3D打印（yìn）技術是一（yī）種（zhǒng）新型的打印技術，其突出優點在於無需機械加工或任何模具，就能直接從計（jì）算機圖形數（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，提高生產率和降低生產成本。3D打印（yìn）金屬（shǔ）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（guān）注 ，3D打印金屬粉末作（zuò）為金屬零件3D打印產業鏈 最重要的一環，也是最大的價值所在。

在“2013年世界（jiè）3D打印技術產業大會”上，世界3D打印行業的（de）權威專家對3D打印金屬粉末給予明確定義，即指尺寸（cùn）小於1mm的金屬顆粒群。包括單一金屬粉（fěn）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（dǎ）印（yìn）金屬粉末材料包括鈷鉻合金、不鏽（xiù）鋼、工（gōng）業鋼、青銅合金、鈦合金和鎳鋁合金（jīn）等（děng）。但（dàn）是3D打（dǎ）印金屬粉末（mò）除需具備良好的可塑（sù）性外，還必須滿足粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流（liú）動性好和（hé）鬆裝密度（dù）高（gāo）等要求。 為了進（jìn）一步證明3D打印金屬粉末對產品的影響。

 

采用選擇性（xìng）激光燒結法(SLS法（fǎ）)打印兩種不同的不鏽鋼粉末，發現製備出的產品存（cún）在明顯差異。德國某（mǒu）廠家的不鏽鋼粉末打印樣品表麵光澤、收縮率小、不易變形（xíng）、力學（xué）性能穩定。而國內某廠家的不鏽鋼粉末的打印樣品則（zé）遠遠不及前者。為此，對兩種不（bú）同的不（bú）鏽鋼粉末（mò）進行的微觀形貌分析。

圖1為（wéi）德國某廠（chǎng）家不鏽鋼粉末的微觀結構，從圖中我們可以（yǐ）看（kàn）出，粉末（mò）顆粒球形度好，顆粒尺寸（cùn）分布在11.2~63.6μm範圍內。圖2為國內某廠家的不（bú）鏽鋼粉末的微觀（guān）結構，可以看出（chū），其顆粒為不規則塊狀，尺寸較小。 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、球形度高、流動（dòng）性好（hǎo）和鬆裝密度高（gāo）。因此，為了得到所需優異性能的3D打印產品，必須尋求一種高（gāo）效的金（jīn）屬粉末製備方法。

 

　　2.金屬粉（fěn）末的製備工藝

目前（qián），粉末製備方法按照製備工藝主（zhǔ）要可分為：還原法、電解法、羰（tāng）基（jī）分解法、研磨法、霧化法（fǎ）等。

其（qí）中，以還原（yuán）法、電解法（fǎ）和霧化法生產的粉末作為原料應用到粉末冶金工業的較為普遍。但（dàn）電解法和還原法僅限於單質（zhì）金屬（shǔ）粉末的生產，而對於合金粉末這些方法均不適用。霧化（huà）法可以進行（háng）合金粉末的生產，同時現代霧化工藝（yì）對粉末的形狀（zhuàng）也能夠做出控製，不斷發（fā）展的霧化腔結構大（dà）幅提（tí）高（gāo）了（le）霧化效率，這使得霧化法逐漸發展成（chéng）為主要（yào）的粉末生產方法。霧化法滿足3D打印（yìn）耗材金屬粉末的（de）特殊要求。 霧化法（fǎ）是指通過機械（xiè）的（de）方法使金屬熔液（yè）粉碎成尺寸小於150μm左右的顆粒的方法。

 

 

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、離心霧化、超聲霧化、真空霧化等。這些霧化方法具有各自特點，且都已成功應用於工業生產。其中水氣霧化法具有生產設備及（jí）工藝簡單、能耗低、批（pī）量（liàng）大等（děng）優點，己成為金屬粉末的主要工業化生產（chǎn）方法。

　　2.1水霧化法

在（zài）霧化製粉生（shēng）產中，水霧化法是廉價的生產方法之一。因為（wéi）霧化介質水不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（gāng）鐵粉末（mò）、金剛（gāng）石工具用胎體粉末、含油軸承用預合（hé）金粉末、硬麵技（jì）術用（yòng）粉末以及鐵基、鎳基磁（cí）性（xìng）粉末等。然而由於水的比熱容（róng）遠大於氣體，所以（yǐ）在霧化過程中（zhōng），被破碎的（de）金屬熔滴由於凝（níng）固過快而變成不規則狀，使粉末（mò）的球形度受到影（yǐng）響。

另外一些具有高（gāo）活性的（de）金屬或者合金，與水接觸會發生反應，同時由於霧化過（guò）程中與水的接觸，會提高粉末的氧含量（liàng）。這些問（wèn）題限（xiàn）製（zhì）了水（shuǐ）霧化法在製備球形（xíng）度高、氧含量低的金屬粉末的應用。但是，金川集團股份有限公司發明了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（zuǐ）下方處再設置一個二次冷水霧化噴嘴，進行二（èr）次霧化。該發明（míng）得到的粉末不僅球形度接近氣（qì）霧化效果，而且粉末粒度比一次水霧化更細。

 

 

　　2.2氣霧化法

氣霧化法是生產金屬（shǔ）及合金粉末（mò）的主要方（fāng）法之 一。氣霧化的基本原理是用（yòng）高速氣流將液態金屬流破碎成小液滴並凝固成（chéng）粉末的過程。由於（yú）其製備的粉末具（jù）有純度高、氧含量低、粉末粒度可控（kòng）、生（shēng）產成本低以及球形度高等優點，已成為高性能及特種合金粉末製備技術的主要發展方（fāng）向。但是，氣（qì）霧化法也存在不足，高壓氣（qì）流的能量遠小於高壓水流的能量，所以氣霧化對金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，從而增加了霧化粉末（mò）的製備成（chéng）本（běn）。

 

 

　　目前，具有代表性的（de）幾種氣霧化製粉技術氣霧化如下：

　　2.2.1層流（liú）霧化技（jì）術

層流霧化技術是由德國Nanoval公司等提出，該技術對常規噴嘴進行了重（chóng）大改進。圖3為層流霧化（huà）噴嘴結構（gòu）圖（tú）。改進後的霧化噴嘴（zuǐ）霧化效率高，粉末粒度分布窄，冷卻（què）速度達106～107K/s。在2.0MPa的霧化（huà）壓（yā）力（lì）下，以Ar或N2為介質（zhì）霧化銅、鋁、316L不鏽鋼等（děng），粉末平均粒度達到10μm。該（gāi）工（gōng）藝的另一個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屬粉末的生產。缺點是技術控製（zhì）難度大（dà），霧化過程不穩定，產量小(金屬質量流率小於1kg/min)，不利於（yú）工業化生產。Nanoval公司正（zhèng）致力於這些問題的解決。

　　2.2.2超聲緊耦合霧化技術

超聲緊耦合霧化技術是由英國PSI公司提出。該技術對緊耦合環縫（féng）式噴嘴（zuǐ）進行結構優化，使氣流的出口速（sù）度超過聲速，並且增加金（jīn）屬的質（zhì）量流率。圖 4為典型的緊藕合霧化噴嘴結構圖-Unal霧化噴嘴。在霧化（huà）高表麵能的（de）金（jīn）屬如不鏽鋼時，粉末平均（jun1）粒度可達20μm左右（yòu），粉末的標準偏差最低可以降至1.5μm。

 

 

該技術的另一（yī）大優點是大大（dà）提高了粉末的冷卻速度（dù），可以生產快冷或非晶結的粉末。從當前的發展來看，該項（xiàng）技術（shù）設（shè）備代表了緊（jǐn）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（bú）鏽鋼、鐵合金、鎳合金、銅合金（jīn）、磁（cí）性材料、儲氫材料等合金粉末的生產。

　　2.2.3熱氣體霧化法

近年來，英國的PSI公司和美（měi）國的HJF公（gōng）司分別對熱（rè）氣體霧化的作用及機理進行了大量的研究。 HJF公司（sī）在1.72MPa壓力下，將氣體加熱至200～400℃ 霧（wù）化銀合金和金合金，得出粉末的平均粒徑和標準偏差均隨溫度升高而降低。與傳統的霧化技術相比，熱氣體霧化技術可以提高霧化效率（lǜ），降低氣體消耗量，易於在傳（chuán）統的（de）霧化設（shè）備（bèi）上實現該工藝，是一項具有應用前景（jǐng）的技術。但是，熱氣體霧化技術受到氣（qì）體加熱係統和噴嘴（zuǐ）的（de）限製，僅有少數（shù）幾家研究機構（gòu）進行研究。

　　2.3國內3D打印金屬粉末的霧化工（gōng）藝

　　2.3.1真空霧化製粉

　　真空霧化製粉是指在真（zhēn）空條件下熔煉金屬或金屬合金，在氣體保護的條件下，高壓氣流將（jiāng）金屬液體霧化（huà）破（pò）碎成大量細小（xiǎo）的液滴，液滴在飛行（háng）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（yòng）在空氣中和水霧化方法製造的（de）金屬及其（qí）合金粉末，可（kě）得到（dào）球形或亞球形粉末。由於凝固快克服了偏析現象，可以製取許多特殊合金粉末（mò）。采用合適的工藝，可以使粉末粒度達到一個要求的範圍。

 

 

　　2.3.2超高壓霧化法

超高壓霧化法是采用超高壓（yā）霧化噴嘴製備（bèi）金（jīn）屬 粉末的一種方法。圖5(a)為高壓霧化（huà）噴嘴，圖5(b)為超高壓霧化噴嘴。超高壓霧化噴嘴的特點是可以在較低的氣壓下產生更高的超音速（sù）氣流和均勻的（de）氣體（tǐ）速度場，從而更加有效抑製有害激波的產生，明顯增加氣體的動能，使（shǐ）霧化效率更高。該噴嘴在較低的氣壓下產生與高壓霧（wù）化噴（pēn）嘴相同的霧（wù）化效果，而且氣（qì）流速度更加穩定和均勻。同時，製得的粉末（mò）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（fěn）末製備技術，初步取得成效。自（zì）20世紀90年（nián）代初以來，清華大學、西安交通大（dà）學、華中科技大學、華南理工大學、北京航空航天大學、西北工業大學等（děng）高校，在（zài）3D打印（yìn）材料技術方麵，開展（zhǎn）了積極的探索，已有部分技術處於世界先進（jìn）水平。中（zhōng）航邁特粉冶科技已經開始進（jìn）入3D打（dǎ）印金屬粉末研發。擁有多套國內（nèi）領先水平（píng）的霧化製粉設備，工藝（yì）涵蓋（gài）真空氣霧化製粉、電極感（gǎn）應（yīng）氣霧化製粉，將（jiāng）為中（zhōng）國的3D打印事業貢獻一（yī）份力量。

　　目（mù）前，我國3D打印金屬粉末仍存在如下4個問題：

　　1.缺乏宏觀（guān）規劃和引導、

　　2.對技術研發投入不足、

　　3.產業鏈缺乏統籌發展、

　　4.缺乏（fá）教育培訓和社會推廣。

同時（shí），在常規的金（jīn）屬粉末霧（wù）化噴嘴中，金屬粉末的形成（chéng）是靠氣流對金屬液流的擾動和衝擊使其破碎成粉末，由於氣流的（de）擾動具有統計特（tè）征，粉末的粒度分布較寬，同時在所有的霧化技（jì）術中，不管噴嘴（zuǐ）的結（jié）構如何，氣流在作用於液流前的飛行中不斷膨脹，速（sù）度減小，導致霧化氣體能量損失較大，影響了霧化（huà）效率。因此（cǐ），這（zhè）為3D打印技術帶來（lái）挑戰的同時，也帶來了商機。3D打印技術作為“增材製造”的主（zhǔ）要實現（xiàn）形式，節約成本、減少（shǎo）燃料消耗，必將成為最具潛力發展的產業。

根據獨立市場（chǎng）研究（jiū）公司MarketsandMarkets在2015年年底發（fā）表的報告,全（quán）球金屬粉末供應的5大公司分別（bié）是Sandvik，Carpenter，GKN，Arcam，LPW Technology。3D打印粉末市場預計在未來幾年會顯著增（zēng）長，其中，金屬粉末被報道是目前3D打印粉末中最主要的。Carpenter目前作為全球3D打印粉末市場中最強大的公（gōng）司之一（yī），並且肯定是美國的領先公司。根據報（bào）告（gào），北美是目前市場（chǎng）上最主要的地區，預（yù）計在未來（lái）幾年將繼續保持領（lǐng）先地位。