2.2.2　金屬3D打印用粉末制備技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

金屬3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展極大地刺激了高品質(zhì)金屬粉末的市場需求。根據(jù)“Wohlers Report 2018”［57］，金屬3D打印設(shè)備2017年銷量為1768臺/套，較2016年的983臺/套增長了約80%。而專用金屬粉末的市場增長率也超過30%，其中2017年較2016年增長了50%。良好的市場前景使3D打印金屬粉末制備技術(shù)也備受矚目。全球目前主要的3D打印用球形金屬粉末供應(yīng)商、技術(shù)類型以及產(chǎn)能情況如表2-3所示。據(jù)估計，全球的金屬球形粉末產(chǎn)能大于4萬噸，主要用于熱等靜壓、噴涂等傳統(tǒng)粉末冶金行業(yè)。

（1）氣霧化制備技術(shù)現(xiàn)狀

氣霧化技術(shù)是3D打印球形粉末制備使用最為廣泛的技術(shù)。代表性的國外工業(yè)級氣霧化裝備生產(chǎn)廠家有英國的PSI 公司和德國ALD公司，其霧化裝備適用于3D打印粉末，特別是航空航天用的鈦合金、鎳基高溫合金制備。其關(guān)鍵技術(shù)除了前文描述的氣霧化機(jī)理與氣體噴嘴以外，還包括對金屬原料棒材熔煉過程的控制。以ALD公司EIGA技術(shù)為例，為保證熔融液流的穩(wěn)定性，感應(yīng)線圈的實時功率與棒材熔融溫度必須嚴(yán)格耦合，這需要大量的模擬計算與實驗研究。

氣霧化粉末雖然有產(chǎn)量大、成本相對低等優(yōu)勢，但是粉末由于存在衛(wèi)星球和空心球等缺陷，對3D打印過程和制件性能影響較大，因此國外掌握核心技術(shù)的公司致力于氣霧化技術(shù)的新發(fā)展，以適應(yīng)金屬3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。例如美國Ames 實驗室 Iowa Powder Atomization Technologies 公司改進(jìn)氣霧化噴嘴和工藝，將氣霧化粉末細(xì)粉（<45μm）收得率從40%提高到60%，極大提高了鈦合金的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。該公司于2016年被美國PRAXAIR公司收購，準(zhǔn)備實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。此外，德國Nanoval 公司通過對噴嘴結(jié)構(gòu)的設(shè)計，實現(xiàn)霧化氣體的層流運動，利用剪切力作用得到的霧化粉體空心率、衛(wèi)星球大幅降低和減少，制備粉末中位徑在30μm以下，但該技術(shù)目前的產(chǎn)量不大，仍有待進(jìn)一步改進(jìn)。

我國在氣霧化技術(shù)方面起步較晚，國內(nèi)相關(guān)研究單位如中南大學(xué)、中科院沈陽金屬所、北京航空材料研究院、鋼鐵研究總院等通過引進(jìn)國外先進(jìn)制粉設(shè)備，逐漸掌握了氣霧化制粉技術(shù)。根據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)進(jìn)口氣霧化裝置超過50臺。自制氣霧化設(shè)備技術(shù)上不適宜3D打印粉末的批量化穩(wěn)定生產(chǎn)，因此近年來，中航邁特等國內(nèi)企業(yè)在引進(jìn)吸收的基礎(chǔ)上，研發(fā)出VIGA和EIGA等制粉設(shè)備。西北有色金屬研究院也在開展水冷銅坩堝真空氣霧化技術(shù)（VIGA-CC）和裝備的研發(fā)。總體而言，我國在氣霧化制備技術(shù)方面與國外存在較大差距，粉末制備過程中穩(wěn)定性較差，無法實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。

（2）等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化

等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化技術(shù)在20世紀(jì)70年代由美國Nuclear公司發(fā)明，此后蘇聯(lián)將該技術(shù)應(yīng)用于制備航空用鎳基高溫合金粉末盤的生產(chǎn)。國內(nèi)西北有色金屬研究院和鄭州機(jī)械研究所均自制研發(fā)了PREP設(shè)備，特別是西北有色金屬研究院自20世紀(jì)80年代開始，至今已經(jīng)發(fā)展了三代裝備，電極轉(zhuǎn)速大于18000r/min，制備的鈦合金粉已經(jīng)批量應(yīng)用于定向能量沉積3D打印技術(shù)。目前，其下屬的西安賽隆公司正在研發(fā)新一代超高轉(zhuǎn)速裝備，以滿足粉床3D打印技術(shù)的需求。目前國內(nèi)裝備有20余臺PREP設(shè)備，主要從事滿足航空航天等高端需求的鈦合金、鎳基高溫合金、鈷鉻合金的生產(chǎn)。

（3）等離子霧化技術(shù)

國際上，加拿大AP&C公司擁有壟斷技術(shù)，其生產(chǎn)的球形鈦合金粉末供應(yīng)全球50%以上的粉末床3D打印設(shè)備。其母公司Arcam于2017年被GE收購。然而該公司不出售等離子霧化設(shè)備，國內(nèi)此方面研究尚屬空白。最新動態(tài)表明，加拿大PyroGenesis公司在2017年宣布取得了等離子霧化技術(shù)的專利授權(quán)，并投資建立3D打印專用鈦合金粉末生產(chǎn)線。

（4）射頻等離子球化

加拿大TEKNA公司是該技術(shù)的代表性企業(yè)，他們在開發(fā)出工業(yè)級球化設(shè)備的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了各種難熔金屬的球化處理。國內(nèi)目前有30余臺等離子球化設(shè)備，其中絕大部分進(jìn)口自TEKNA公司。國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)，如中科院過程工程研究所、西南物理研究院、北京科技大學(xué)等單位開發(fā)了自主的等離子球化設(shè)備，但是其穩(wěn)定性和實用化較國外設(shè)備存在一定差距，沒有實現(xiàn)商業(yè)化。

綜上所述，金屬3D打印用粉末制備技術(shù)仍有很大的發(fā)展空間，需要加強(qiáng)粉末制備技術(shù)的基礎(chǔ)研究。例如氣霧化機(jī)理涉及氣體動力學(xué)、氣液兩相流場耦合等多學(xué)科交叉；等離子體技術(shù)也需要等離子物理、等離子流體力學(xué)的共同支撐，只有突破了裝備背后的原理機(jī)理，才能實現(xiàn)高端制粉技術(shù)的全面突破。