2.3.2　金屬3D打印用粉末及制備技術發展現狀

目前，定向能量沉積和粉末床熔融等主流3D打印技術均要求粉末原料具有良好的流動性，因此通常選用球形粉末作為原料。全球主要的3D打印用球形金屬粉末供應商及其技術類型和產能情況如表2-1所示。據不完全統計，全球鈦合金、鐵合金、鋁合金、鎳基合金等常用金屬球形粉末的產能超過4萬噸，但由于大部分粉末供應商都是面向注射成型、熱等靜壓、噴涂等傳統技術領域，其現有粉末產品對于金屬3D打印技術適應性不足，造成目前可用的粉末種類少、品種單一，并且價格昂貴。

從目前的發展情況來看，氣霧化、等離子旋轉電極霧化、等離子熔絲霧化和等離子球化技術，是目前3D打印領域主要的粉末制備技術。表2-2對比了這四種制備技術的適用材料、粉末粒度、應用技術以及國內裝備技術發展情況。

（1）等離子旋轉電極霧化

美國Nuclear公司于20世紀70年代發明等離子旋轉電極法（plasma rotating electrode process，PREP），該技術裝置示意圖如圖2-8所示：陽極金屬棒連接在高速旋轉（轉速＞15000r/min）的旋轉軸上，在等離子熱弧作用下熔化，熔融金屬液滴在離心力的作用下沿切線方向上發散成小液滴，最終凝固球化成粉，整個過程在真空或者惰性氣體保護氣氛下進行。該方法制備的金屬粉末球形度高，內部氣孔少，流動性好，粉末粒度分布窄，主要集中在75～150μm范圍內，是定向能量沉積3D打印用粉末原料的主要制備技術。

我國西北有色金屬研究院等單位早在20世紀80年代就開發出了等離子旋轉電極霧化制粉裝備和技術。目前裝備已發展到第三代，電極轉速高于18000r/min，制備的球形鈦合金粉末已經批量應用于定向能量沉積3D打印技術。目前，西安賽隆金屬材料有限公司正在開發新一代超高轉速PREP裝備，以滿足粉末床熔融3D打印技術的需求。

（2）氣霧化

氣霧化法是目前制備球形粉末最普遍的方法，其原理是借助高速氣流對熔融金屬液流進行沖擊破碎快冷形成金屬粉末。氣霧化制粉技術起源于20世紀20年代，最初利用空氣霧化制取有色金屬粉末，隨著第二次世界大戰的爆發，鐵粉的需求量急劇增加，Mannesmann利用錐形空氣氣流粉碎熔融鐵水成功制得了高性能鐵粉，其基本的設計和原理一直沿用至今。根據原料的熔化方式以及噴嘴結構衍生出了多種技術，這里主要介紹目前3D打印用球形金屬粉末最為常用的真空感應熔煉霧化（vacuum induction-melting gas atomization，VIGA）和電極感應熔煉霧化（electrode induction-melting inert gas atomization，EIGA）兩種技術（圖2-9）。

VIGA是將合金在坩堝中于真空狀態下感應熔煉至熔融狀態，熔融態的合金液流流入霧化器被高速氣流擊碎形成細小液滴，液滴在霧化室飛行過程中迅速冷卻凝固為粉末顆粒。由于熔煉過程是在坩堝中進行，因此VIGA法主要適用于鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金、鋁基合金、銅基合金等非活性金屬粉末的制備。

EIGA是將合金加工成棒料，棒料尖端在錐形線圈中受到感應加熱作用而逐漸熔化形成熔體液流，在重力作用下熔體液流直接流入錐形線圈下方霧化器，經過高壓氣體作用將液流破碎成小液滴，液滴在霧化室飛行過程中，通過自身表面張力球化凝固形成金屬粉末。由于EIGA技術制備過程中原料不與坩堝接觸，因此制備的粉末純度高、球形度好、組織均勻，適合制備各種活性金屬以及貴金屬，例如Ti、Zr、Nb等。相比于PREP技術，氣霧化技術的細粉收得率較高，所制備的粉末平均粒徑一般在40～100μm。

歐美已經掌握了包括EIGA和VIGA在內的多種霧化制粉技術，并開發出了工業級的制備裝備，如英國PSI公司（VIGA-CC裝備制造商）、德國ALD公司（EIGA裝備制造商），實現了鈦合金、鎳合金、鋁合金等球形金屬粉末的批量化生產，均可制備100μm以下粒徑的球形合金粉末。

氣霧化技術生產的球形粉末雖然能夠基本滿足當前金屬3D打印技術的基本需求，但由于45μm以下粉末的收得率低（＜40%），造成粉末價格偏高。另外，氣霧化技術制備的粉末中含有一定量的空心粉和衛星粉（如圖2-10所示），這些原料缺陷不僅會影響3D打印成形過程的穩定性，粉末中的微小孔洞會遺傳至3D打印零件中，對制件的力學性能產生影響。

針對以上問題，近年來歐美正致力于開發45μm以下球形金屬粉末低成本、規模化生產技術，以適應金屬3D打印的產業發展需求。如隸屬于美國Ames實驗室的Iowa Powder Atomization Technologies公司采用氣霧化技術，通過改進霧化噴嘴設計和提高霧化熔液過熱度的方式，將45μm以下鈦合金粉末收率提高至60%，雖然還處于實驗室研究階段，但由于該技術的重大突破有望實現細粒徑、低成本鈦合金粉末的規模化生產，因此，最近被美國制粉巨頭——Praxair公司收購，目前正努力將其進行產業化。

我國在氣霧化制備技術方面起步較晚，國內相關單位如中南大學、沈陽金屬所、北京航空材料研究院、鋼鐵研究總院等單位通過引進國外先進制粉設備，逐步掌握了氣霧化制粉技術，但大部分粉末主要是針對傳統粉末冶金、熱噴涂等工藝研制，對于3D打印工藝的適用性較差。隨著金屬3D打印技術的發展，越來越多的院所和企業開始進行3D打印用金屬粉末的研發，中航邁特等相關企業通過消化吸收國外公司先進技術，研發出了VIGA、EIGA制粉裝備。西北有色金屬研究院目前正在開展水冷銅坩堝霧化鈦合金粉末制備技術的研究。總體而言，我國在氣霧化制粉技術方面與國外還存在一定的差距，制備的球形粉末穩定性較差，還未實現高品質、細粒徑球形金屬粉末的規模穩定生產，導致目前我國超細金屬粉末自給率嚴重不足，基本依賴進口。

（3）等離子熔絲霧化

等離子熔絲霧化（plasma atomization，PA）技術由加拿大Pegasus Refractory Materials公司發明，是一種雙流霧化技術，加熱源由3個等離子噴槍組成，原料絲材被等離子弧加熱熔化，在高溫霧化氣體作用下充分球化凝固成粉。等離子熔絲霧化技術使熔化和霧化過程同時進行，粉末平均粒度為40μm，粉末粒度較細、粉末球形度高、純度高、無衛星粉。等離子熔絲霧化可以將活性金屬和高熔點金屬制成優質的球形粉末，包括鈦、鎳、鋯、鉬、鈮、鉭、鎢及其合金，如圖2-11所示。PA法理論上可制備所有的合金粉末，但由于該技術采用絲材霧化制粉，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先制備提高了制粉成本。

加拿大AP&C公司在等離子熔絲霧化技術上處于壟斷地位，其生產的球形鈦合金粉末供應全球50%以上的粉末床3D打印，國內高端球形粉末基本全部由AP&C公司進口。作為Arcam的子公司，其等離子熔絲制粉設備對國內完全禁售，而國內在該技術方面目前基本處于空白。

（4）等離子球化

等離子球化技術（plasma spheroidization，PS）是利用等離子體能量密度高、加熱強度大的優點，將形狀不規則的原料粉體送入等離子體弧，原料被迅速加熱、熔化從而形成球形液滴，液滴在極高的溫度梯度下迅速冷卻，得到致密規則的球形顆粒。由于等離子體的能量密度高，同時等離子炬無需電極，因而排除了因為電極（例如鎢）消耗蒸發對粉末造成的污染，并且球化后無空心粉末顆粒。因此，PS技術通常用來制備高活性以及難熔金屬的球形粉末，如鈦合金、鉬、鉭、鎢等（圖2-12）。

英國LPW和加拿大的泰克納（TEKNA）公司已經成功實現了W、Mo、Re、Ta、Ni、Cu等金屬粉末的球化處理，并開發出了工業級的等離子球化商用設備。國內從20世紀80年代開始探索利用PS技術制備球形金屬粉末，中國科學院過程工程研究所、西南物理研究院、北京科技大學等單位開發出了自主知識產權的等離子球化裝備，實現了鈦合金、鎢、鉬等球形金屬粉末的制備。盡管如此，目前國內外等離子球化技術制備球形金屬粉末在3D打印領域的應用報道還較少。