3D打印金屬粉末製備技（jì）術及（jí）現狀（zhuàng）
點擊量：553 發布時間：2017-02-14 作者：快猫视频APP下载安装（上海）增材製（zhì）造技術（shù）有限公司（sī）
3D打印技術是一種新型的打印技術，其突出優（yōu）點在於無需機械（xiè）加工或任何模具，就能直接從（cóng）計算機圖形（xíng）數據中生成任何形狀的零件（jiàn），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零件3D打印最重要的原材料，其製備方法備受人們關注 ，3D打印金屬粉末作為金屬（shǔ）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打印金屬粉末給予明確定義，即指尺寸小於1mm的金屬顆粒群（qún）。包括單一金（jīn）屬粉末、合金粉末以及具有（yǒu）金屬性質的某些難熔（róng）化合物粉末。目前，3D打（dǎ）印金屬粉末材料（liào）包括鈷鉻（gè）合金、不（bú）鏽鋼、工業鋼、青銅合金、鈦合金（jīn）和鎳鋁合金等。但是3D打印金屬粉末除需具備良好的可塑性外，還必須滿足粉末粒（lì）徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和鬆裝密度高等要求（qiú）。 為了進一步證明3D打印金屬（shǔ）粉末對產（chǎn）品的影（yǐng）響（xiǎng）。
采用選擇性激光（guāng）燒結（jié）法(SLS法)打印兩種不同的（de）不鏽鋼粉末，發現製備出的產品存在明顯差異。德國某廠家的不鏽鋼粉末打（dǎ）印樣品（pǐn）表麵光澤（zé）、收縮率小、不易變形、力學性能穩定。而國內某廠家的不鏽鋼粉（fěn）末的打印樣品則遠遠不及前者。為（wéi）此，對兩種不同的不鏽鋼粉末進行（háng）的微觀形貌分析。
圖1為德國某廠家不（bú）鏽鋼粉末的微觀結構，從圖中我（wǒ）們可以看出，粉末顆粒球形度好，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末的微觀結構，可以看出，其顆粒為不規則塊狀，尺寸較小（xiǎo）。 通過上述研究表明，3D打印（yìn）耗材金屬（shǔ）粉末需滿足粒（lì）徑細小、粒度分布窄、球形度高、流動性好和（hé）鬆（sōng）裝密度（dù）高。因此，為了得到所（suǒ）需優異性能的3D打印產品，必（bì）須（xū）尋求一種高效的金屬粉末製備方（fāng）法。
2.金屬粉末的（de）製備工藝
目前，粉末製備方（fāng）法按照製備工藝（yì）主要可分為：還原法、電解法、羰基分解法、研磨法、霧化法等。
其中，以還（hái）原（yuán）法、電解（jiě）法和霧化法生（shēng）產的粉末作為原料應用到粉末冶金工業的較為普遍。但電（diàn）解法和還原法僅限於單質金屬粉（fěn）末的生產，而對於（yú）合金粉末這些方法（fǎ）均不適用。霧化法可以進行合（hé）金（jīn）粉（fěn）末的生產，同（tóng）時現代霧化工藝對粉末的（de）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率，這使得霧化法逐漸發展成（chéng）為主要的粉末生產方法。霧化（huà）法滿足3D打印耗材金屬粉末的特殊要求（qiú）。 霧化法是（shì）指通過機械的方法使金（jīn）屬熔液粉碎成尺寸小於150μm左右的顆粒的（de）方法。
按照粉碎金屬熔（róng）液的方式可以分為霧化法包括二流（liú）霧（wù）化法、離心霧化、超聲霧化、真空霧（wù）化等。這些霧（wù）化方法具有各自特點，且都已成功（gōng）應用於工（gōng）業生（shēng）產。其中水氣霧化法具有（yǒu）生產設備及工藝簡單（dān）、能耗低、批（pī）量大（dà）等優點，己成為金屬粉末的主要工業化生（shēng）產方法。
2.1水（shuǐ）霧化法
在霧化製粉生產中，水霧化法是廉價的（de）生（shēng）產方法之一。因為霧化介質水不（bú）但（dàn）成本低廉容易（yì）獲取，而且在霧化效率方（fāng）而（ér）表現出色。目前，國（guó）內水霧化法主 要用來生產鋼鐵粉末、金剛石工具用胎體粉末、含（hán）油軸承用預合金粉末、硬麵技術用（yòng）粉末以及（jí）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（yǐ）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，使粉末的球形度受到影響。
另外一些具有高活性的金屬或者合金，與水接觸會發生反應，同時（shí）由於霧化過程中與水的（de）接觸，會提高粉（fěn）末的氧含量。這些問題限製了水霧化法（fǎ）在製備球形度高（gāo）、氧含量低（dī）的（de）金屬粉末的應用。但是，金（jīn）川集團股份有限（xiàn）公司（sī）發明了一種水霧化製備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嘴（zuǐ），進行二次霧化。該（gāi）發明得到的粉末不僅球形度接近氣（qì）霧化效果，而且（qiě）粉末粒度比一（yī）次水霧化更細。
2.2氣霧化法
氣霧化法是生產金屬及合金粉末的主要方法之 一。氣霧化（huà）的基本原理是用高速氣流將液態金屬流（liú）破碎（suì）成小（xiǎo）液滴並凝固成粉末的過程。由於其製備的粉末具有純度高、氧含量低、粉末粒度（dù）可控（kòng）、生產成本低以及球形度高等優點，已成為高性（xìng）能及特種合金粉末（mò）製備技術的主要發展（zhǎn）方向。但是，氣霧化法也存在不足，高壓氣（qì）流的能量遠小於（yú）高壓水流的能量，所（suǒ）以氣（qì）霧化對金屬熔體的破碎效率低於水霧化，這使得氣霧化粉末的霧化效率較低，從而增加了霧化粉末的（de）製備成本。
目前，具有代表性的幾種氣霧（wù）化製粉技術氣霧化如下：
2.2.1層流霧化技術
層流霧化技術（shù）是由德（dé）國Nanoval公司等提出，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（hòu）的（de）霧化噴嘴霧化效率高（gāo），粉末粒度分（fèn）布窄，冷卻速度達106～107K/s。在2.0MPa的霧化壓（yā）力下，以Ar或N2為介質霧化銅、鋁、316L不鏽鋼（gāng）等，粉末平（píng）均粒度（dù）達（dá）到10μm。該工藝的另（lìng）一個優點是氣體消耗量低，經濟效益顯著，並（bìng）且適用於大多數金屬粉末的生產。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1kg/min)，不利於（yú）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（huà）技術
超聲緊耦（ǒu）合霧化技術是由英（yīng）國PSI公司提出。該技術對緊（jǐn）耦合環縫式噴（pēn）嘴進行結構優化，使氣流的出口速度超過聲速，並且增加金屬的質量流（liú）率。圖 4為典型的緊藕合霧（wù）化噴嘴結構圖-Unal霧（wù）化噴嘴。在（zài）霧化（huà）高表麵能的（de）金屬如不鏽鋼時，粉末平（píng）均粒度可達20μm左右，粉末的標準偏差最低可以降至1.5μm。
該技術的另一大優點（diǎn）是大大提高了粉末的冷卻速度，可以（yǐ）生產快冷或非晶結的粉末。從（cóng）當前的發展來看，該項技術設備（bèi）代表了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生產。
2.2.3熱氣體霧化法（fǎ）
近年來，英國的PSI公司和美國的HJF公司分別對熱氣（qì）體霧化的（de）作用及機理進行了大量的研（yán）究。 HJF公司在1.72MPa壓力下，將氣體加熱至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隨溫度升高而降低（dī）。與傳統（tǒng）的霧化（huà）技（jì）術相比，熱氣體霧化技術可以提高霧（wù）化效率，降低氣體（tǐ）消耗量，易（yì）於在傳統（tǒng）的霧化設備上實現該工藝，是一項（xiàng）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，僅有少數幾（jǐ）家研究（jiū）機構進行研究。
2.3國內（nèi）3D打印金屬粉末（mò）的霧化工藝
2.3.1真空霧化製粉
真（zhēn）空霧化製粉是指在真空條件下熔煉金屬或金屬合（hé）金，在氣體保（bǎo）護的條件下，高壓氣（qì）流將金屬液體霧（wù）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球（qiú）形顆粒。真空霧化製粉可以製備大多（duō）數不能采用在（zài）空氣中和水霧化方法製造的金屬及其合（hé）金粉末（mò），可得到球形或亞球（qiú）形粉末。由於凝固快克服了偏析現象，可以製取許多特（tè）殊合金粉末。采用合適的工藝，可（kě）以使粉末粒度達到一個（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）超高壓（yā）霧化噴嘴製備金屬 粉末的一種方法。圖（tú）5(a)為高壓霧化噴嘴，圖（tú）5(b)為超高壓霧化噴嘴。超高壓霧化噴（pēn）嘴的特點是可以在較低的氣壓下產（chǎn）生更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，明顯增加氣體（tǐ）的動能，使（shǐ）霧化效率更高。該噴嘴在較低（dī）的氣壓下產生與高（gāo）壓霧化噴嘴相（xiàng）同的霧化效果，而且氣流速度（dù）更（gèng）加穩定和均勻。同時，製得的粉末粒徑小、分布窄。
我國3D打印金屬粉末現狀（zhuàng）
近（jìn）年來，我（wǒ）國積極探索3D打（dǎ）印（yìn）金屬粉末製備技術，初步取得成效。自20世紀90年代初以來，清華大學、西安交通大學、華中科技大學、華南理工（gōng）大學、北京航空航天大學（xué）、西北工業大學等高（gāo）校，在3D打印材料技術方麵，開（kāi）展了積極的（de）探索（suǒ），已（yǐ）有部分技術處（chù）於世界先進（jìn）水平。中航邁特粉冶科技已經開始進入3D打印（yìn）金屬粉末研發。擁有多套國內領先水平的霧化製粉設備，工藝涵蓋真空氣霧化製粉、電極感應氣霧化製粉，將為中國的3D打印事業貢獻一份力量。
目前，我國3D打印金屬粉末仍存在如下4個問題：
1.缺乏宏觀規劃和引導、
2.對技術（shù）研發投入不足、
3.產業鏈缺乏統籌發展、
4.缺（quē）乏教育培（péi）訓和社會推廣。
同時，在常規的金屬粉末霧化噴嘴中（zhōng），金（jīn）屬粉末的形（xíng）成是（shì）靠（kào）氣流對金屬液流的擾動和衝擊使其破碎成粉末，由於氣流的擾動具有統計特征，粉末的粒度分布較寬，同時在所有的霧化技術（shù）中，不管噴嘴的結構如（rú）何，氣流在作用於液流前的飛（fēi）行中不斷膨脹，速度減小，導（dǎo）致霧化氣（qì）體能量（liàng）損失較大，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（le）商機。3D打印技術作為“增材製造”的主要實（shí）現形式，節約成本、減少燃料消耗，必將成為最具潛力發（fā）展的產業。
根據獨立市場研（yán）究公司MarketsandMarkets在2015年年底發表的報告（gào）,全球金屬粉末（mò）供應（yīng）的5大公司分別是Sandvik，Carpenter，GKN，Arcam，LPW Technology。3D打印粉末市場預計在未來（lái）幾年會顯（xiǎn）著（zhe）增長，其中，金屬（shǔ）粉末被報道是目前3D打印粉（fěn）末中最主要的。Carpenter目前作為全球3D打印粉末市場中最強大的公司之一，並且肯定是美國的領先公司。根據（jù）報告，北美是目前市場上最主要的地區，預計在未（wèi）來幾年將繼續保持領先地位。
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