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      科技發(fā)展
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      我國增材制造（3D 打?。┙饘俜垠w的制備技術(shù)發(fā)展現狀
      來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng)    更新時(shí)間：2015-04-15 10:28:05    瀏覽次數：
       
            （中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）3D 打印技術(shù)是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項新興技術(shù)，被稱(chēng)為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”，已成為現代模型、模具和零部件制造的有效手段，在航空航天、汽車(chē)摩托車(chē)、家電、生物醫學(xué)等領(lǐng)域得到了一定應用， 在工程和教學(xué)研究等領(lǐng)域也占有獨特地位。3D 打?。?D printing）是以計算機3 維設計模型為藍本，通過(guò)軟件分層離散和數控成型系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉體、陶瓷粉體、塑料、細胞組織、沙子等特殊材料進(jìn)行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品。
             3D 打印的原材料較為特殊，必須能夠液化、粉體化、絲化，在打印完成后又能重新結合起來(lái)，并具有合格的物理化學(xué)性質(zhì)。金屬零件3D 打印技術(shù)作為整個(gè)3D 打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。目前，國內3D 打印耗材金屬粉體制備難度大、產(chǎn)量小、產(chǎn)品性能低，國外廠(chǎng)家壟斷市場(chǎng)，價(jià)格昂貴。因此，對3D 打印耗材金屬粉體制備方法的研究尤為重要。
      1   3D 打印金屬粉體
             3D 打印金屬粉體作為金屬零件3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈最重要的一環(huán)，也是最大的價(jià)值所在。在“2013 年世界3D 打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì )”[3]上，世界3D 打印行業(yè)的權威專(zhuān)家對3D 打印金屬粉體給予明確定義，即指尺寸小于1mm 的金屬顆粒群。包括單一金屬粉體、合金粉體以及具有金屬性質(zhì)的某些難熔化合物粉體。目前，3D 打印金屬粉體材料包括鈷鉻合金、不銹鋼、工業(yè)鋼、青銅合金、鈦合金和鎳鋁合金等。但是3D 打印金屬粉體除需具備良好的可塑性外，還必須滿(mǎn)足粉體粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動(dòng)性好和松裝密度高等要求。
             為了進(jìn)一步證明3D 打印金屬粉體對產(chǎn)品的影響。作者采用選擇性激光燒結法（SLS 法）打印兩種不同的不銹鋼粉體，發(fā)現制備出的產(chǎn)品存在明顯差異。德國某廠(chǎng)家的不銹鋼粉體打印樣品表面光澤、收縮率小、不易變形、力學(xué)性能穩定。而國內某廠(chǎng)家的不銹鋼粉體的打印樣品則遠遠不及前者。為此，對兩種不同的不銹鋼粉體進(jìn)行的微觀(guān)形貌分析。圖1 為德國某廠(chǎng)家不銹鋼粉體的微觀(guān)結構，從圖中可以看出，粉體顆粒球形度好，顆粒尺寸分布在11.2~63.6μm 范圍內。圖2 為國內某廠(chǎng)家的不銹鋼粉體的微觀(guān)結構，可以看出，其顆粒為不規則塊狀，尺寸較小。

             通過(guò)上述研究表明，3D 打印耗材金屬粉體需滿(mǎn)足粒徑細小、粒度分布窄、球形度高、流動(dòng)性好和松裝密度高。因此，為了得到所需優(yōu)異性能的3D 打印產(chǎn)品，必須尋求一種高效的金屬粉體制備方法。
      2   金屬粉體的制備工藝
             目前，粉體制備方法按照制備工藝主要可分為：還原法、電解法、羰基分解法、研磨法、霧化法等。其中，以還原法、電解法和霧化法生產(chǎn)的粉體作為原料應用到粉體冶金工業(yè)的較為普遍。但電解法和還原法僅限于單質(zhì)金屬粉體的生產(chǎn)，而對于合金粉體這些方法均不適用。霧化法可以進(jìn)行合金粉體的生產(chǎn)，同時(shí)現代霧化工藝對粉體的形狀也能夠做出控制，不斷發(fā)展的霧化腔結構大幅提高了霧化效率，這使得霧化法逐漸發(fā)展成為主要的粉體生產(chǎn)方法。霧化法滿(mǎn)足3D 打印耗材金屬粉體的特殊要求。
             霧化法是指通過(guò)機械的方法使金屬熔液粉碎成尺寸小于150μm 左右的顆粒的方法。按照粉碎金屬熔液的方式分類(lèi)，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(diǎn)，且都已成功應用于工業(yè)生產(chǎn)。其中水氣霧化法具有生產(chǎn)設備及工藝簡(jiǎn)單、能耗低、批量大等優(yōu)點(diǎn)，己成為金屬粉體的主要工業(yè)化生產(chǎn)方法。
      2.1 水霧化法
             在霧化制粉生產(chǎn)中，水霧化法是廉價(jià)的生產(chǎn)方法之一。因為霧化介質(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(lái)生產(chǎn)鋼鐵粉體、金剛石工具用胎體粉體、含油軸承用預合金粉體、硬面技術(shù)用粉體以及鐵基、鎳基磁性粉體等。然而由于水的比熱容遠大于氣體，所以在霧化過(guò)程中，被破碎的金屬熔滴由于凝固過(guò)快而變成不規則狀，使粉體的球形度受到影響。另外一些具有高活性的金屬或者合金，與水接觸會(huì )發(fā)生反應，同時(shí)由于霧化過(guò)程中與水的接觸，會(huì )提高粉體的氧含量。這些問(wèn)題限制了水霧化法在制備球形度高、氧含量低的金屬粉體的應用。
             但是，金川集團股份有限公司發(fā)明了一種水霧化制備球形金屬粉體的方法，其采用在水霧化噴嘴下方處再設置一個(gè)二次冷水霧化噴嘴，進(jìn)行二次霧化。該發(fā)明得到的粉體不僅球形度接近氣霧化效果，而且粉體粒度比一次水霧化更細。
      2.2 氣霧化法
             氣霧化法是生產(chǎn)金屬及合金粉體的主要方法之一。氣霧化的基本原理是用高速氣流將液態(tài)金屬流破碎成小液滴并凝固成粉體的過(guò)程。由于其制備的粉體具有純度高、氧含量低、粉體粒度可控、生產(chǎn)成本低以及球形度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為高性能及特種合金粉體制備技術(shù)的主要發(fā)展方向。但是，氣霧化法也存在不足，高壓氣流的能量遠小于高壓水流的能量，所以氣霧化對金屬熔體的破碎效率低于水霧化，這使得氣霧化粉體的霧化效率較低，從而增加了霧化粉體的制備成本。目前，具有代表性的幾種氣霧化制粉技術(shù)氣霧化如下。
      2.2.1 層流霧化技術(shù)
             層流霧化技術(shù)是由德國Nanoval 公司等提出，該技術(shù)對常規噴嘴進(jìn)行了重大改進(jìn)。圖3 為層流霧化噴嘴結構圖。改進(jìn)后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(zhì)霧化銅、鋁、316L 不銹鋼等，粉體平均粒度達到10μm。該工藝的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是氣體消耗量低，經(jīng)濟效益顯著(zhù)，并且適用于大多數金屬粉體的生產(chǎn)。缺點(diǎn)是技術(shù)控制難度大，霧化過(guò)程不穩定，產(chǎn)量?。ń饘儋|(zhì)量流率小于1 kg/min），不利于工業(yè)化生產(chǎn)。Nanoval 公司正致力于這些問(wèn)題的解決。
      2.2.2 超聲緊耦合霧化技術(shù)
             超聲緊耦合霧化技術(shù)是由英國PSI 公司提出。該技術(shù)對緊耦合環(huán)縫式噴嘴進(jìn)行結構優(yōu)化，使氣流的出口速度超過(guò)聲速，并且增加金屬的質(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。在霧化高表面能的金屬如不銹鋼時(shí)，粉體平均粒度可達20μm左右，粉體的標準偏差最低可以降至1.5μm。該技術(shù)的另一大優(yōu)點(diǎn)是大大提高了粉體的冷卻速度，可以生產(chǎn)快冷或非晶結的粉體。從當前的發(fā)展來(lái)看，該項技術(shù)設備代表了緊耦合霧化技術(shù)的新的發(fā)展方向，且具有工業(yè)實(shí)用意義，可以廣泛應用于微細不銹鋼、鐵合金、鎳合金、銅合金、磁性材料、儲氫材料等合金粉體的生產(chǎn)。
      2.2.3 熱氣體霧化法
             近年來(lái)，英國的PSI 公司和美國的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。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準偏差均隨溫度升高而降低。與傳統的霧化技術(shù)相比，熱氣體霧化技術(shù)可以提高霧化效率，降低氣體消耗量，易于在傳統的霧化設備上實(shí)現該工藝，是一項具有應用前景的技術(shù)。但是，熱氣體霧化技術(shù)受到氣體加熱系統和噴嘴的限制，僅有少數幾家研究機構進(jìn)行研究。
      2.3 國內3D 打印金屬粉體的霧化工藝
             目前，我國河南黃河旋風(fēng)股份有限公司已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入3D 打印金屬粉體研發(fā)。其所用的粉體制備工藝如真空霧化制粉、超高壓水霧化制粉、惰性氣體緊耦合霧化制粉技術(shù)。下面著(zhù)重介紹前兩種霧化技術(shù)。
      2.3.1 真空霧化制粉
             真空霧化制粉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，高壓氣流將金屬液體霧化破碎成大量細小的液滴，液滴在飛行中凝固成球形或是亞球形顆粒。真空霧化制粉可以制備大多數不能采用在空氣中和水霧化方法制造的金屬及其合金粉體，可得到球形或亞球形粉體。由于凝固快克服了偏析現象，可以制取許多特殊合金粉體。采用合適的工藝，可以使粉體粒度達到一個(gè)要求的范圍。
      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制備金屬粉體的一種方法。圖5（a）為高壓霧化噴嘴，圖5（b）為超高壓霧化噴嘴。超高壓霧化噴嘴的特點(diǎn)是可以在較低的氣壓下產(chǎn)生更高的超音速氣流和均勻的氣體速度場(chǎng)，從而更加有效抑制有害激波的產(chǎn)生，明顯增加氣體的動(dòng)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化效果，而且氣流速度更加穩定和均勻。同時(shí)，制得的粉體粒徑小、分布窄。
      3 結論
             近年來(lái)，我國積極探索3D 打印金屬粉體制備技術(shù)，初步取得成效。自20 世紀90 年代初以來(lái)，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等高校，在3D 打印材料技術(shù)方面，開(kāi)展了積極的探索，已有部分技術(shù)處于世界先進(jìn)水平。

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