3D打印（金屬增材）技術粉末成型工藝簡介

3D打印金屬粉末作為金屬零件3D打印產(chǎn)業(yè)鏈*重要的一環(huán)，也是*大的價值所在。在“2013年世界3D打印技術產(chǎn)業(yè)大會”上，世界3D打印行業(yè)的權威專家對3D打印金屬粉末給予明確定義，即指尺寸小于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化合物粉末。目前，3D打印金屬粉末材料包括鈷鉻合金、不銹鋼、工業(yè)鋼、青銅合金、鈦合金和鎳鋁合金等。但是3D打印金屬粉末除需具備良好的可塑性外，還必須滿足粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求。

金屬粉末由于應用及后續(xù)成型工藝要求不同，其制備方法也是各有不同，按制備過程主要包括物理化學法和機械法兩種。在粉末冶金工業(yè)中，電解法、還原法以及霧化法等制備工藝方法應用廣泛，但需要注意的是，電解法和還原法都有著一定的局限性，不適用于合金粉末制備。當前增材制造用金屬粉末主要集中在鈦合金、高溫合金、鈷鉻合金、高強鋼和模具鋼等材料方面。為滿足增材制造裝備及工藝要求，金屬粉末必須具備較低的氧氮含量、良好的球形度、較窄的粒度分布區(qū)間和較高的松裝密度等特征。等離子旋轉電極法（PREP）、等離子霧化法（PA）、氣霧化法（GA）以及等離子球化法（PS）是當前增材制造用金屬粉末的主要制備方法，四種工藝均可制備球形或近球形金屬粉末。

1.等離子旋轉電極法（PREP）

等離子旋轉電極法PREP（Plasma Rotating Electrode-comminuting Process）是俄羅斯發(fā)展起來的一種球形粉末制備工藝。其原理如圖所示，將金屬或合金加工成棒料并利用等離子體加熱棒端，同時棒料進行高速旋轉，依靠離心力使熔化液滴細化，在惰性氣體環(huán)境中凝固并在表面張力作用下球化形成粉末；通過篩分將不同粒徑的粉末分級，經(jīng)過靜電去夾雜（僅針對高溫合金）后得到*終粉末產(chǎn)品。

PREP法適用于鈦合金、高溫合金等合金粉末的制備。該方法制備的金屬粉末球形度較高，流動性好，但粉末粒度較粗，SLM工藝用微細粒度（0-45μm）粉末收得率低，細粉成本偏高。由于粉末的粗細即液滴尺寸的大小主要依靠提高棒料的轉速或增大棒料的直徑，轉速提高必然會對設備密封、振動等提出更高的要求。

現(xiàn)階段，PREP*先進的設備及核心技術仍掌握在俄羅斯手中，國內(nèi)單位主要依賴與直接引進或者是在引進后進行吸收—消化—改進的方式掌握了部分技術，鋼鐵研究總院、北京航空材料研究院和西北有色金屬研究院早期引進了俄羅斯的PREP設備，但現(xiàn)階段設備工藝技術水平同國際先進水平有較大差距。國內(nèi)西安交通大學、中南大學等高校開展了PREP工藝技術基礎研究工作。鋼鐵研究總院和鄭州機械研究所聯(lián)合開發(fā)了國內(nèi)首臺大型PREP設備，用于合金粉末材料的研制，但鈦合金細粉收得率仍不理想。近幾年來，西安歐中公司從俄羅斯引進兩套PREP設備，中航邁特、湖南頂立也相繼自主研發(fā)了成套PREP設備，鈦合金細粉（≤45μm）收得率不足20%�？傮w來看，我國早期引進和現(xiàn)階段自主研發(fā)的PREP設備在整機性能上同俄羅斯仍有差距。

優(yōu)點：表面清潔、球形度高、伴生顆粒少、無空心/衛(wèi)星粉、流動性好、高純度、低氧含量、粒度分布窄。

缺點：粉末粒度較粗，微細粒度粉末收得率低，細粉成本偏高。

2.等離子霧化法（PA）

等離子霧化法PA（Plasma Atomization）是加拿大AP&C公司獨有的金屬粉末制備技術。采用對稱安裝在熔煉室頂端的離子體炬，形成高溫的等離子體焦點，溫度甚至可以高達10000 K，專用送料裝置將金屬絲送入等離子體焦點，原材料被迅速熔化或汽化，被等離子體高速沖擊分散霧化成超細液滴或氣霧狀，在霧化塔中飛行沉積過程中，與通入霧化塔中的冷卻氬氣進行熱交換冷卻凝固成超細粉末。

PA法制得的金屬粉末呈近規(guī)則球形，粉末整體粒徑偏細。AP&C公司同瑞典Arcam公司合作，針對當前增材制造市場的快速發(fā)展，對產(chǎn)能進行擴建和提升。由于等離子炬溫度高，理論上PA法可制備現(xiàn)有的所有高熔點金屬合金粉末，但由于該技術采用絲材霧化制粉，限制了較多難變形合金材料粉末的制備，如鈦鋁金屬間化合物等，同時原材料絲材的預先制備提高了制粉成本，為保證粉末粒度等品質控制，生產(chǎn)效率有待提升。

優(yōu)點：45μm以下粉末收得率極高，幾乎無空心球氣體夾帶，優(yōu)于氣霧化法。Arcam電子束成型所采用的TC4合金均用該法制備。

缺點：球形度稍差，有衛(wèi)星粉，絲材成本較高。

3.氣霧化法（GA）

目前，增材制造用金屬粉末材料的氣霧化制備常用技術包括有坩堝真空感應熔煉霧化VIGA（Vacuum Induction-melting Gas Atomization）和無坩堝電極感應熔煉氣霧化EIGA（Electrode Induction-melting inert Gas Atomization）。

其中VIGA法采用坩堝熔煉合金材料，合金液經(jīng)中間包底部導管流至霧化噴嘴處，被超音速氣體沖擊破碎，霧化成微米級尺度的細小熔滴，熔滴球化并凝固成粉末。該方法主要適用于鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金、鋁基合金、銅基合金等粉末的生產(chǎn)制備。

EIGA法將氣霧化技術與電極感應熔煉技術相結合，摒棄與金屬熔體相接觸的坩堝等部件，將緩慢旋轉的預合金棒金屬電極降低至一個環(huán)形感應線圈中進行電極熔化，電極熔滴落入氣體霧化噴嘴系統(tǒng)，利用惰性氣進行霧化，可有效降低熔煉過程中雜質引入，實現(xiàn)活性金屬的安全、潔凈熔煉，主要應用于活性金屬及其合金、金屬間化合物、難熔金屬等粉末材料的制備，例如鈦及鈦合金、鈦鋁金屬間化合物的生產(chǎn)。

近年來，粉末生產(chǎn)商和制粉設備制造商通過對氣霧化制粉技術的改進，發(fā)展了諸如超聲氣霧化、緊耦合氣霧化、層流氣霧化以及熱氣體霧化技術，并針對增材制造技術特點，對相關技術進行了改進，已經(jīng)可以制備出滿足激光選區(qū)熔化SLM、激光同軸送粉等增材制造工藝使用要求的粉末。

優(yōu)點：細粉收得率高，45μm以下可用于激光選區(qū)熔化，成本較低。

缺點：球形度稍差，衛(wèi)星粉多，45-406μm粉末空心粉率高，存在空氣夾帶，不適合于電子束選區(qū)熔化成型、直接熱等靜壓成型等粉末冶金領域。

4.等離子球化法（PS）

射頻等離子體具有能量密度高、加熱強度大、等離子體弧的體積大等特點，由于沒有電極，不會因電極蒸發(fā)而污染產(chǎn)品。射頻等離子體粉末球化技術原理，是在高頻電源作用下，惰性氣體（如氬氣）被電離，形成穩(wěn)定的高溫惰性氣體等離子體；形狀不規(guī)則的原料粉末用運載氣體（氮氣）經(jīng)送粉器噴入等離子炬中，粉末顆粒在高溫等離子體中吸收大量的熱，表面迅速熔化；并以極高的速度進入反應器，在惰性氣氛下快速冷卻，在表面張力的作用下，冷卻凝固成球形粉末，再進入收料室中收集。

優(yōu)點：粉末形狀規(guī)則球化率高，表面光潔，流動性好�？芍苽涓呷廴跍囟鹊碾y熔金屬，如鉭、鎢、鈮和鉬。

缺點：加熱周期長，容易造成揮發(fā)性元素會發(fā)，不規(guī)則粉末表面積大，氧含量高。

方法對比

PREP法制備的粉末粒度范圍分布較窄，不易獲得微細粉末，細粉收得率較低，由于細粉成本居高不下，這使得其在SLM工藝應用上受到較大限制。該技術制備的粗粉在激光快速成型LSF工藝中獲得應用。

PA法已經(jīng)用于常規(guī)牌號鈦及鈦合金粉末的批量制備，通粉中含有衛(wèi)星粉、片狀粉、納米顆粒等，經(jīng)處理后其粉末流動性良好。由于需要絲材作為原材料，該技術在制備難變形金屬材料方面遇到瓶頸，材料適用范圍窄。在生產(chǎn)鎳基合金、鐵基合金等非活性金屬粉末方面，其生產(chǎn)成本較高。

VIGA法制粉由于其效率高、合金適應范圍廣、成本低、粉末粒度可控等優(yōu)勢，是全球范圍內(nèi)增材制造粉末供應商普遍采用的技術方法。EIGA法在制備活性金屬粉末方面相比于PREP法具有節(jié)約材料，生產(chǎn)靈活，細粉產(chǎn)出多等優(yōu)勢，適宜SLM工藝用鈦合金粉末的生產(chǎn)制備。

全球增材制造技術產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展期，在增材制造材料、裝備、工藝、應用等方面，歐美發(fā)展更為全面系統(tǒng)。我國增材制造技術發(fā)展多集中于打印成型過程，在合金材料研究方面重視不夠，粉末材料的制造裝置及工藝技術研究投入明顯不足，新合金粉末材料開發(fā)和多工藝復合低成本制粉技術尚未廣泛開展，這些基礎性裝備建設和工藝技術研究的缺失很大程度上影響了我國自主增材制造材料技術體系的建設和發(fā)展。