大總結：製備3D打印金屬粉末，有（yǒu）哪些方法？
點擊量：779 發布時間：2017-02-13 作者：快猫视频APP下载安装（mài）（上海）增材製造（zào）技術有限（xiàn）公司
金屬3D打印機火了之後（hòu），金屬3D打印粉末材料也（yě）跟著開始火了。南極熊曾報（bào）道，市場研（yán）究公司IDTechEx公布2016年3D打（dǎ）印金屬粉末市場達到了2.5億（yì）美金，高於預測（cè）。而3D打印金屬粉（fěn）末市場將保（bǎo）持高增長的態勢，到2025年達（dá）到50億美金的市（shì）場規模，年複合增長率39.5%。
接下（xià）來南極熊就為大家主要（yào）介（jiè）紹（shào）一下，目前國內外3D打印金屬粉末的製備（bèi）工藝——氣霧化技術的最新進展，並對3D打印金屬粉末（mò）製備技術的現狀進行分析，提出一（yī）些意見。
在南極（jí）熊發布的《中國3D打印格局》中也對金屬粉末材（cái）料部分（fèn）廠商進行了梳理，並且南（nán）極熊之前剛剛報道了3D打印金屬粉末技術的最新成果：美國實驗室造（zào）出更優質（zhì）3D打印金屬粉末：表麵光滑，一致性好
幹貨 ：不（bú）用找了，全球金屬3d打印粉末材料廠商都在這裏
3D打印技（jì）術是一種新型的打印技術，其突出（chū）優點在於無（wú）需（xū）機械加工或任何模具（jù），就（jiù）能（néng）直接從計（jì）算機圖形數據中生（shēng）成任何形狀的零件，從而極大地縮短產品的研製周（zhōu）期，提高生產率（lǜ）和降低生產成本。3D打印金屬粉（fěn）末作為金屬零件3D打印最重（chóng）要的原材料，其製備方法備受人們關注 ，3D打印金屬（shǔ）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（de）價值所在。
在“2013年世（shì）界（jiè）3D打印技術產業（yè）大會”上，世（shì）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（zhǐ）尺寸小於1mm的金屬顆粒群。包括單一金（jīn）屬粉末、合金粉（fěn）末以及具有金屬性質的某些難熔化合物粉末。目前，3D打印金（jīn）屬粉（fěn）末材料包括鈷（gǔ）鉻合金、不鏽鋼、工業鋼、青銅合金、鈦合金和（hé）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（wài），還必須滿足粉末粒徑細小（xiǎo）、粒度分布較窄、球形度高、流動（dòng）性好和鬆裝密度高等要求。 為了進一步證明3D打印金屬粉末（mò）對產品的影響。
采用選擇性激光燒結法（SLS法）打印兩種（zhǒng）不同的不鏽鋼粉末，發現製備出的產品存在（zài）明顯差異。德國某廠家的不（bú）鏽鋼粉末打印樣品（pǐn）表麵（miàn）光澤（zé）、收縮率小（xiǎo）、不易變形、力學（xué）性能穩定。而國內某（mǒu）廠家的（de）不鏽鋼粉末（mò）的打印（yìn）樣品則遠遠不及前（qián）者。為此，對兩種不同的不鏽鋼粉末進行的微觀形貌分析。
圖1為德國某廠家不鏽鋼粉末的（de）微觀結構，從圖（tú）中我們可以看出，粉末顆粒球形度好，顆（kē）粒尺寸分（fèn）布在11.2~63.6μm範（fàn）圍（wéi）內。圖2為國內某廠家的不鏽鋼粉末的微觀結構，可（kě）以看出（chū），其顆粒為不規則塊狀（zhuàng），尺寸（cùn）較（jiào）小。 通過上述研究表明，3D打印耗材金屬粉末需滿足粒徑細小、粒度分布窄、球形度（dù）高、流動性好和鬆裝密度高。因此，為了得（dé）到所需優異性能的3D打（dǎ）印產（chǎn）品，必須尋（xún）求一種高效的金屬粉末製備方法（fǎ）。
2.金屬粉末的製備工藝
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（mó）法（fǎ）、霧化法等。
其中，以（yǐ）還原法、電解法和霧化法生產的粉末作為原料應（yīng）用到粉末冶金工業的（de）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（zhè）些方法均不適用。霧化法可以進行合金粉末的（de）生產，同時現（xiàn）代霧化工藝對粉（fěn）末的形狀也能夠做出控製，不斷發展的霧化腔結構大幅提高了（le）霧化效率，這使得霧化法逐漸發展成為主要的粉末生產方法。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（de）方法（fǎ）使金屬熔液粉碎成尺寸小於150μm左右的顆粒的方（fāng）法。
按照粉碎金屬熔（róng）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（xiē）霧化方法具（jù）有各自特點，且都（dōu）已（yǐ）成功應用於工業生產。其（qí）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（jīn）屬粉末的主（zhǔ）要（yào）工業化生產方法。
2.1水霧化法
在霧化製粉生產（chǎn）中，水霧化法是廉（lián）價的生產方法之一（yī）。因為霧化介質水（shuǐ）不但成本低廉容易獲取，而且在霧化效率方（fāng）而表現出（chū）色。目前（qián），國內水霧化法主 要用來生產鋼鐵（tiě）粉末、金剛石（shí）工具用（yòng）胎體粉末、含油軸承用預合金粉末、硬（yìng）麵（miàn）技術用粉末以及鐵基、鎳基磁性（xìng）粉末等。然而由於水的比熱容遠大於氣體，所以在霧化過（guò）程中，被破碎的金（jīn）屬熔滴由於凝固過快而變成不規（guī）則狀，使粉（fěn）末的球形度受到影響。
另外一些具有高（gāo）活性的金屬或者合金，與水接觸（chù）會發生反（fǎn）應，同時由於霧化過程中與水的接觸，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、氧含量低的（de）金屬粉末的應用。但是，金川集團（tuán）股份有限公司發明（míng）了一種水霧化製（zhì）備球形金屬粉末的方法，其采用在（zài）水霧化噴嘴下方處再設（shè）置一個二次冷水霧化噴嘴，進行二次霧化。該發明得到的粉末不僅（jǐn）球形度接近氣霧化效果，而且粉末粒度（dù）比一次水霧化更細。
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（yī）。氣霧（wù）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（chéng）。由於其製備的（de）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（gāo）等（děng）優點（diǎn），已成為（wéi）高性（xìng）能及特種合金粉末製備技術的主要發展方向。但是，氣霧化法（fǎ）也存在不足，高壓氣流的能量遠小於高壓水流的（de）能量，所以氣霧化對金屬熔體（tǐ）的破碎（suì）效率低於水霧化，這（zhè）使得氣霧化粉末的霧化效率較低，從而增加了霧化粉末的製備成本。
目前，具有代表性的幾（jǐ）種氣（qì）霧化製粉技術氣（qì）霧化如（rú）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，粉末粒度分布窄（zhǎi），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（tóng）、鋁、316L不鏽鋼等，粉末平均粒度達到10μm。該工藝的（de）另一個（gè）優點是氣體消耗量低（dī），經濟效益顯著，並且適用於大多數金（jīn）屬粉末的生產。缺點是技術控製難度（dù）大，霧化（huà）過程不穩定，產量小（金屬質量流率小於1kg/min），不（bú）利於工業化（huà）生產。Nanoval公司正致力於這些問（wèn）題的解決（jué）。
2.2.2超聲緊耦合霧化技術
超聲緊耦合霧化技術是由英（yīng）國PSI公司提出。該技術對緊耦合環（huán）縫式噴嘴進行結構優化，使氣流（liú）的出口速（sù）度（dù）超過聲速，並且增加金屬的質量流率。圖 4為典型的緊藕合霧化噴嘴結構圖-Unal霧化噴（pēn）嘴。 在霧化高表麵（miàn）能的金屬如不鏽鋼時，粉末平均粒度可（kě）達20μm左右，粉末的標準偏差最（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（mò）的冷卻速度，可（kě）以生產快冷或非晶結的粉（fěn）末。從當前的發展來看，該項技術設備代（dài）表了緊耦合霧化（huà）技術的新的發展方向，且具有工業實用（yòng）意義，可以廣泛應（yīng）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
近年（nián）來，英國（guó）的PSI公司和美國的HJF公司分別對（duì）熱氣體霧（wù）化的作用及機理進行（háng）了大量的研究。 HJF公司在1.72MPa壓（yā）力（lì）下（xià），將氣體加熱至200～400℃ 霧化銀合金和金合金，得出（chū）粉末的（de）平均粒徑和標準偏差均隨（suí）溫度升高而降低。與傳統（tǒng）的霧化技術相比，熱氣體霧化技術可以提高霧化效率，降低氣體消耗量，易於在傳統的霧化設備上實現該工藝，是一項具有應用（yòng）前景的技術。但是，熱氣（qì）體霧化技術受到氣體（tǐ）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3D打印金屬粉（fěn）末的霧化工藝
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（yìn）金屬粉（fěn）末研發。其所（suǒ）用的粉末製備工藝如真空霧（wù）化製粉、超高壓（yā）水（shuǐ）霧化製粉（fěn）、惰性氣體緊耦合（hé）霧化製粉技術。下麵著重介紹前兩種霧化技（jì）術。
2.3.1真空霧化製粉
真空霧化製粉是指在真空條件下熔煉金屬或金屬合金，在氣體保護（hù）的條件下，高壓氣流將（jiāng）金屬液體霧化破（pò）碎成大量細小的液滴，液滴在飛（fēi）行中凝固成球形或是亞球形顆粒。真（zhēn）空霧化製粉可以製備（bèi）大多數不能采用在空氣中和（hé）水霧化方法製造的金屬及（jí）其合（hé）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（duō）特殊合金粉末。采用合適的（de）工藝，可以（yǐ）使（shǐ）粉末粒（lì）度達到（dào）一個要求的範圍（wéi）。
2.3.2超高壓霧化（huà）法
超高壓（yā）霧化法是采用超高壓霧化噴嘴製備金屬 粉末的一種方法。圖5（a）為高壓霧化噴（pēn）嘴，圖5（b）為超（chāo）高壓霧化噴嘴。超高壓霧化噴嘴的特（tè）點是可以在較低的（de）氣（qì）壓下產生更高的超音速氣（qì）流（liú）和（hé）均勻的氣體速度（dù）場，從而更加有效抑製有害激波的產（chǎn）生，明顯增加氣（qì）體的動能，使霧化效率更高。該噴（pēn）嘴（zuǐ）在較低的氣壓下產（chǎn）生與高壓霧化噴嘴相同的霧化效果，而且氣流速度更加穩定和均勻。同時，製得的粉（fěn）末粒徑小、分布窄。
我國3D打印金屬粉末現狀
近年來，我國積極探索3D打印金屬粉末製備技術，初步取（qǔ）得成效（xiào）。自20世紀90年代（dài）初以（yǐ）來，清華大學、西安交通大學、華中科技大學、華南理工大（dà）學、北京航空航天大學、西北工業大學等（děng）高（gāo）校，在3D打印材料技術方麵（miàn），開展了（le）積極的探索，已有部（bù）分技術（shù）處於世界先進水平。
同時，除了高校，中國出現了一批金屬3D打印粉末材料的生產企業，例如北京中航邁（mài）特、無（wú）錫飛爾（ěr）康（kāng）、西安賽隆、廣州納聯、河南黃河旋風等，影響著中國的金屬3D打（dǎ）印事業。
同時，在常規的金屬粉末霧（wù）化噴嘴（zuǐ）中，金屬粉末的形成是靠氣流對（duì）金（jīn）屬液流（liú）的擾動和衝擊使其破碎成粉末，由於氣流的擾動（dòng）具有統計特征，粉末的粒度分布較寬，同時在所（suǒ）有的霧化（huà）技術中，不管噴嘴的結構如何，氣流在作用於液流前的（de）飛行中不斷膨（péng）脹，速度減（jiǎn）小，導（dǎo）致霧化氣體（tǐ）能量損失（shī）較大，影（yǐng）響了霧化效率。因此，這為3D打印技術帶（dài）來挑戰的同時，也（yě）帶來了商機。3D打印技術作為“增材製造”的主要實現形式，節（jiē）約成本、減少燃料消耗，必（bì）將成為最具潛力發展的產業。
