2021年5月，金屬粉末3D打印技術(shù)被正式納入國(guó)家“十四五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。隨著3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展，制備高質(zhì)量低成本3D打印用金屬粉末的技術(shù)受到國(guó)內(nèi)外研究者的高度關(guān)注。

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3D打印金屬粉末要具備良好的可塑性，滿足粉末純凈度高、氧含量低、粒徑細(xì)小、粒度分布較窄、球形度高、流動(dòng)性好和松裝密度高等要求。目前，3Ｄ打印用金屬粉末制備方法主要包括電極感應(yīng)霧化法（EIGA）、等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法（PREP）、等離子球化法（PA）、真空感應(yīng)熔煉氣體霧化（VIGA）法及水霧化法等，相比較而言，EIGA法、PREP法、PA法制備粉末應(yīng)用更為廣泛。

1 電極感應(yīng)霧化（EIGA）

電極感應(yīng)霧化因采用無(wú)坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)進(jìn)行制粉，有效保證了原材料的干潔度，避免了金屬粉末中夾雜物及熔煉過(guò)程造成的污染問(wèn)題。

以EIGA法制備TC4合金粉末為例，粒徑分布主要在１～180μｍ范圍，EIGA法制備粉末主要為球形和近球形粉末，通過(guò)調(diào)整功率等工藝參數(shù)，細(xì)粉收得率可高達(dá)到82％，粉末球形度高達(dá)99％，滿足激光3Ｄ打印對(duì)粉末粒徑的要求；此外，EIGA法制備金屬粉末通常效率高、能耗較低，但感應(yīng)線圈對(duì)電極尺寸的限制制約了大直徑電極材料霧化技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)熔煉時(shí)電極的偏析會(huì)一定程度上造成合金粉末成分不均，制備粉末時(shí)“傘效應(yīng)”會(huì)導(dǎo)致粉末整體粒徑分布較寬，顆粒存在較多的“衛(wèi)星粉”、異形粉和空心粉，進(jìn)而導(dǎo)致粉末流動(dòng)性下降，松裝密度及振實(shí)密度較低，此外，EIGA法制備粉末還普遍存在易粘結(jié)、孔隙率高等問(wèn)題。圖1為EIGA法制備TC4合金粉末SEM照片及粉末粒徑分布圖。

圖1 圖片來(lái)源：鋼鐵研究學(xué)報(bào)

2 等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法（PREP）

旋轉(zhuǎn)電極法是以金屬或合金為自耗電極，其端面受電弧加熱而熔融為液體，并在電極高速旋轉(zhuǎn)的離心力的作用下，將液體拋出并粉碎為細(xì)小液滴，其原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2  旋轉(zhuǎn)電極工藝原理圖

PREP法是基于熔滴在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力作用，在惰性氣氛中因表面張力作用形成球形顆粒，在鈦及鈦合金、鐵基、鎳基合金粉末制備中有著較為廣泛的應(yīng)用。

目前而言，國(guó)內(nèi)PREP制粉技術(shù)已取得長(zhǎng)足進(jìn)步，工藝技術(shù)日趨成熟，制備金屬粉末其球形度可高達(dá)99.6％且無(wú)“衛(wèi)星粉”和異形粉，粉末制備中無(wú)“傘效應(yīng)”產(chǎn)生，粉末粒徑較窄，在50～125μｍ的粉末占比超過(guò)70％，且最大粒徑不超過(guò)300μｍ，粉末表面光滑，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低且不超過(guò)0.055％，流動(dòng)性良好松裝密度較高，完全滿足３Ｄ打印對(duì)粉末的工藝要求，隨著PREP技術(shù)的不斷發(fā)展已可以滿足科研和批量生產(chǎn)需求，但核心技術(shù)仍與國(guó)外水平存在差距，細(xì)粉收得率仍顯不足，成本相對(duì)較高。

3 等離子球化法（PA）

球化法主要是對(duì)破碎法和理化法生產(chǎn)的不規(guī)則粉體進(jìn)行球化處理，是獲得致密球形顆粒的最有效手段之一。其原理是利用溫度高、能源密度大的熱源 ( 等離子) ，將粉末顆粒迅速加熱熔化，并在其表面張力作用下縮聚成球形液滴，進(jìn)入冷卻室后快速冷卻而得到球形粉末。

目前，球化法制備工藝主要分為射頻離子球化法和激光球化法兩種。由于初始粉體會(huì)產(chǎn)生一定的團(tuán)聚現(xiàn)象，在球化過(guò)程中會(huì)使其整體熔融，導(dǎo)致制備的球形金屬粉末粒度增大。

圖3 球化法處理前后的氫化鈦粉末SEM照片

等離子球化法制備的粉末多為近球形，粉末中無(wú)空心球粉但表面粘附有少量細(xì)小“衛(wèi)星粉”，流動(dòng)性稍差，粉末粒度則主要分布在20.7～45.4μｍ，細(xì)粉收得率可達(dá)60％～70％，適于粉末的大批量生產(chǎn)；但由于通常采用絲材霧化制粉，要求原材料具有良好的加工性能，制約了難變形合金粉末的制備，同時(shí)成本較高。

PA法中采用較多的是射頻等離子球化法（RFP），可將不規(guī)則的粉末顆粒由攜帶氣體通過(guò)加料槍噴入等離子體炬中，高溫等離子體使粉末迅速吸熱熔化，在表面張力的作用下形成球狀液滴，并在極短的時(shí)間內(nèi)驟冷凝固，最終達(dá)到對(duì)異形粉的“整形”得到球形粉末。利用RFP法制備球形粉末通常具有工藝簡(jiǎn)單、粉末粒度細(xì)小、球形度高、純度高、流動(dòng)性良好等優(yōu)點(diǎn)，但球化后的粉末通常需要二次篩分，效率有待提高。目前，已成功對(duì)Ti、Ｃu、Ｎi、Ｗ、Ｔa、Ｍo等金屬粉末實(shí)現(xiàn)球化處理。

表１為EIGA、PREP及PA法制備TC4合金粉末的工藝性能對(duì)比。

隨著金屬 3D 打印產(chǎn)業(yè)的日新月異，3D打印金屬粉末制備技術(shù)也將進(jìn)一步完善及產(chǎn)業(yè)化。針對(duì) 3D 打印對(duì)金屬粉末性能要求的嚴(yán)格性，目前國(guó)內(nèi)具備一定的生產(chǎn)能力，可以實(shí)現(xiàn)一定規(guī)?；a(chǎn)，但仍存在工藝穩(wěn)定性問(wèn)題，高端 3D 打印用金屬基粉末基本依賴進(jìn)口，為此，我國(guó)應(yīng)加大技術(shù)投入，借鑒成熟的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，自主研發(fā)新技術(shù)新工藝，促進(jìn) 3D 打印用金屬粉末制備技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。

參考來(lái)源：

【1】李安等.3Ｄ打印用金屬粉末制備技術(shù)研究進(jìn)展.鋼鐵研究學(xué)報(bào).2018年.

【2】尚青亮等. 3D 打印用球形金屬粉末制備工藝.云南冶金.2018年.