金属粉末材料制备工艺研究现状

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摘 要: 增材制造( 3D 打印) 该技术是一种从计算机图形数据中快速成型的技术，无需机械加工或任何模具 直接生成任何形状的零件，大大缩短了产品的研发周期，可以制造传统方法难以生产的零件 提高生产效率。金属粉末用作金属粉末。 3D 印刷设备的原材料对成型零件的质量影响很大，其制备方法备受关注。本文主要介绍国内外 3D 印刷金属粉的种类及其制备工艺、雾化技术的更新进展等。 

关键词: 增材制造; 3D 打印; 金属粉末; 真空雾化； 雾化技术

0 引言

随着航空、航空航天、船舶等领域的快速发展，大型高性能复杂结构件的制造已成为该领域亟待解决的问题。传统的熔铸、塑料加工方法不仅设备投资大、生产周期长、能耗高，而且材料利用率低。零件的结构也受到加工技术的限制，不能满足设备对材料性能的要求。添加剂制造技术( Additive manufaeturing，AM) ，又称3D 与传统的减料制造

1 增材制造专用金属粉末材料

3D 印刷金属粉作为金属零件3D 印刷产业链更重要的部分也是更大的价值。目前，3D不锈钢、模具钢、镍合金、钛合金、钴铬合金、铝合金、青铜合金等。

铁基合金是工程技术中更重要、更大的金属材料，因此铁基粉末SLM 成型是研究更广泛、更深入的合金类型。主要有316L 不锈钢，304不锈钢，18Ni300 模具钢

镍基合金具有良好的抗氧化、耐腐蚀和机械性能，广泛应用于航空、航天、船舶、石化等领域。SLM 该技术在制备镍基合金的发动机零件方面具有良好的应用前景。

钛合金具有优异的强度和韧性。结合耐腐蚀性、比例低、生物相容性，理想应用于航空航天和汽车竞争中的许多高性能工程，也用于生产强度高、模量低、耐疲劳性强的生物医学植入物。

CoCr 合金强度高，耐腐蚀性好，生物相容性好，无磁性。耐磨性高，生物相容性好，无镍( 镍含量＜ 0．1%) 常用于合金人工关节、膝关节、髋关节等手术植入物。也可用于发动机部件、风力涡轮机等工业部件。

铝合金是工业上应用更广泛的有色金属结构材料，密度低，比强度高，接近或超过优质钢，塑性好。铝合金对激光的吸收率低，表面容易形成致密的氧化膜，增加铝合金SLM 应用技术难度。

铜合金具有优异的导热性和导电性。导热性好的铜可以结合设计自由产生复杂的内部结构和随形冷却通道。激光铜合金加工( LAAM) 这是一项具有挑战性的技术。铜的高导热性和高激光反射率会消耗大量的能力，因此需要高激光功率。

在成型过程中，金属粉末的粒度应合适，粉末过细，激光容易气化，对熔池形成反向力，导致熔体飞溅； 过薄的粉末也容易在固态下团聚，影响粉末铺设过程中的均匀性。粉末粒度过大，难以控制粉末铺设厚度的均匀性，影响激光扫描的稳定性。一些学者表明，平均粒度为25um ～ 35um 可获得高密度零件。

粉末的粒度分布决定了松散的密度，适当的粒度分布可以大大提高松散的密度。松散密度高，激光同时熔化，金属液体充足，液体补充充充足，形成连续的熔池，避免凝固过程中的球化。在提高松散密度的前提下，粉末厚度差过大，不同粉末粒径的比表面积差增加，使大颗粒不能完全熔化，降低产品密度3。

粉末的形状也影响铺粉的均匀性和松散密度SLM 从技术上讲，粉末形状可分为球形粉末和非球形粉末两类。球形粉末易于流动，有利于均匀铺设。虽然非球形粉末可以在一定范围内提高松散密度，但通过合理调整球形粉末的粒度比也可以达到良好的丰富效果。

不同材料的理化差异导致并非所有材料都能顺利进行SLM 形成的根本原因。金属导热性过高，冷却速度过快，液滴表面张力迅速增加，在表面张力作用下容易球化。此外，粉末表面对激光的吸收率决定了粉末吸收能量的效率，粉末熔点决定了激光熔化的难度。激光束的能量分布一般为高斯分布，中心能量高，边缘能量相对较低，在熔池中形成较大的温度梯度。熔点与沸点之间的温差应有足够的范围来满足温度梯度，以避免金属粉末不熔化或气化缺陷。

2 金属粉末制备工艺

气雾化技术制备的粉末具有粒度小、球形高、氧含量低、冷凝速度快等优点。它是目前生产高性能金属粉末的主要方法。气雾化粉约占世界粉末总产量的30% ～ 50%。获得所需性能优异的3D 要打印产品，必须寻求高效的金属粉制备方法。

2．1 真空气雾化

真空雾化制粉技术( VIGA) 是指在真空条件下熔化金属材料，在气体保护条件下，高压气流将金属液体雾化成大量小液滴，液滴凝固成球形或近球形颗粒，其核心是将高速气流动能更大化为新粉末表面能，雾化介质通常是氩气或氮气等惰性气体，冷却介质是气体或液体。该技术适用于生产微型不锈钢、铁合金、镍合金、铜合金、磁性材料等合金粉末，为3D打印金属粉末制备的主流方法。图1 为真空气雾化法制备金属粉末的工艺流程。

随着现代工业的不断发展，对粉末性能的要求越来越高，层流雾化技术、超声紧耦合雾化技术和热气雾化技术也越来越成熟。PSI 公司优化了紧耦合环缝喷嘴的结构，使气流出口速度超过声速。相同的气体压力和气体消耗下，气体动能显著增加，从而提高气体雾化率。Nanoval 公司4提出了层流超声雾化技术。气流和金属液流分布在层流雾化喷嘴中。金属液流在金属表面产生的剪切力和挤压力被切割成直径缩小的液滴。层流超声雾化效率高，粉末粒度分布非常窄。

2．2 熔化气雾化无坩埚

熔化气雾化无坩埚( EIGA) 起源于上世纪90年代 商业化在德国5时代更加成功ALD 公司的原理是以棒为原料，利用高频感应电源熔化金属棒下端，熔化金属液体在重力和表面张力下流入环雾化器中心孔，从环雾化器高速气流雾化金属液体，有效避免高温熔化状态下活性金属应，适用于钛合金、铝合金等高活性金属粉末的制备。 为熔化气雾化无坩埚示意图。

熔炼气雾化工艺具有以下特点：

1) 该设备采用无坩埚设计，适用于雾化制粉；

2) 由于EIGA 该系统采用无坩埚设计，能有效避免陶瓷坩埚对金属粉末的污染，大大提高粉末的纯度；

3) 使用真空惰性气体( 一般为氩) 保护雾化技术，在惰性气体保护下完成熔化和雾化过程，避免熔化活性金属与反应气体元素接触；

4) 液体中高频感应熔融金属停留时间短，缩短了熔融金属与设备中残留氧、氮、氢的反应时间，有效提高了粉末的纯度；

5) EIGA 雾化技术结合传统约束和开放式雾化的优点，可以更大限度地提高惰性气体的雾化效率，避免金属液体与雾化器的接触；

6) 结合气体加热技术，EIGA 工艺稳定性和粉批稳定性大大提高。

2．3 雾化等离子熔丝

雾化等离子熔丝工艺( Wire Plasma Atomization，WPA) 使用的原mm 加拿大是一个典型的代表国，它利用等离子电弧将金属丝雾化成金属粉末，但产量有限。

图3 其工艺具有以下特点：

1) 氩气中的氩气，保证熔化的金属丝不接触任何固体表面，从而保证产品的高纯度；

2) 使用金属丝可以保证准确的注入率，更好地控制粒径分布；

3) 该工艺首先在高温下熔化金属丝，然后在后续的冷却环节中迅速将熔体固化成高质量的球形粉末。低浓度悬浮颗粒可有效防止相关颗粒的形成。粉末流动性好。6.适用于易制丝材料。

2．4 雾化等离子旋转电极

等离子旋转电极制粉( Plasma Ｒotating Electrode Process，PＲEP) ，制粉过程中，用等离子弧连续熔化高速旋转棒，在离心力的作用下，旋转棒端面熔化的液滴飞出形成粉末。PＲEP 米格-29、米格-31、苏-27、图-204已成功应用于俄罗斯制备的金属粉 图4为等飞机7PＲEP 该工艺具有以下特点：

1) 该工艺制备的粉球形度好，粒度集中，粒度分布窄；

2) 该工艺完全保护惰性气体，熔融金属不接触任何固体界面，使粉末纯度高；

3) 由于原料棒旋转速度的限制，目前PＲEP 工艺制备的粉末较厚，适用于EBM、LMD 工艺。

各有特点： VIGA 适用面广，3D 常用的粉末材料制备方法，经济高效；PＲEP 该工艺受棒材尺寸和机械转速的限制，产粉粒径较厚； WPA 工艺生产的粉体均匀，球形好，可实现连续生产，工艺复杂，产量相对较低； EIGA 该工艺使粉末粒度分布广泛，适用于制备活性粉末。

3 结语

近年来，我国积极探索3D 印刷金属粉制备技术，国内大学和公司3D 积极探索印刷材料技术，取得初步成果。浙江亚通焊料有限公司较早进入3D 印刷金属粉研发产业化，拥有真空雾化粉、超高压水雾化粉、无坩埚感应熔化雾化粉、等离子旋转电极雾化技术等领先的雾化粉设备，致力于3D 印刷金属粉末材料的定位8。目前，国内外制粉技术仍存在差距，特别是一些核心技术限制向中国出口，中国3D 印刷金属粉末的自主化和应用仍需解决： 只有通过宏观规划和指导、持续投资技术研发、完善标准体系、产业链整体发展、教育培训和社会推广，才能促进金属3D 开发印刷技术。

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