金（jīn）屬3D打印機火了之後，金屬3D打（dǎ）印粉末（mò）材料也跟著開始火（huǒ）了，市（shì）場研究公司IDTechEx公布2016年3D打印金屬粉末（mò）市場達（dá）到了2.5億美金，高於（yú）預測（cè）。而3D打（dǎ）印金屬粉末市場將保持高增長的態勢，IDTechEx預測到（dào）2025年達（dá）到50億美（měi）金的市場規模，年複合增長率39.5%。

 

      下麵為大家（jiā）主要介紹一下目（mù）前國（guó）內外（wài）3D打印（yìn）金屬粉末的製備工藝——氣霧化技術（shù）的最新進展。

 

  　金屬3D打印技術是一種新（xīn）型的打印技術（shù），其突出優點在於無需機械加工或（huò）任何模具，就能直接從計算（suàn）機圖形（xíng）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（gāo）效率降低生產（chǎn）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（men）關注。

   　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（shǔ）粉末給予明確定義，即指尺寸小於1mm的金屬顆粒群。包括單一金屬粉末、合金粉末以及具有金（jīn）屬性質（zhì）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（bú）鏽鋼、工業鋼、青銅（tóng）合金、鈦合金和鎳鋁合金等。但是（shì）3D打印金屬粉末除需具備良好的可塑性外，還必須滿足粉末（mò）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（děng）要（yào）求。 

   　為了進一（yī）步證明3D打（dǎ）印金屬粉末對產品的影響，采用選擇性激光燒結法（SLS法）打印兩種不同的不鏽鋼粉（fěn）末，發現製備出的產品存在明顯差（chà）異。德國某廠家（jiā）的不鏽鋼粉（fěn）末打（dǎ）印樣品表麵光澤、收（shōu）縮（suō）率小、不易變形、力學性能穩定。而國內某廠家的不鏽（xiù）鋼粉末（mò）的打印樣品則遠遠不及前者。以下為對兩種不同的不鏽（xiù）鋼粉末進行的微觀形貌分析。

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　　為德國某廠家不鏽鋼粉末的微（wēi）觀結構，從（cóng）圖中我們（men）可（kě）以看出，粉末顆粒球形（xíng）度好，顆粒尺寸分布在11.2~63.6μm範圍內。圖2為國內（nèi）某廠家的不鏽鋼（gāng）粉末（mò）的微（wēi）觀結構，可（kě）以看（kàn）出，其（qí）顆粒為不規則塊狀，尺寸較（jiào）小。 通（tōng）過上述研究表明，3D打印耗材金屬粉末需滿足粒（lì）徑細小、粒度分布窄、球形度高、流（liú）動性好和（hé）鬆（sōng）裝密度高。因此，為了得（dé）到所需優異性能的（de）3D打印產品，必須尋求一種高效的金屬粉末製備方法（fǎ）。

 

　　目前，粉末（mò）製備方法（fǎ）按照製備（bèi）工藝主要可分為：還（hái）原法、電（diàn）解法、羰基分解法、研磨法、霧化（huà）法等。

　　其中，以（yǐ）還（hái）原法（fǎ）、電解法和（hé）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（xiàn）於單質金屬粉末的生產，而（ér）對於合金粉末這些方法均不適用。霧化法可以進行（háng）合金粉末的生產，同時現代霧化工藝對粉末的形狀（zhuàng）也能夠做出控製，不斷發展的霧化（huà）腔結構大幅提高了霧化效率，這使得霧化法逐漸發展成為主要的粉末生（shēng）產方法。 霧化法（fǎ）是指通過機械的方法使金（jīn）屬（shǔ）熔液粉碎成（chéng）尺（chǐ）寸小於150μm左右的顆粒的方法。

 

      按照（zhào）粉碎金屬熔液的方式可以分為（wéi）霧化法包括二流（liú）霧化法、離心霧化、超聲霧化、真空霧化等。這些霧化方法具有各自特點（diǎn），且都已成功應用（yòng）於（yú）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（pī）量大（dà）等優點，己成為（wéi）金屬（shǔ）粉末的主要工業化生產方法。

       水霧化法（fǎ）

　   在霧化製粉生產中，水霧化法是廉價的生產方（fāng）法（fǎ）之（zhī）一。因為霧化介質水不但成本低廉容易獲取，而且（qiě）在霧化效率方而表現出色。目前，國內水霧化法主要用來生產鋼（gāng）鐵粉末、金剛石工（gōng）具用胎體粉末、含（hán）油軸承用預合金粉末、硬麵技術用粉末以及鐵基、鎳基（jī）磁性粉（fěn）末等。然而由於水（shuǐ）的（de）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，使粉末的球形度受到影響。

 　另外一些具有高活（huó）性的（de）金屬或者合金（jīn），與水接觸會發生反（fǎn）應，同時由於霧化過程中（zhōng）與水的接（jiē）觸，會提高粉末的氧（yǎng）含量。這些問題限製了水霧化（huà）法在製備球（qiú）形度高（gāo）、氧含量低的金屬粉（fěn）末的應用。但（dàn）是，金川集團股份有限公（gōng）司發明了一種水霧化製備球形金屬粉末的方法（fǎ），其采用在水霧化噴嘴下方處再設置一個二次冷水（shuǐ）霧化噴嘴，進行二次霧化。該發明得到的粉末不僅球形度接近氣霧化效果，而且（qiě）粉末粒度比一（yī）次水霧化更細。

　　氣霧化法

　　氣霧化法是生產金屬及合（hé）金粉末的主要方（fāng）法之一。氣霧化的基本原理是用高速（sù）氣流將液態金屬流破碎成小液滴並凝固成粉末的過程。由於其製（zhì）備的粉末具有純度高、氧含量低、粉末粒度（dù）可控、生產（chǎn）成本低以及球形度（dù）高等優點，已成為高性能及特種合金粉末製備技術的主要（yào）發展方向。但（dàn）是，氣霧化法也（yě）存在不足，高壓氣（qì）流的能量遠小於高壓水流的能量（liàng），所以氣霧（wù）化對金屬熔體的破碎效率低於水霧化，這（zhè）使得（dé）氣霧化粉末的霧化效率較（jiào）低，從而（ér）增加了霧化（huà）粉末的製備（bèi）成本。

 

      目前，具有代表性（xìng）的幾種氣霧化製粉技術（shù）氣霧化（huà）如下：

　  層流霧化技術

 

　　層流霧（wù）化技術是由德國Nanoval公（gōng）司提出，該技術對常規噴嘴進行了重大改進。改進後（hòu）的霧化噴嘴霧化效率高，粉末粒度分布窄，冷卻（què）速度達106～107K/s。在2.0MPa的（de）霧化壓力（lì）下，以Ar或N2為（wéi）介質霧化（huà）銅、鋁、316L不（bú）鏽鋼（gāng）等，粉末平均粒（lì）度達到（dào）10μm。該工藝的另一個優點是氣體消耗量（liàng）低，經（jīng）濟（jì）效益顯著（zhe），並且適用於大多數金屬粉末的生產。缺點是技術控製難（nán）度大，霧化過程不穩定（dìng），產量小（xiǎo）（金屬質（zhì）量流率小於1kg/min），不利於工業化生產。

  　 超聲緊耦合霧化技術

   　超聲緊耦合霧化技（jì）術是（shì）由英國PSI公司提出。該（gāi）技術對緊耦合環縫式噴嘴進行結構優化，使氣流的出口速度超過（guò）聲速，並且增加金屬的質量流率。在霧化高表麵能的金屬如不鏽鋼（gāng）時，粉末平均粒度可達（dá）20μm左右，粉末的標準偏差最低可（kě）以降至（zhì）1.5μm。

 

 

       該技術的另一大優點是大大提高了粉末的冷卻速度，可以生產快冷或非晶結的粉末。從當前的（de）發展來（lái）看，該項技術設備代表了緊耦合霧化（huà）技術的新的發展方向，且具（jù）有工業實用意義，可以廣泛（fàn）應用於微細不鏽鋼、鐵合金、鎳合金、銅（tóng）合金、磁性材料、儲氫材料（liào）等合金粉末的生產。

  　 熱氣體霧化法

   　近年來，英國的PSI公司和（hé）美國的HJF公司（sī）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℃ 霧化銀合金和金合金，得出粉末的平均粒徑和標準偏差均隨溫（wēn）度（dù）升高而降低。與傳統的霧化技術相（xiàng）比，熱（rè）氣體霧化技術可以提高霧化效率，降低氣體消耗量，易於在傳統的（de）霧化設備上（shàng）實現該工藝（yì），是一項具有應用前景的技術。但是，熱氣體霧化技（jì）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。

       國內3D打印（yìn）金屬粉末的霧化工（gōng）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（jīn）屬粉末研發。其所用的粉末製備工藝如真空霧化製（zhì）粉、超（chāo）高壓水霧化製粉、惰性氣體緊耦合霧化製粉技（jì）術。下麵著重（chóng）介紹前兩種霧化技術。

      真空霧化製粉

  　真空霧化製粉是（shì）指在真空條件下熔煉金屬或金屬合金，在氣體保護的條件（jiàn）下（xià），高壓氣流將金屬（shǔ）液體霧化破碎成大量細小的液滴（dī），液滴在飛行中（zhōng）凝固成球形或是亞球形顆粒。真空霧化製粉可以製備（bèi）大多數不能采用在空氣中和水霧化方法製造的金屬及（jí）其合金粉末，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（tè）殊合（hé）金粉末。采用合適的工藝，可以使（shǐ）粉末粒（lì）度達到一個要求的（de）範圍。