2.3.2　金属3D打印用粉末及制备技术发展现状

目前，定向能量沉积和粉末床熔融等主流3D打印技术均要求粉末原料具有良好的流动性，因此通常选用球形粉末作为原料。全球主要的3D打印用球形金属粉末供应商及其技术类型和产能情况如表2-1所示。据不完全统计，全球钛合金、铁合金、铝合金、镍基合金等常用金属球形粉末的产能超过4万吨，但由于大部分粉末供应商都是面向注射成型、热等静压、喷涂等传统技术领域，其现有粉末产品对于金属3D打印技术适应性不足，造成目前可用的粉末种类少、品种单一，并且价格昂贵。

从目前的发展情况来看，气雾化、等离子旋转电极雾化、等离子熔丝雾化和等离子球化技术，是目前3D打印领域主要的粉末制备技术。表2-2对比了这四种制备技术的适用材料、粉末粒度、应用技术以及国内装备技术发展情况。

（1）等离子旋转电极雾化

美国Nuclear公司于20世纪70年代发明等离子旋转电极法（plasma rotating electrode process，PREP），该技术装置示意图如图2-8所示：阳极金属棒连接在高速旋转（转速＞15000r/min）的旋转轴上，在等离子热弧作用下熔化，熔融金属液滴在离心力的作用下沿切线方向上发散成小液滴，最终凝固球化成粉，整个过程在真空或者惰性气体保护气氛下进行。该方法制备的金属粉末球形度高，内部气孔少，流动性好，粉末粒度分布窄，主要集中在75～150μm范围内，是定向能量沉积3D打印用粉末原料的主要制备技术。

我国西北有色金属研究院等单位早在20世纪80年代就开发出了等离子旋转电极雾化制粉装备和技术。目前装备已发展到第三代，电极转速高于18000r/min，制备的球形钛合金粉末已经批量应用于定向能量沉积3D打印技术。目前，西安赛隆金属材料有限公司正在开发新一代超高转速PREP装备，以满足粉末床熔融3D打印技术的需求。

（2）气雾化

气雾化法是目前制备球形粉末最普遍的方法，其原理是借助高速气流对熔融金属液流进行冲击破碎快冷形成金属粉末。气雾化制粉技术起源于20世纪20年代，最初利用空气雾化制取有色金属粉末，随着第二次世界大战的爆发，铁粉的需求量急剧增加，Mannesmann利用锥形空气气流粉碎熔融铁水成功制得了高性能铁粉，其基本的设计和原理一直沿用至今。根据原料的熔化方式以及喷嘴结构衍生出了多种技术，这里主要介绍目前3D打印用球形金属粉末最为常用的真空感应熔炼雾化（vacuum induction-melting gas atomization，VIGA）和电极感应熔炼雾化（electrode induction-melting inert gas atomization，EIGA）两种技术（图2-9）。

VIGA是将合金在坩埚中于真空状态下感应熔炼至熔融状态，熔融态的合金液流流入雾化器被高速气流击碎形成细小液滴，液滴在雾化室飞行过程中迅速冷却凝固为粉末颗粒。由于熔炼过程是在坩埚中进行，因此VIGA法主要适用于铁基合金、镍基合金、钴基合金、铝基合金、铜基合金等非活性金属粉末的制备。

EIGA是将合金加工成棒料，棒料尖端在锥形线圈中受到感应加热作用而逐渐熔化形成熔体液流，在重力作用下熔体液流直接流入锥形线圈下方雾化器，经过高压气体作用将液流破碎成小液滴，液滴在雾化室飞行过程中，通过自身表面张力球化凝固形成金属粉末。由于EIGA技术制备过程中原料不与坩埚接触，因此制备的粉末纯度高、球形度好、组织均匀，适合制备各种活性金属以及贵金属，例如Ti、Zr、Nb等。相比于PREP技术，气雾化技术的细粉收得率较高，所制备的粉末平均粒径一般在40～100μm。

欧美已经掌握了包括EIGA和VIGA在内的多种雾化制粉技术，并开发出了工业级的制备装备，如英国PSI公司（VIGA-CC装备制造商）、德国ALD公司（EIGA装备制造商），实现了钛合金、镍合金、铝合金等球形金属粉末的批量化生产，均可制备100μm以下粒径的球形合金粉末。

气雾化技术生产的球形粉末虽然能够基本满足当前金属3D打印技术的基本需求，但由于45μm以下粉末的收得率低（＜40%），造成粉末价格偏高。另外，气雾化技术制备的粉末中含有一定量的空心粉和卫星粉（如图2-10所示），这些原料缺陷不仅会影响3D打印成形过程的稳定性，粉末中的微小孔洞会遗传至3D打印零件中，对制件的力学性能产生影响。

针对以上问题，近年来欧美正致力于开发45μm以下球形金属粉末低成本、规模化生产技术，以适应金属3D打印的产业发展需求。如隶属于美国Ames实验室的Iowa Powder Atomization Technologies公司采用气雾化技术，通过改进雾化喷嘴设计和提高雾化熔液过热度的方式，将45μm以下钛合金粉末收率提高至60%，虽然还处于实验室研究阶段，但由于该技术的重大突破有望实现细粒径、低成本钛合金粉末的规模化生产，因此，最近被美国制粉巨头——Praxair公司收购，目前正努力将其进行产业化。

我国在气雾化制备技术方面起步较晚，国内相关单位如中南大学、沈阳金属所、北京航空材料研究院、钢铁研究总院等单位通过引进国外先进制粉设备，逐步掌握了气雾化制粉技术，但大部分粉末主要是针对传统粉末冶金、热喷涂等工艺研制，对于3D打印工艺的适用性较差。随着金属3D打印技术的发展，越来越多的院所和企业开始进行3D打印用金属粉末的研发，中航迈特等相关企业通过消化吸收国外公司先进技术，研发出了VIGA、EIGA制粉装备。西北有色金属研究院目前正在开展水冷铜坩埚雾化钛合金粉末制备技术的研究。总体而言，我国在气雾化制粉技术方面与国外还存在一定的差距，制备的球形粉末稳定性较差，还未实现高品质、细粒径球形金属粉末的规模稳定生产，导致目前我国超细金属粉末自给率严重不足，基本依赖进口。

（3）等离子熔丝雾化

等离子熔丝雾化（plasma atomization，PA）技术由加拿大Pegasus Refractory Materials公司发明，是一种双流雾化技术，加热源由3个等离子喷枪组成，原料丝材被等离子弧加热熔化，在高温雾化气体作用下充分球化凝固成粉。等离子熔丝雾化技术使熔化和雾化过程同时进行，粉末平均粒度为40μm，粉末粒度较细、粉末球形度高、纯度高、无卫星粉。等离子熔丝雾化可以将活性金属和高熔点金属制成优质的球形粉末，包括钛、镍、锆、钼、铌、钽、钨及其合金，如图2-11所示。PA法理论上可制备所有的合金粉末，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。

加拿大AP&C公司在等离子熔丝雾化技术上处于垄断地位，其生产的球形钛合金粉末供应全球50%以上的粉末床3D打印，国内高端球形粉末基本全部由AP&C公司进口。作为Arcam的子公司，其等离子熔丝制粉设备对国内完全禁售，而国内在该技术方面目前基本处于空白。

（4）等离子球化

等离子球化技术（plasma spheroidization，PS）是利用等离子体能量密度高、加热强度大的优点，将形状不规则的原料粉体送入等离子体弧，原料被迅速加热、熔化从而形成球形液滴，液滴在极高的温度梯度下迅速冷却，得到致密规则的球形颗粒。由于等离子体的能量密度高，同时等离子炬无需电极，因而排除了因为电极（例如钨）消耗蒸发对粉末造成的污染，并且球化后无空心粉末颗粒。因此，PS技术通常用来制备高活性以及难熔金属的球形粉末，如钛合金、钼、钽、钨等（图2-12）。

英国LPW和加拿大的泰克纳（TEKNA）公司已经成功实现了W、Mo、Re、Ta、Ni、Cu等金属粉末的球化处理，并开发出了工业级的等离子球化商用设备。国内从20世纪80年代开始探索利用PS技术制备球形金属粉末，中国科学院过程工程研究所、西南物理研究院、北京科技大学等单位开发出了自主知识产权的等离子球化装备，实现了钛合金、钨、钼等球形金属粉末的制备。尽管如此，目前国内外等离子球化技术制备球形金属粉末在3D打印领域的应用报道还较少。