3D打印金屬粉末作為金屬零件3D打印產(chǎn)業(yè)鏈最重要的一環(huán)，也是最大的價值所在。在“2013年世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會”上，世界3D打印行業(yè)的權(quán)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(zhì)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(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)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，四者均可制備球形或近球形金屬粉末。
金屬的粉末制備方法
1.等離子旋轉(zhuǎn)電極法(PREP)
等離子旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，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)后得到最終粉末產(chǎn)品。
PREP原理圖
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(zhuǎn)速或增大棒料的直徑，轉(zhuǎn)速提高必然會對設(shè)備密封、振動等提出更高的要求。
PREP金屬粉末
現(xiàn)階段，PREP最先進的設(shè)備及核心技術(shù)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(shù)，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(shè)備，但現(xiàn)階段設(shè)備工藝技術(shù)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(shù)基礎(chǔ)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(shè)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(shè)備，中航邁特、湖南頂立也相繼自主研發(fā)了成套PREP設(shè)備，鈦合金細粉(≤45μm)收得率不足20%。總體來看，我國早期引進和現(xiàn)階段自主研發(fā)的PREP設(shè)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(shù)。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設(shè)備原理圖見圖。
等離子霧化制粉原理圖
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(shù)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(yù)先制備提高了制粉成本，為保證粉末粒度等品質(zhì)控制，生產(chǎn)效率有待提升。
等離子霧化法金屬粉末
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(shù)包括有坩堝真空感應(yīng)熔煉霧化VIGA(Vacuum Induction-melting Gas Atomization)和無坩堝電極感應(yīng)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。
VIGA原理圖
EIGA法將氣霧化技術(shù)與電極感應(yīng)熔煉技術(shù)相結(jié)合，摒棄與金屬熔體相接觸的坩堝等部件，將緩慢旋轉(zhuǎn)的預(yù)合金棒金屬電極降低至一個環(huán)形感應(yīng)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(zhì)引入，實現(xiàn)活性金屬的安全、潔凈熔煉，主要應(yīng)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)。
EIGA原理圖
近年來，粉末生產(chǎn)商和制粉設(shè)備制造商通過對氣霧化制粉技術(shù)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(shù)，并針對增材制造技術(shù)特點，對相關(guān)技術(shù)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(lǐng)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(shù)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(yīng)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。
等離子球化原理示意圖及球形粉末
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。
5.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(yīng)用上受到較大限制。該技術(shù)制備的粗粉在激光快速成型LSF工藝中獲得應(yīng)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(shù)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(yīng)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(yīng)商普遍采用的技術(shù)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。PS法使用高能等離子體來生產(chǎn)高度球形和致密的金屬粉末。其原材料是非球形粉末，氧含量和氫含量高，因此其球形粉末的氧含量很難控制，細粉收得率也取決于其原始粉末的粒度。經(jīng)反復多次使用的增材制造金屬粉末可以作為PS法的原材料進行重新制粉。
幾種金屬粉末制備方法對比
全球增材制造技術(shù)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(yīng)用等方面，歐美發(fā)展更為全面系統(tǒng)。我國增材制造技術(shù)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(shù)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(shù)尚未廣泛開展，這些基礎(chǔ)性裝備建設(shè)和工藝技術(shù)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(shù)體系的建設(shè)和發(fā)展。
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