增材制造用金属粉末材料及其制备技术

摘要：增材制造技术是当前备受关注的先进制造技术之一，经历了原型制造阶段以后，金属增材制造正朝着直接快速成形应用发展。金属粉末作为金属增材制造的关键原材料，已成为我国金属增材制造技术发展的主要短板。等离子旋转电极法（PREP）、等离子雾化法（PA）和气雾化法（GA）是当前制备增材制造用金属粉末的主要方法。同其它制粉方法相比，气雾化法（GA）凭借生产效率高、材料适应范围广、成本较低、细粉收得率可控等优势，已成为全球制粉企业普遍采用的制粉技术。中航迈特利用气雾化法（GA）制粉技术开展了钛合金、镍合金、钴铬合金、贵金属等先进合金粉末材料的开发和批量制备，在多工艺低成本复合制造和应用验证方面实现突破，粉末各项指标满足增材制造使用要求，实现粉末材料重大装备及其技术国产化。

关键词：增材制造；金属粉末；气雾化；等离子旋转电极

中图分类号：TG 文献标识码：A 文章编号：2095—8412（2017）04—059—05

工业技术创新 URL：http：∥ DOI：10.14103/j.issn.2095—8412.2017.04.011

引言

增材制造，亦称3D打印，经过近30年的快速发展，已成为当前备受关注的先进制造技术之一。参照美国材料与试验协会给出的定义：增材制造是依据三维模型数据将材料连接制作成物体的过程。与传统通过去除材料获得零件的方式相比，增材制造技术不需要模具，从设计到成品周期较短，且不受结构及材料的限制。由于以上优点，增材制造技术被一些欧美专家誉为可引领“第三次工业革命”的颠覆性技术，在航空航天、汽车、医疗等行业取得了广泛应用。

我国已建立了较完整的增材制造技术研发体系，在增材制造材料科学基础方面有比较深入的研究，并在金属增材制造零部件力学性能上达到了较高水平，但在关键器件、成形材料、智能化控制和应用范围等方面同国外先进水平有较大差距。现有金属增材制造技术主要包括以粉末床激光/电子束选区熔化技术（Selective Laser Melting，SLM）和同步送粉，送丝高能束（激2光、电子束、电弧等）熔敷成型技术。

球形金属粉末材料是金属增材制造（3D打印）工艺的原材料和耗材。研究开发出高品级的粉末材料是增材制造（3D打印）工艺的首要条件，同时也是新型合金材料设计开发的重要工艺环节。近年来，随着增材制造技术产业的快速发展，全球金属粉末需求旺盛，符合3D打印工艺要求的粉末材料供应短板凸显。欧美多家研究机构和企业不断加大对高品质球形粉末材料的研制，尤其是微细（≤45μm）粉末的研发力度。相比之下，我国高品质球形粉末技术产业基础薄弱，微细（≤45μm）球形粉末大量依赖进口，价格非常昂贵。此外，国外打印设备商采取设备+粉末材料捆绑的营销策略，增加了国内用户对国外设备供应商捆绑材料的依赖，极大制约了我国增材制造材料技术的自主发展。

1金属粉末制备方法

金属粉末由于应用及后续成型工艺要求不同，其制备方法也是各有不同，按制备过程主要包括物理化学法和机械法两种。当前金属的粉末制备方法详见表。

当前增材制造用金属粉末主要集中在钛合金、高温合金、钴铬合金、高强钢和模具钢等材料方面。为满足增材制造装备及工艺要求，金属粉末必须具备较低的氧氮含量、良好的球形度、较窄的粒度分布区间和较高的松装密度等特征。等离子旋转电极法（PREP）、等离子雾化法（PA）和气雾化法（GA）是当前增材制造用金属粉末的主要制备方法，三者均可制备球形或近球形金属粉末。

1.1等离子旋转电极法（PREP）

等离子旋转电极法PREP（Plasma Rotating Electrode-eomminuting Process）是俄罗斯发展起来的一种球形粉末制备工艺。其原理如图1所示，将金属或合金加工成棒料并利用等离子体加热棒端，同时棒料进行高速旋转，依靠离心力使熔化液滴细化，在惰性气体环境中凝固并在表面张力作用下球化形成粉末。

PREP法适用于钛合金、高温合金等合金粉末的制备。该方法制備的金属粉末球形度较高，流动性好，但粉末粒度较粗，SLMS工艺用微细粒度（0～45μm）粉末收得率低，细粉成本偏高。由于粉末的粗细即液滴尺寸的大小主要依靠提高棒料的转速或增大棒料的直径，转速提高必然会对设备密封、振动等提出更高的要求。

现阶段，PREP最先进的设备及核心技术仍掌握在俄罗斯手中，国内单位主要依赖与直接引进或者是在引进后进行吸收消化改进的方式掌握了部分技术，钢铁研究总院、北京航空材料研究院和西北有色金属研究院早期引进了俄罗斯的PREP设备，但现阶段设备工艺技术水平同国际先进有较大差距。国内西安交通大学、中南大学等高校开展了PREP工艺技术基础研究工作。钢铁研究总院和郑州机械研究所联合开发了国内首台大型PREP设备，用于合金粉末材料的研制，但钛合金细粉收得率仍不理想。近几年来，西安欧中公司从俄罗斯引进两套PREP设备，中航迈特、湖南顶立也相继自主研发了成PREP设备，钛合金细粉（≤45μm）收得率不足20%。总体来看，我国早期引进和现阶段自主研发的PREP设备在整机性能上同俄罗斯仍有差距。

1.2等离子雾化法（PA）

等离子雾化法PA（Plasma Atomization）是加拿大AP&C公司独有的金属粉末制备技术。采用对称安装在熔炼室顶端离子体炬，形成高温的等离子体焦点，温度甚至可以高达10000 K，专用送料装置将金属丝送入等离子体焦点，原材料被迅速熔化或汽化，被等离子体高速冲击分散雾化成超细液滴或气雾状，在雾化塔中飞行沉积过程中，与通入雾化塔中的冷却氩气进行热交换冷却凝固成超细粉末，PA设备原理图见图2。

PA法制得的金属粉末呈近规则球形，粉末整体粒径偏细。AP&C公司同瑞典Arcam公司合作，针对当前增材制造市场的快速发展，对产能进行的扩建和提升。由于等离子炬温度高，理论上PA法可制备现有的所有高熔点金属合金粉末，但由于该技术采用丝材雾化制粉，限制了较多难变形合金材料粉末的制备，如钛铝金属间化合物等，同时原材料丝材的预先制备提高了制粉成本，为保证粉末粒度等品质控制，生产效率有待提升。

1.3气雾化法（GA）

目前，增材制造用金属粉末材料的气雾化制备常用技术包括有坩埚的真空感应熔炼雾化VIGA（Vacuum Induction-melting Gas Atomization）和无坩埚的电极感应熔炼气雾化EIGA（Electrode Induction-melting inert Gas Atomization），两种方法原理如图3、图4所示。其中VIGA法主要适用于铁基合金、镍基合金、钴基合金、铝基合金、铜基合金等粉末的生产制备，而EIGA法主要应用于活性金属及其合金、金属间化合物、难熔金属等粉末材料的制备，例如钛及钛合金、钛铝金属间化合物的生产。为了得到更好的粉末形貌和更高的细粉收得率，国内外对合金熔炼和雾化喷嘴技术进行了大量研究。

国外采用气雾化法制备金属粉末由来已久，美国在1985年发表了采用水冷铜坩埚作为熔炼装置的惰性气体雾化技术（VIGA-CC），并在1988年建立了生产线。德国ALD公司于上世纪90年代公布了EIGA的专利，同一时期，日本住友采用此技术迅速建立了年产60T的气雾化钛粉生产线。

近年来，粉末生产商和制粉设备制造商通过对气雾化制粉技术的改进，发展了诸如超声气雾化、紧耦合气雾化、层流气雾化以及热气体雾化技术，并针对增材制造技术特点，对相关技术进行了改进。从2015年9月起，普莱克斯推出增材制造专用的钛合金粉末，并迅速占领了全球大部分市场。同年，老牌粉末制造商Hoeganaes推出了针对于激光选区熔化SLM应用的粉末材料，并制定了针对增材制造气雾化金属粉末的试验标准。

国内气雾化制粉技术起步较晚，最早集中在科研院所及高校。北京航空材料研究院、钢铁研究总院、北京矿冶研究总院等单位通过引进国外先进制粉科研设备，逐步掌握了气雾化制粉技术。而针对增材制造用金属粉末，国内并没有进行系统研究，大部分粉末主要针对传统粉末冶金、热喷涂等工艺研制，粉末对于增材制造工艺的适用性较差。

随着金属增材制造技术的发展，越来越多的院所和企业开始进行增材制造用金属粉末的研发。中航迈特公司通過消化吸收德国、英国先进技术，自主研发建造多条EIGA、VIGA制粉装置。经过工艺技术攻关，钛基合金粉末细粉（≤45μm）收得率达到30%～55%左右，掌握了一整套球形钛基合金粉末制备核心关键技术，达到或超越了同类型进口设备技术水平。粉末经过分级处理后，满足激光选区熔化SLM、激光快速成型LSF等增材制造工艺使用要求。

2方法对比

PREP法制备的粉末粒度范围分布较窄，不易获得微细粉末，细粉收得率较低，由于细粉成本居高不下，这使得其在SIM工艺应用上受到较大限制。该技术制备的粗粉在激光陕速成型LSF工艺中获得应用。

PA法已经用于常规牌号钛及钛合金粉末的批量制备，通粉中含有卫星粉、片状粉、纳米颗粒等，经处理后其粉末流动性良好。由于需要丝材作为原材料，该技术在制备难变形金属材料方面遇到瓶颈，材料适用范围窄。在生产镍基合金、铁基合金等非活性金属粉末方面，其生产成本较高。

VIGA法制粉由于其效率高、合金适应范围广、成本低、粉末粒度可控等优势，是全球范围内增材制造粉末供应商普遍采用的技术方法。EIGA法在制备活性金属粉末方面相比于PREP法具有节约材料，生产灵活，细粉产出多等优势，适宜SLM工艺用钛合金粉末的生产制备。

关于三种方法的对比，总结于表2。

3结语

全球增材制造技术产业正处于高速发展期，在增材制造材料、装备、工艺、应用等方面，欧美发展更为全面系统。我国增材制造技术发展多集中于打印成型过程，在合金材料研究方面重视不够，粉末材料的制造装置及工艺技术研究投入明显不足，新合金粉末材料开发和多工艺复合低成本制粉技术尚未广泛开展，这些基础性装备建设和工艺技术研究的缺失很大程度上影响了我国自主增材制造材料技术体系的建设和发展。

中航迈特粉冶科技（北京）有限公司经多年技术攻关，自主开发了大容量微细钛合金制粉装置及其工艺技术，填补国内空白，实现增材制造用钛合金关键金属材料国产化：形成一整套自主知识产权，摆脱依赖进口局面，助力我国金属增材制造材料技术的自主发展。