金（jīn）屬3D打印機（jī）火（huǒ）了之後，金屬3D打印粉末材料也跟著開始火了。南極熊曾報道，市場研究公司IDTechEx公布2016年3D打印金屬粉末市場達到了2.5億美金，高於預測（cè）。而3D打印金屬粉末市場將保持高增長的（de）態勢，到（dào）2025年達到50億（yì）美金的市場規模，年複合增長率39.5%。

 

接下來南極熊就為大家主要介紹一下，目前國內外3D打印金屬（shǔ）粉末的（de）製備工藝——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，提出一些意見。

 

在南（nán）極熊（xióng）發布的《中國3D打印格局》中（zhōng）也對金屬粉末材料部分（fèn）廠商進行了梳（shū）理，並且南（nán）極熊之（zhī）前剛剛報道了3D打印金屬粉末技術的最新成果：美國（guó）實驗室造出更優質3D打印金（jīn）屬粉末：表麵光滑，一致性（xìng）好

 

幹（gàn）貨 ：不用找了，全球金屬3d打印粉末材料廠商都在這裏（lǐ）

 

 

3D打（dǎ）印（yìn）技術是一種（zhǒng）新型（xíng）的（de）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（suàn）機圖形數據中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產（chǎn）品的研製（zhì）周期，提高生產率和降低生產成本。3D打印金屬粉末作為金（jīn）屬（shǔ）零件3D打印（yìn）最重要的（de）原材料，其製（zhì）備方法備受人們關（guān）注 ，3D打印金屬粉末作為金屬零件3D打印產業鏈 最重要的一環，也是最大的價值所在。

 

在“2013年世界3D打印技術產業大會”上，世界3D打印行業的權威專家對3D打印金（jīn）屬粉末給予明確定（dìng）義，即指尺寸小於1mm的金屬顆粒群。包括單一金屬粉末、合金粉末以及具（jù）有金屬性質的某些難熔化合物粉末。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（tóng）合金、鈦合金和鎳鋁（lǚ）合金等。但是（shì）3D打印金屬粉末除需具備良好的可塑性外，還必（bì）須滿足（zú）粉末（mò）粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和鬆裝密（mì）度高（gāo）等要求（qiú）。 為了進一步證明3D打印金屬粉末對產品的（de）影響。

 

采用選擇性激光燒結法（fǎ）（SLS法）打印兩（liǎng）種不同的不（bú）鏽鋼粉末，發現製備（bèi）出的產品存在明顯差異。德國（guó）某廠家的不鏽鋼粉（fěn）末打印樣品（pǐn）表麵光澤（zé）、收縮率小、不（bú）易變形、力學性能穩（wěn）定。而國內某廠家的（de）不鏽鋼粉末的打印樣（yàng）品則遠遠不及前（qián）者。為此，對兩種不同的不鏽鋼粉末（mò）進行的微觀形貌分析。

 

圖（tú）1為德國（guó）某廠家不鏽鋼粉末的微觀結構，從圖中我們（men）可（kě）以（yǐ）看出，粉末顆粒球形度好，顆粒尺寸分（fèn）布在11.2~63.6μm範圍內（nèi）。圖2為國內某廠家的不鏽鋼粉末的微觀結構，可（kě）以看（kàn）出，其顆粒為不規（guī）則塊狀，尺寸較小。 通過上述研究表明，3D打印耗材（cái）金屬粉末需（xū）滿（mǎn）足粒徑細小、粒（lì）度分布窄、球形度高、流（liú）動性好和鬆（sōng）裝（zhuāng）密度高。因此，為了（le）得到所需優異性能的3D打印（yìn）產品，必須尋求一種高效的金屬粉末製備（bèi）方法。 

 

 

2.金屬粉末的製備工（gōng）藝

 

目前，粉末製備方法按照製備工藝主要可分為：還原法、電解法、羰基分解法、研磨法、霧化法（fǎ）等。

 

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（duì）於合金粉末這些方法均（jun1）不適用。霧化（huà）法可以進行（háng）合金粉（fěn）末的生產，同時（shí）現代霧化（huà）工藝對粉末（mò）的形狀也能夠做出控製，不斷發展的霧化腔結構大幅提（tí）高了霧化效率，這使得霧化法逐（zhú）漸發展成為主要的粉末生產方法。霧（wù）化法滿足3D打印耗材金屬粉末的特殊要（yào）求。 霧化法是指通過機械的方法使金屬熔液粉碎成尺寸小於150μm左右的顆粒的方法。

 

按照粉碎金屬熔液的方式（shì）可以分（fèn）為（wéi）霧化法（fǎ）包括二流霧化法、離心霧化、超聲霧化、真空霧化等。這（zhè）些（xiē）霧化方法具（jù）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（yǒu）生產設備及工藝簡單、能耗低、批量大等優點，己成為金（jīn）屬粉末的主要工業化生產方法。 

 

2.1水霧化法（fǎ） 

 

在霧化製粉生產中，水霧化（huà）法是廉價（jià）的生產方法之一。因為霧化介（jiè）質水不但成本低廉容易獲取，而且在霧（wù）化效率方而表現（xiàn）出色。目前，國內水霧化法主 要（yào）用來生產鋼鐵（tiě）粉末、金剛石工具用胎體粉末、含油軸承用預（yù）合金粉末、硬麵技術用粉（fěn）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（de）金屬熔滴（dī）由於（yú）凝固過快而變成不規則狀，使粉末的球形度（dù）受到影響。

 

另外一些具有高活性的金屬或者合金，與（yǔ）水接觸會發（fā）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（yǎng）含量。這些問題限製了水霧化法（fǎ）在製備球形度高、氧含量低的金屬粉末的應用。但是，金川（chuān）集（jí）團股（gǔ）份有限公司發明了一種水（shuǐ）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霧化噴（pēn）嘴，進行二次霧化（huà）。該發明得到的粉末不僅球形度接近氣霧化效果，而且粉末粒度比一次（cì）水霧化更細。

 

2.2氣霧化（huà）法

 

氣霧化法是生產金屬及（jí）合金粉末的主要方法之 一。氣霧化的（de）基本原理是用高速氣（qì）流（liú）將液態（tài）金屬流破碎成小液滴並凝固成粉末的（de）過程。由於其製備的粉末具有純度高（gāo）、氧含量低、粉末粒度可控、生產成本低以及球形度高等優點，已成（chéng）為高性（xìng）能及（jí）特種合金粉末製備技術的主要發（fā）展方向。但是，氣霧化法（fǎ）也存在不足，高（gāo）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（yú）水霧（wù）化，這使得氣（qì）霧化粉（fěn）末的霧化效率較低，從而增加了霧化粉末的製備成本（běn）。

 

目前，具有代表性（xìng）的幾種氣霧化製粉技（jì）術氣（qì）霧化如下： 

 

2.2.1層流霧化技術 

 

層流霧化技術是由（yóu）德國Nanoval公司等提出，該（gāi）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高（gāo），粉末粒度分布窄，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，粉末平均粒度達到10μm。該工藝的另一個優點是氣體消耗量低，經（jīng）濟效益顯著，並且適用於大多數金（jīn）屬粉末的生產。缺點是技術控（kòng）製難（nán）度大，霧化過程不穩定，產量小（金屬質量（liàng）流率小於（yú）1kg/min），不利於工（gōng）業化生產。Nanoval公（gōng）司正致（zhì）力於這（zhè）些問題的（de）解決。

 

2.2.2超聲緊耦合霧化技術（shù） 

 

超聲緊（jǐn）耦合霧化技（jì）術是由英國PSI公司提（tí）出。該（gāi）技術對緊耦合環縫式噴嘴進行（háng）結構優化，使氣流的出口速度超過聲（shēng）速，並且增加金屬的質量流率。圖（tú） 4為典（diǎn）型的緊藕合霧化噴嘴結構圖-Unal霧化噴嘴。 在霧化（huà）高表（biǎo）麵能（néng）的（de）金屬如不鏽鋼時，粉末平均粒度可達20μm左右，粉末（mò）的標（biāo）準偏差最（zuì）低可以降至1.5μm。

 

該技術的另一大優點是大大提高了粉末的冷卻速度，可以生（shēng）產快冷或非晶結的粉末。從當前的發展來看，該項技術設備代表了緊耦合（hé）霧化技術的新的（de）發展方向，且具有工業實用（yòng）意義，可以（yǐ）廣泛應用於（yú）微細不鏽鋼、鐵合金、鎳合金、銅（tóng）合金、磁性材料、儲氫（qīng）材料等合金（jīn）粉末（mò）的生產。

 

2.2.3熱氣體霧化（huà）法 

 

近年來，英國的PSI公司和美國的HJF公司分別對熱氣體霧化的（de）作用及（jí）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（hé）金和金合金，得出粉（fěn）末的（de）平均粒徑（jìng）和標準偏差均隨溫度升高而（ér）降低。與傳統的霧化技術（shù）相比，熱氣（qì）體霧化技術可以提高霧化效率，降低氣體消耗（hào）量，易（yì）於在傳統的霧化設備上（shàng）實（shí）現該工藝，是一項具有應用前景的技術。但是，熱氣體霧（wù）化技術受（shòu）到氣體加熱係統和噴嘴的限（xiàn）製，僅有（yǒu）少數幾家研究機構進（jìn）行研究。

 

2.3國內3D打印金屬粉末的霧（wù）化工藝 

 

目（mù）前，我國河南黃河旋風股（gǔ）份有限公司已經（jīng）開始進入3D打印金（jīn）屬粉末研發。其所用的粉末製（zhì）備工藝如真空霧化製粉、超（chāo）高壓水霧（wù）化製粉、惰性氣體緊耦合霧化（huà）製粉技術。下麵著重介（jiè）紹（shào）前（qián）兩種霧化（huà）技術。

 

2.3.1真空霧化製粉 

 

真空霧化製粉是（shì）指在真空條件下（xià）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（pò）碎成大量細小的液滴，液滴在飛行中凝固成球形或是亞球（qiú）形顆粒。真空霧化製粉可以製備大多數（shù）不能采用在空氣（qì）中和水霧化方法製造的金屬及其合金粉末，可得到球（qiú）形或亞球形粉末。由於（yú）凝（níng）固快克服（fú）了（le）偏析現象，可以製取許多（duō）特殊合金粉末。采用（yòng）合適的工藝，可以使（shǐ）粉末粒度達到一（yī）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）超高壓霧化噴嘴製備金（jīn）屬 粉末的（de）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（zuǐ）。超高壓霧化噴嘴的特點是可（kě）以在較低的氣壓下產生更高的超（chāo）音速氣流和均勻的氣體（tǐ）速度場，從（cóng）而更加有效抑（yì）製有害（hài）激波的產生，明顯增加（jiā）氣體的動能（néng），使霧（wù）化效率更高。該噴嘴（zuǐ）在較低的氣（qì）壓下產生與高壓霧化噴（pēn）嘴相同的霧化效果，而且氣流速度（dù）更加穩定和均勻（yún）。同時，製得的粉末粒徑小、分布窄。 

 

我國3D打（dǎ）印金屬粉末現狀

 

近年來，我國積（jī）極探索3D打印金屬粉末製（zhì）備技術，初步取得成效（xiào）。自20世紀90年代初以來，清華大學、西安交通大學、華中科技（jì）大（dà）學、華南理工大學、北京航空航天大學、西北工業大學等高校，在3D打印材料技術方麵，開展了積極（jí）的探索，已有部分技術處於世界（jiè）先進水平。

 

同時，除了高校（xiào），中（zhōng）國出現了一批金屬（shǔ）3D打印粉末材料的生產企業，例如北京中航邁特、無錫飛（fēi）爾康、西（xī）安賽隆、廣州納聯、河南黃河旋風等，影響著中國的金屬3D打印（yìn）事業。

 

同時，在常規的金屬粉末霧化噴嘴中，金屬粉（fěn）末的（de）形成是靠氣流對金屬液流的擾動和衝擊使其破碎成粉（fěn）末，由於氣流的擾動具（jù）有統計特征，粉末的粒度分布較（jiào）寬，同時（shí）在所有的霧化技術（shù）中（zhōng），不（bú）管噴嘴的結構如何，氣流在作用於液流（liú）前的（de）飛行中不斷膨脹，速度減小，導致霧化氣體能量損失較（jiào）大，影響了霧化效率。因此，這為3D打印技（jì）術帶來挑戰的同時，也帶來了商機。3D打印技（jì）術作為“增材製造”的主要實現形式，節約成本、減少燃料消耗，必將成為最具潛力發展的產業。