和標（biāo）準偏差均隨溫度升高而降低。與傳統（tǒng）的霧化技術相（xiàng）比，熱氣體（tǐ）霧化技術（shù）可以（yǐ）提高霧化效率，降低氣體消耗量，易於在傳統的霧化設備上實現該工藝，是一項具有應用前景的技（jì）術。 但是，熱氣體（tǐ）霧化技術受到氣體加熱係統和噴嘴的限製，僅有少數幾家研究機構進行研究。

 

2.3 國內（nèi） 3D 打印金屬（shǔ）粉末的霧化（huà）工藝

 

目前，我國河南黃河旋風股份有限公司已經開始進（jìn）入 3D 打印金屬粉末研發。其所用的粉末製（zhì）備工（gōng）藝如真空霧化製粉、超高壓水霧化製粉、惰性氣體緊3D 打印金屬粉末的製備方法 耦合霧化製（zhì）粉技術。 下（xià）麵著重介紹前兩種霧（wù）化技術。

 

2.3.1 真空霧化製粉

 

真空（kōng）霧化製粉（fěn）是（shì）指在真空條件下熔煉金屬或金（jīn）屬合金，在氣體保（bǎo）護的條件下（xià），高壓氣流將金屬液（yè）體霧化破碎成（chéng）大量細小的（de）液（yè）滴，液（yè）滴在（zài）飛行（háng）中凝固成球形或是亞（yà）球形顆粒。真空霧化製粉可以製備大多數不能采用在空氣中和（hé）水霧化方法製造的金屬及其（qí）合金粉末，可得到球形（xíng）或亞球形（xíng）粉末。 由於凝固（gù）快克服（fú）了偏析現象，可以製取許多特殊合金粉末。 采用（yòng）合適的工藝，可以（yǐ）使粉末粒度達到一個要求的範圍。

 

2.3.2 超高壓霧（wù）化法（fǎ）

 

超高壓霧（wù）化法是采用超高壓霧化噴嘴（zuǐ）製備金屬粉末的一種方法。圖 5 （ a ）為高壓霧化噴（pēn）嘴，圖 5 （ b ）為超（chāo）高壓霧化（huà）噴嘴。 超高壓霧化噴嘴的特點是（shì）可以在較（jiào）低的氣壓（yā）下產生更（gèng）高的超音速氣流和（hé）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（xiǎn）增加氣體的動能，使霧化效（xiào）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（zuǐ）相同的霧化效果（guǒ），而（ér）且氣流速度更加穩定和均勻。同時，製得的粉末粒徑小、分（fèn）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，我國積極探索 3D 打印金屬粉末製備技術，初步取得成效。 自 20 世紀 90 年（nián）代初以來，清華大學、西安交通大學、華中（zhōng）科技大（dà）學、華南理工大學（xué）、北京航空航天大學、西北工業大學等高（gāo）校，在 3D 打印材料技術方麵，開展了積極的探索，已有（yǒu）部（bù）分技術處於世界先進水平。黃河旋風股份有限公司（sī）已（yǐ）經開（kāi）始進入 3D 打印金屬粉末研發。擁有多套國內領先水平的霧化製粉設備，工藝涵蓋真空霧化製粉、超高壓水霧化製粉、惰性氣體緊耦合霧化製粉技術，將為中（zhōng）國（guó）的（de） 3D 打印事業貢獻一份力量。 但是，目前，我（wǒ）國（guó） 3D打印金屬粉（fěn）末（mò）仍存在如下 4 個問題：缺乏宏觀規劃和引導、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推廣。 同時（shí），在常規的金屬粉末霧（wù）化噴嘴中，金屬粉末的形成是靠（kào）氣流對金屬（shǔ）液（yè）流的擾動和衝擊（jī）使其（qí）破碎成粉末，由於氣流的擾動具有統計特（tè）征（zhēng），粉（fěn）末的粒度分（fèn）布較寬，同時在所有的霧化技術中，不管噴嘴的結構如（rú）何，氣流在作用於（yú）液流前的飛（fēi）行中不斷膨脹（zhàng），速度（dù）減小，導致（zhì）霧化氣體（tǐ）能量損失較大，影響了霧化效率。因此，這為 3D 打印技術帶來挑戰的同時，也帶來了商機。 3D 打印技術作為“增（zēng）材製造”的主要實現形式，節（jiē）約成本、減少燃料消（xiāo）耗，必將成為最具潛力發展的產業。