金屬3D打印機火了之後，金屬3D打印（yìn）粉末材料也（yě）跟著開始火了，市場研究公司IDTechEx公布2016年3D打印金（jīn）屬粉末市場達到（dào）了2.5億美金，高（gāo）於預測。而3D打印金屬（shǔ）粉末市場將保持高增長的態勢，IDTechEx預測到2025年達到50億美金（jīn）的市場（chǎng）規模，年複合增長率39.5%。

 

      下麵為（wéi）大（dà）家主要介紹一下目前國內外3D打（dǎ）印金（jīn）屬粉末（mò）的製（zhì）備（bèi）工（gōng）藝——氣霧化技術的最新進展。

 

  　金屬3D打（dǎ）印技術是一種新型的打印（yìn）技術，其突出優點在於無（wú）需機械加工或任何模具，就能（néng）直接從計算機圖形（xíng）數（shù）據中生成任何形狀的零件，從而（ér）極大（dà）地縮短產品的研製周（zhōu）期，提高效（xiào）率降低（dī）生產成本（běn）。3D打印金（jīn）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。

   　在“2013年世界3D打印技術產業大（dà）會”上，世界3D打印行業的權（quán）威（wēi）專（zhuān）家對3D打印金屬粉（fěn）末給（gěi）予明確（què）定義，即（jí）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屬性質的某些難熔（róng）化合物（wù）粉末。目前，3D打（dǎ）印金屬粉末材料包括（kuò）鈷鉻（gè）合金、不鏽鋼、工業（yè）鋼、青銅合金、鈦合金和鎳鋁合（hé）金等。但是3D打印金屬粉末除需具備（bèi）良好的可（kě）塑性外，還必須滿（mǎn）足粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性（xìng）好和鬆裝密度高等要求（qiú）。 

   　為了進一步（bù）證（zhèng）明3D打印金屬（shǔ）粉末對產（chǎn）品的影響，采用選（xuǎn）擇性激光燒結法（SLS法）打印兩種不同的不鏽鋼（gāng）粉末，發現製備出的產品（pǐn）存在明顯差異。德國（guó）某廠家的不鏽鋼粉末打印樣品表麵光澤（zé）、收縮率（lǜ）小、不易變形、力學性能穩定。而國內某廠家的（de）不鏽鋼粉末（mò）的打印樣品則遠遠不及前（qián）者（zhě）。以下為對兩種不同的不鏽鋼粉（fěn）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（mò）的微觀結構，從圖中我們可以看（kàn）出，粉末顆粒球形度好，顆粒尺（chǐ）寸（cùn）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（wéi）不規則塊狀，尺寸較小。 通過上述研究表明，3D打印耗材金（jīn）屬粉末需滿足粒徑細小、粒度分（fèn）布窄、球形度高、流動性好和鬆裝密度高。因此，為了得到所需優異（yì）性能的3D打印產品，必須尋求一種高效的金屬粉末製備方法。

 

　　目前，粉末製備方法按照製備工藝主要可分（fèn）為（wéi）：還原法、電（diàn）解法、羰基分解法、研磨法、霧化法等。

　　其中，以還（hái）原（yuán）法、電解法和霧化法生產的粉末作（zuò）為原料應用到粉末（mò）冶金工業的較為普遍。但（dàn）電解法和還原法僅限於單質金屬粉末的生產，而對於合金（jīn）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（xíng）狀也能夠做出控製，不斷發展（zhǎn）的霧化腔結構大幅提高了霧（wù）化效率，這使得霧（wù）化法逐漸發展成為主要的粉末生產方（fāng）法（fǎ）。 霧化法是指通過機械的方法使金屬熔液粉（fěn）碎成尺寸小於150μm左右的（de）顆粒的方（fāng）法。

 

      按照粉碎金屬熔液的方式可以分為霧化法包括二流霧化法、離（lí）心霧化、超聲霧化、真空霧化等。這些霧化方法具有各（gè）自特點，且都（dōu）已成功應用於（yú）工業生產。其中水氣霧化法具有生產設備及工藝簡單、能耗低、批量大等優點，己成為金屬粉末的主要工業（yè）化生產方法。

       水霧化法（fǎ）

　   在霧化製粉（fěn）生產中，水霧化法是廉價的生產（chǎn）方法（fǎ）之一。因為霧化介質水不（bú）但成本低廉容易獲取，而且在霧化效率方而表現出色。目前，國內水霧化法主要用來生產鋼鐵粉末、金剛石工具（jù）用胎體（tǐ）粉（fěn）末、含（hán）油軸承用預合金粉末、硬麵技術用粉末以及鐵基、鎳基磁（cí）性粉末等。然而（ér）由於水的比熱容（róng）遠大（dà）於（yú）氣體，所以在霧化過程中，被破碎的（de）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（dào）影響（xiǎng）。

 　另外一些（xiē）具有高活性的金（jīn）屬或（huò）者合（hé）金，與水接觸會發生反（fǎn）應，同時由於霧化過程中與水（shuǐ）的接觸，會提高粉末（mò）的氧含（hán）量。這些問題限製了水霧化法在製備球形度高、氧含量低（dī）的金屬粉末的應用。但是，金川集團股份有限（xiàn）公司發明了（le）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（xià）方處再（zài）設置一個二次冷水霧化噴嘴，進（jìn）行二次霧（wù）化。該發明得到的粉末不僅球（qiú）形度接近氣霧化效果，而（ér）且粉末粒度比一（yī）次水（shuǐ）霧化更細。

　　氣霧化法（fǎ）

　　氣霧化法是生產金屬及合金粉末的主要（yào）方法之一。氣霧化的（de）基（jī）本原（yuán）理是用高速氣流（liú）將液態（tài）金屬流破碎成小液滴並凝固成粉末的過程。由於其製備的粉末（mò）具有純度高、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（wéi）高性能及（jí）特種（zhǒng）合金粉末製備技術的主要發展方向。但是，氣霧化法也存在不足，高（gāo）壓氣流（liú）的能量遠小於高（gāo）壓水（shuǐ）流的能量，所以（yǐ）氣霧（wù）化對金（jīn）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（zēng）加了霧化粉末的（de）製備成本。

 

      目前，具有代表性的幾種（zhǒng）氣霧化製粉技術氣霧化如下：

　  層流霧化技術

 

　　層流霧化技術是由德國Nanoval公司（sī）提出，該技術對常規噴嘴進行了（le）重大改進。改進（jìn）後的霧化噴嘴霧化效率高，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（jun1）粒度達到10μm。該工藝的另一個優點是（shì）氣體消耗量低，經（jīng）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），不利於工業化生產。

  　 超（chāo）聲緊耦合霧化技術

   　超聲緊耦合霧化技術是由英（yīng）國（guó）PSI公司提出。該技術對緊耦合環縫（féng）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時，粉末平均粒度可達20μm左右，粉（fěn）末的（de）標準偏差最低可以降至1.5μm。

 

 

       該技術的另一大優點是（shì）大大提高了粉末的冷卻速度，可以生產快冷或非晶（jīng）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（tiě）合金（jīn）、鎳合金、銅合金、磁性（xìng）材料、儲氫材料等合金粉末的生產。

  　 熱氣體霧化法

   　近年來，英國的PSI公司和美國的HJF公司分（fèn）別對（duì）熱氣體霧化的（de）作用及機理進（jìn）行了大量（liàng）的研（yán）究（jiū）。 HJF公（gōng）司在1.72MPa壓力下，將氣體加熱至200～400℃ 霧化銀（yín）合金和金合（hé）金，得出粉末（mò）的（de）平均粒徑和標準偏（piān）差均隨溫度升高而降低。與傳統的（de）霧化技術相比，熱氣體霧化技術可以提高霧化效（xiào）率（lǜ），降低氣體消耗量，易於在（zài）傳統的霧化設備上實現（xiàn）該工藝，是一項具（jù）有應用前景的技術（shù）。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（yǒu）少數幾（jǐ）家研究機構進行研究。

       國內3D打印金（jīn）屬粉末的霧化工藝（yì）

   　目前，我國河南（nán）黃河旋風股份（fèn）有限公司（sī）已經開（kāi）始進入3D打印金屬粉末研發。其所用（yòng）的粉末製備工藝如真空霧化製粉、超高壓水霧化製粉、惰性氣體緊耦合霧化製粉技術。下麵著重介紹前兩種霧化（huà）技（jì）術。

      真空霧化製粉

  　真空（kōng）霧化製粉是指在真空條件下熔煉金屬（shǔ）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形顆粒。真空霧化製粉可以製備大多（duō）數不能采用在空氣中和水霧化方法（fǎ）製造的金屬及其合金粉末，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（xǔ）多（duō）特殊合金粉末。采用合（hé）適的工藝，可以使（shǐ）粉末（mò）粒度達到一個要求的範圍。