導讀

 3D 打印（yìn）技術是製造（zào）業領域（yù）正（zhèng）在迅速發展的一（yī）項新興技術（shù），被稱為“具有工業革命意義的製造技術”，已（yǐ）成為現代模型、模具（jù）和零部件製造的有效手段（duàn），在航空航天、汽車摩托車、家電、生物醫學等領域得到了一定應用， 在工程和教（jiāo）學研究等領域也占有獨特地位。3D 打印（3D printing）是以計（jì）算機3 維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型（xíng）係統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉（fěn）體、陶瓷粉（fěn）體、塑料、細胞組織、沙子等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加（jiā）成型，製造出實體產品。 

  

       3D 打印的原材料較為特殊，必須能夠液（yè）化、粉體化、絲（sī）化，在打印完成後又能重（chóng）新結合起來，並具有合格的物理化學性質。金屬（shǔ）零（líng）件3D 打印技術作為整個3D 打印體係（xì）中最（zuì）為前沿和最有潛力的技術，是先進（jìn）製造技術的重要發展方（fāng）向。目前，國內3D 打（dǎ）印耗（hào）材金屬粉體製備難度（dù）大、產量小、產品性能低，國外廠家（jiā）壟斷市場，價格昂貴。因此，對3D 打印耗材金屬粉體製備方（fāng）法的研究尤為（wéi）重要。

1   3D 打印金（jīn）屬粉體

       3D 打（dǎ）印金屬粉體作為（wéi）金屬零件3D 打印產業鏈最（zuì）重要的一環，也是最大的價值所在。在“2013 年世界3D 打印技術產業大（dà）會”[3]上，世（shì）界（jiè）3D 打印行（háng）業的權（quán）威（wēi）專家對（duì）3D 打印金屬（shǔ）粉體給（gěi）予明確定義，即（jí）指尺寸（cùn）小於1mm 的金屬顆粒（lì）群。包括單一金屬粉體、合金粉體以及具有（yǒu）金屬性（xìng）質的某些難熔化合物粉體。目前，3D 打印金屬粉體材料包括（kuò）鈷鉻合金、不鏽鋼、工（gōng）業鋼、青銅合金、鈦合金（jīn）和鎳鋁合金（jīn）等（děng）。但是3D 打印金屬粉體除需具備良好的可塑性外，還必須滿足（zú）粉體粒徑（jìng）細小、粒度分布較（jiào）窄、球形度高（gāo）、流動性好和（hé）鬆裝密度高（gāo）等要求。

       為了進一步證明3D 打印金屬粉體對（duì）產（chǎn）品（pǐn）的影響。作者采用（yòng）選擇性激光燒結法（SLS 法）打印兩種不同的不鏽鋼粉體，發現製備出的（de）產品存在明顯（xiǎn）差異。德國某廠家的不鏽（xiù）鋼粉體打印樣品表麵（miàn）光澤、收縮率小、不易變形、力學性能穩定。而國內某廠家的不鏽鋼粉（fěn）體的（de）打印（yìn）樣品則遠遠不（bú）及前者。為此（cǐ），對兩種不同的不鏽鋼粉體進行（háng）的微觀形貌分析。圖1 為德國某廠家（jiā）不鏽鋼粉體的微觀結構，從圖中可以看出，粉體顆粒球形（xíng）度好，顆粒尺寸分布在11.2~63.6μm 範圍內。圖2 為國內某廠家的不（bú）鏽鋼粉體的微觀結構，可以看出，其顆粒為不（bú）規則塊狀，尺（chǐ）寸較小。

 

       通過上（shàng）述研（yán）究表明，3D 打印耗材金屬粉體需滿足粒徑細小、粒度（dù）分布窄（zhǎi）、球形度高、流動（dòng）性（xìng）好和鬆裝密度高。因此，為了得到（dào）所需優異性能的3D 打（dǎ）印（yìn）產品，必須尋求一種高效的金屬粉體製（zhì）備方法。

2   金屬粉體的製備工（gōng）藝

       目（mù）前，粉體製（zhì）備方法按照（zhào）製備工藝主要可分為：還原法、電解法、羰基分解法、研磨法、霧化法等（děng）。其中，以（yǐ）還原法、電解法和霧化法（fǎ）生產的粉體作為原料應用到粉體冶金工業的較為普（pǔ）遍。但電解（jiě）法和還原法僅限於單質金（jīn）屬粉體的生產（chǎn），而對於合金粉體這些方法均不適用。霧化法（fǎ）可以進行合金粉體的生產，同時現代霧化工藝對粉體的形狀也能夠做出控製，不斷發展的霧化腔（qiāng）結構大幅提高（gāo）了霧化（huà）效率，這使得霧化法逐漸發展成為主要的粉體（tǐ）生產方法（fǎ）。霧化（huà）法滿足3D 打印耗材金屬粉體的特殊要求（qiú）。

       霧化法是指通過機械（xiè）的方法使金屬熔液粉碎成（chéng）尺寸小於150μm 左右（yòu）的顆（kē）粒的（de）方法。按照（zhào）粉碎金屬熔液的方式分類，霧化法包括二流霧化法、離心霧化、超聲霧化、真空霧化等。這些霧化方法（fǎ）具有各自特點，且都已（yǐ）成功應用於工業（yè）生產。其中水氣霧化法具（jù）有生產設備及工藝簡單、能耗低、批量大等優（yōu）點，己成為金屬粉體的主要工業化生產方法。

2.1 水霧化法

       在霧化製粉生產中（zhōng），水霧化法是廉價的生產方法之（zhī）一。因為霧化介質水不但成本（běn）低廉容易獲取，而且在霧化（huà）效率方而表現出色（sè）。目前，國（guó）內水霧化法主要（yào）用來生產鋼鐵粉體（tǐ）、金剛石工具用胎體粉體、含油軸承用預合（hé）金粉體、硬麵技術用（yòng）粉體以（yǐ）及鐵基（jī）、鎳基磁性粉體等。然而由於水（shuǐ）的比熱容（róng）遠大於氣體，所以在霧化過程中，被破碎（suì）的金屬（shǔ）熔滴由於凝固過（guò）快而變成不規則狀（zhuàng），使粉體的球形度受到影響。另外一些具有高活性的金（jīn）屬或者合金，與水接觸會發生反應，同時由於霧化過程中與水的接觸，會（huì）提高（gāo）粉體的氧含量。這些問題限製了水霧化法在製（zhì）備球（qiú）形（xíng）度高、氧含（hán）量低的金屬粉體的應用。

       但是，金川集團股份有限（xiàn）公司發明了一種水霧化製（zhì）備（bèi）球形金（jīn）屬粉體的方法，其采用在水霧化噴嘴下方處再設置一個二次冷水霧化噴嘴，進行二次霧化。該發明得到的粉體不僅球形度接近氣霧化效果，而（ér）且粉體粒度比一次水（shuǐ）霧化更細。

2.2 氣霧化法（fǎ）

       氣霧化法是生產金屬及合金粉體的主要方法之一。氣霧化的基（jī）本原理是用高速氣流（liú）將液態金屬（shǔ）流破碎成小液滴並凝固（gù）成粉體的過程。由於其製（zhì）備的粉體具有純度高、氧含量低、粉體粒度可控、生產成本低以及球形度高等優點，已成為高性能（néng）及特種合金粉體製備技術的主（zhǔ）要發展方向（xiàng）。但是，氣霧化法也存在不足，高壓（yā）氣流的（de）能量（liàng）遠小於高壓水流（liú）的能量，所以氣霧化對金屬熔體（tǐ）的破碎效率低於水霧化，這使得氣霧化粉體（tǐ）的霧化效率較低，從（cóng）而增加了霧化粉體的製備成本。目前，具有代表性的幾種氣（qì）霧化製粉技術氣霧（wù）化如下。

2.2.1 層流霧化技術

       層流霧化技術（shù）是由德國Nanoval 公司等提出，該技術對常規噴嘴進行了（le）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，粉體粒度分布窄，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，粉體平均粒度達到10μm。該工藝的另一個優（yōu）點是（shì）氣體消（xiāo）耗量低，經濟效益顯著，並且適用於大多數金屬粉（fěn）體的生產。缺點是技（jì）術控製（zhì）難度大，霧化過程不穩定（dìng），產（chǎn）量小（金屬質量流率小於1 kg/min），不利於工業化生產（chǎn）。Nanoval 公司正致力於這些問題（tí）的解決。

2.2.2 超聲緊耦合（hé）霧化技術

       超聲緊耦合霧化技術是由英國PSI 公司提出。該技術對緊耦合（hé）環縫（féng）式噴嘴（zuǐ）進行結構優化，使氣流的出口速度超過聲速，並且增加金（jīn）屬的質量流率。圖4 為典型的緊藕（ǒu）合霧化噴嘴（zuǐ）結構圖-Unal 霧化噴嘴。在霧化高表麵能的（de）金屬如（rú）不鏽鋼時，粉體平（píng）均（jun1）粒度可達20μm左右，粉體（tǐ）的（de）標準偏差最低可以降至1.5μm。該技術的另一大優點是大大提（tí）高了粉體的冷卻速度，可以生（shēng）產快冷或非晶結的粉體。從當（dāng）前的發展來看，該項技術設備代表了緊耦合霧化（huà）技術的新的發展方向，且具有工（gōng）業實用意義，可以廣泛應用於微細不鏽鋼、鐵合金、鎳合金、銅合金、磁性材料、儲（chǔ）氫材料（liào）等合金（jīn）粉體的（de）生產（chǎn）。

 

2.2.3 熱（rè）氣（qì）體霧化法

       近年來，英國的（de）PSI 公司和美國的HJF 公司分別對（duì）熱氣體霧（wù）化的作（zuò）用及（jí）機理進（jìn）行了大量（liàng）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，得出粉體的平均粒徑和標（biāo）準偏差均（jun1）隨溫度升高而降低。與傳統的霧化技術相比，熱氣體霧化技術（shù）可以（yǐ）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（xiàn）該工藝，是一（yī）項具有（yǒu）應用前景的技術（shù）。但是，熱（rè）氣體霧化技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（gòu）進行研究。

2.3 國內3D 打印（yìn）金屬粉體的霧化工藝

       目前，我（wǒ）國河南黃河旋風股份有限公司已經開始進入3D 打印（yìn）金屬粉體研發。其所用的粉（fěn）體製備工藝如真空霧（wù）化製粉、超高壓水（shuǐ）霧化製粉、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術。

2.3.1 真（zhēn）空霧化製粉

       真空霧化製（zhì）粉是指在真空條（tiáo）件下熔煉金屬或金（jīn）屬合金，在（zài）氣體保護的條件下，高壓氣流將（jiāng）金屬液體霧化破碎成大量細小的液滴，液滴在飛行中（zhōng）凝固成球形或是亞球形顆粒。真空霧（wù）化（huà）製粉可以製備大多數不能采用在空氣（qì）中和水霧化方法製造的金屬及其合（hé）金粉體，可（kě）得到（dào）球形或亞球形（xíng）粉體。由（yóu）於（yú）凝固快（kuài）克服了偏析現象，可以製（zhì）取許多特殊合金粉（fěn）體。采用（yòng）合適的工藝，可以使（shǐ）粉體粒度達到一個要求（qiú）的（de）範圍。

2.3.2 超高壓霧化法

       超高壓霧化法是采用超高壓霧化噴嘴製備金屬粉體的一種（zhǒng）方法。圖5（a）為高壓（yā）霧化噴嘴，圖5（b）為超高壓霧化噴嘴。超高壓霧化噴（pēn）嘴的特點是可以（yǐ）在較低的氣壓下（xià）產生更高的超音速氣（qì）流和均勻的氣體速度場，從而更加有效抑製有害激波的產生，明（míng）顯增加氣（qì）體的（de）動能，使霧化效率更高。該噴嘴在較低的氣壓下產（chǎn）生與高壓霧化噴嘴相同的霧（wù）化效果，而且氣流速度更加穩定和均勻。同時，製得的粉（fěn）體粒（lì）徑小、分布窄。

3 結論

       近年來，我國積極探索3D 打印金屬粉體製備技術，初步取（qǔ）得成效。自20 世紀90 年代初（chū）以來，清（qīng）華大學（xué）、西安交通大學、華中科技（jì）大學、華南理工大學、北京航空航天大（dà）學、西北工業大學等高校（xiào），在3D 打印材料技術方麵，開展了積極的探（tàn）索，已有部分技術處於世界（jiè）先進（jìn）水平。