在鑄造領域，不管是那種工藝，都要先將金屬熔化（huà），進而成型，3D打（dǎ）印的出現，可以直接將（jiāng）呋喃、酚醛、亞克力（lì）粉等做成複雜形狀的模具，在鑄造領域，逐漸得（dé）到應用，起到節能環保（bǎo）、降本（běn）增效的（de）作用！

 

不僅如此，如今3D打印已經可以直接打印金屬粉末了，未來的某一天，當3D打印金屬粉末技術足夠成熟，鑄造業必將迎來翻天覆地的變化！

 

接下來，給大家看一下3D打印金屬粉末製備技術及現狀（zhuàng）

 

在“2013年世界3D打印（yìn）技術產業（yè）大會（huì）”上，世界3D打印行業的權威專家對3D打印金屬粉末給予明確定義，即指尺寸小於1mm的金屬顆粒群。包括（kuò）單一（yī）金屬粉末、合（hé）金粉末（mò）以（yǐ）及具有金屬性質（zhì）的某些難熔化合物粉末。

 

目前（qián），3D打印金屬粉末（mò）材料包括鈷鉻合（hé）金、不鏽鋼（gāng）、工業鋼、青銅合（hé）金、鈦合金和鎳鋁合金等。但是3D打印（yìn）金屬粉末除需具備良好的可（kě）塑性（xìng）外，還必須滿（mǎn）足粉末粒徑細小、粒度（dù）分布較窄、球形度（dù）高、流動性好和鬆裝密度高等（děng）要求。 為了進一步證明3D打印金屬粉末對產品的影響。

 

 

 

采用選擇性激光燒結法(SLS法)打印兩種不同的不鏽鋼粉末，發現（xiàn）製備出的產品存在明顯差異（yì）。德國某廠家的不鏽鋼粉末（mò）打印樣品表麵光澤、收縮率（lǜ）小、不（bú）易變形、力學性能穩定。而國內某廠家的不鏽鋼粉末的打（dǎ）印樣品則遠遠不及前（qián）者。為此，對兩種不同的不鏽（xiù）鋼粉末進行的微觀形貌分析。

 

德國某廠家（jiā）不（bú）鏽鋼粉末的微觀結構，從中我（wǒ）們可以看出，粉末顆粒球形度（dù）好，顆粒尺寸分布在11.2~63.6μm範圍內。圖2為國內某（mǒu）廠家的不鏽鋼粉末的微觀結構，可以看出，其顆粒為不規則塊狀，尺寸較小（xiǎo）。 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（fèn）布窄、球形度高、流動性好和鬆裝密度高。因此，為了得到所需優異性能（néng）的3D打印產品，必須尋求一種高效的金屬粉末製備方法。

 

金屬粉末的製備工（gōng）藝

　　

目前，粉（fěn）末製備方法按照（zhào）製備工藝主要可分為：還原（yuán）法、電解法、羰基分解法、研磨（mó）法、霧化法等。

　　

其（qí）中，以還原法（fǎ）、電解法和霧化法生產的粉末作為（wéi）原料應用到粉（fěn）末冶金工業的（de）較為（wéi）普遍。但電解法和還原法僅（jǐn）限（xiàn）於單質金（jīn）屬粉末的生產，而對於合金粉末這些方法均不適用（yòng）。霧化法可以進行（háng）合金粉末的生產，同時現代霧化工（gōng）藝對粉末的形（xíng）狀也能夠做出控製，不斷發展的霧化腔結構大幅提高了霧化效率，這使得霧化法逐漸（jiàn）發展成為（wéi）主（zhǔ）要的粉末生產方法。霧化法（fǎ）滿（mǎn）足3D打印耗材（cái）金屬粉末的特殊（shū）要求。 霧化法是指通過機械（xiè）的方法使金屬（shǔ）熔液粉碎成尺寸小於150μm左右的顆粒（lì）的方法。

　　

按（àn）照粉碎金屬熔液（yè）的方式可以分為霧化法包括二流霧化法、離心霧（wù）化、超聲霧化、真空霧化（huà）等。這些霧（wù）化方法具有各自（zì）特（tè）點，且都已成功應用於工業生產。其中水氣霧化（huà）法具有生（shēng）產（chǎn）設（shè）備及工藝簡單、能耗（hào）低、批量大等優點（diǎn），己成為（wéi）金（jīn）屬粉末的主要工業化生（shēng）產方（fāng）法。

 

1、水霧化法

 

在霧化製粉生產中，水霧化法是廉價的生產（chǎn）方法之一。因為霧（wù）化介質（zhì）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 要用來生產鋼鐵粉末、金剛石工具用胎體粉末、含油軸承用預合金粉末、硬（yìng）麵技術用粉末以及鐵（tiě）基、鎳基磁性粉末等。然而由於水的（de）比熱容遠大於氣（qì）體，所以（yǐ）在霧化（huà）過程中（zhōng），被破碎的（de）金屬熔滴由於凝固過快（kuài）而變成不規則狀，使粉末的球形（xíng）度受到影響。

 

另外一些具有高活性的（de）金屬或者合金，與水接觸會發生反（fǎn）應，同時由於（yú）霧化過程中與水的接觸，會提高粉末的氧（yǎng）含量。這些問（wèn）題限製了水霧化（huà）法在製備球形度高、氧（yǎng）含量低的（de）金屬粉（fěn）末的應用。但是（shì），金川集團股份有（yǒu）限公司發明了一種水霧化（huà）製備球形金屬粉末的方法，其采用在水（shuǐ）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（wù）化。該發明得到的（de）粉末（mò）不僅球形度接近（jìn）氣霧化效果，而且粉末粒度比一次水霧化更細（xì）。

 

 

2、氣霧化法

　

氣霧（wù）化法是生產金（jīn）屬及（jí）合金粉末的主要方法之 一。氣霧化的基本原理是用高速氣流將（jiāng）液態金屬流破碎成（chéng）小（xiǎo）液滴並凝固成粉末的過程。由（yóu）於其（qí）製備的粉末具有純度高、氧含量低、粉末粒度可控、生產成本低以及球形度高等優點，已成為高（gāo）性能及特種合金粉末製備技術的主要發展方向（xiàng）。但（dàn）是，氣（qì）霧（wù）化法也存在不足，高壓氣流的能量遠小於高壓（yā）水流的能量，所以氣（qì）霧化對金屬熔體的破（pò）碎效率低於水霧化，這使得氣霧化粉末的霧化效（xiào）率較低，從（cóng）而增加了霧化粉末（mò）的製備成本。

　　

目（mù）前，具有代表性的幾種氣霧化製粉（fěn）技術氣霧化（huà）如下：

　　

2.1、層流霧化技術（shù）

　

層流霧化技術是由（yóu）德國Nanoval公司等提出，該技（jì）術對常規噴嘴進行了重大改進。圖3為（wéi）層流霧（wù）化噴嘴結構圖。改進後的霧化噴嘴（zuǐ）霧化效率高，粉末粒度分布窄，冷卻速度達106～107K/s。在2.0MPa的霧化壓力下，以Ar或N2為（wéi）介質霧化銅、鋁、316L不鏽鋼等，粉末平均粒度達到10μm。該（gāi）工藝的（de）另一個優點是氣體消耗（hào）量低，經濟效（xiào）益顯（xiǎn）著，並且適用於（yú）大多數金屬（shǔ）粉末的生產。缺點是技術控製難度大，霧化過程不穩（wěn）定，產量小(金屬質量流率小於1kg/min)，不利於工業化（huà）生產。Nanoval公司正致（zhì）力於（yú）這些問題的（de）解決。

　　

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式噴嘴進行結構優化，使氣流的出口速度超過聲速，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霧化噴嘴。在霧化高表麵能的金屬如不鏽（xiù）鋼時，粉末平均粒度可達20μm左右，粉末的標準偏差最低可以（yǐ）降至1.5μm。

 

 

典型的緊藕合霧化噴嘴結構圖

該（gāi）技術的另一（yī）大優點是大大提高了粉末的冷卻速度，可以生產快（kuài）冷或非晶結（jié）的粉（fěn）末。從當前的發展來看，該項技術設備代表了緊耦合霧化技術的新的發展方向，且具有工業實用意義，可（kě）以（yǐ）廣（guǎng）泛應用（yòng）於微細（xì）不鏽鋼、鐵合金（jīn）、鎳合金、銅合金、磁性（xìng）材料、儲氫材料等合金粉末（mò）的生產。

　　

2.3、熱氣體（tǐ）霧化法

　　

近年來，英國的PSI公司和美（měi）國的HJF公司分別對熱氣體霧化的作用及機理進（jìn）行了大量的研究（jiū）。 HJF公司在1.72MPa壓力下，將氣體（tǐ）加熱至200～400℃ 霧化銀合金和金（jīn）合金，得出（chū）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，降低氣體消耗量，易（yì）於在傳統的霧化設備（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（dào）氣體加熱係統和噴嘴的限製，僅有少數幾家研究機構進行研究。

　　

3、國（guó）內3D打印金屬（shǔ）粉末的霧化工藝

 

目前，我國河南黃河旋風股份有限公司已經開始進（jìn）入3D打印（yìn）金屬粉（fěn）末（mò）研發。其所用的粉末製備工藝如真空霧化製粉、超高壓水霧化製粉、惰性氣體緊耦（ǒu）合霧化製粉（fěn）技術。下麵著重介紹前（qián）兩種霧化技術。

 

3.1、真空霧（wù）化製粉

　　

真空霧化製粉（fěn）是指在真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（qì）流將金屬液體霧化破碎成大量細小的液滴，液滴在飛（fēi）行中（zhōng）凝固成球形或是亞球形顆粒。真（zhēn）空霧化製粉可以製備大多數（shù）不能采用在空氣中和水霧（wù）化方法製造的金屬及其合金粉（fěn）末，可得到球形或亞球形粉末。由於凝固快克（kè）服了偏析現象，可以製取許多（duō）特殊合金粉末。采用合適的工藝，可以使（shǐ）粉末粒度達（dá）到一（yī）個要求的範圍。

 

 

 

3.2、超高（gāo）壓霧化法

　　

超高壓霧化法是采用超高壓霧（wù）化噴嘴製備金屬 粉末的一種方法。圖5(a)為高壓（yā）霧化噴嘴，圖（tú）5(b)為超高壓霧化噴嘴。超高壓霧化噴嘴的（de）特點是可以在較低的氣壓下產（chǎn）生更高的超音速氣流和（hé）均勻的氣體速度場，從而更加有效抑製有害激波（bō）的產生，明顯增加氣體的動能（néng），使霧化效率更高。該噴嘴在較低（dī）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，製得的粉末粒徑小、分（fèn）布窄（zhǎi）。

　　

我國3D打印金（jīn）屬粉末現狀

　　

近年來，我國積極探索3D打（dǎ）印金（jīn）屬（shǔ）粉末製（zhì）備技術，初步取得（dé）成效。自20世紀90年代初以來，清華大學、西安交通大學、華中科技（jì）大學（xué）、華南理工大（dà）學、北京航空航（háng）天大學、西北工業大學（xué）等高校，在3D打印材料技術方麵（miàn），開展了積極的探索，已有部分技術處於世界先進水平。黃河旋風股份有限公司（sī）已經開始進入3D打印金（jīn）屬粉末研發。擁有多套國內領先水平的霧化製粉設備，工藝涵蓋真空（kōng）霧化製粉、超高壓水霧化製粉、惰性氣體緊耦合霧化製粉技術，將為中國的3D打印事業貢獻一份力量。

　　

但是，目前，我國3D打印金屬粉末仍存在（zài）如下（xià）4個問題：

 

1、缺乏宏觀規劃和引（yǐn）導；

2、對技術研（yán）發投入不足（zú）；

3、產業鏈缺乏統籌發展；

4、缺乏教（jiāo）育培訓和社會推（tuī）廣。

　　

同時，在常規的（de）金屬粉末霧化噴嘴中，金屬粉末的形成是靠氣流對金屬液流的擾動和衝擊使其破碎成粉末，由於氣流的擾動具有統計特征，粉末的粒度分布較寬，同時在所（suǒ）有的霧化技術中，不管噴嘴的結構如（rú）何，氣流在作用於液（yè）流前的飛行中不斷膨脹（zhàng），速度減小，導致（zhì）霧化氣體能量損失較大，影響了霧化效率。因此，這為3D打印技術帶來挑戰的同時，也帶來（lái）了商機。3D打印技術作為“增材製造”的主要實現形式，節約成本（běn）、減少燃料消耗（hào），必將成為最（zuì）具潛力發展的產業。

　　

根據獨立市場研究公司MarketsandMarkets在2015年年底（dǐ）發表的報告,全球金（jīn）屬（shǔ）粉末供應的5大公司分別是（shì）Sandvik，Carpenter，GKN，Arcam，LPW Technology。3D打印粉末市場預計在未來幾年會顯著增長，其（qí）中，金屬粉末被報道是（shì）目前3D打印粉末中最（zuì）主要的。Carpenter目前作為全球3D打印粉末市場中最強大（dà）的公司之一，並且肯定是美國的領先公司。根（gēn）據（jù）報告，北美是目前市場上（shàng）最主要的（de）地區，預計在未來幾（jǐ）年將繼續保持領先地位。