中國粉體網(wǎng)訊 2021年5月，金屬粉末3D打印技術(shù)被正式納入國家“十四五”重點研發(fā)計劃。隨著3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展，制備高質(zhì)量低成本3D打印用金屬粉末的技術(shù)受到國內(nèi)外研究者的高度關(guān)注。
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3D打印金屬粉末要具備良好的可塑性，滿足粉末純凈度高、氧含量低、粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求。目前，3Ｄ打印用金屬粉末制備方法主要包括電極感應霧化法（EIGA）、等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法（PREP）、等離子球化法（PA）、真空感應熔煉氣體霧化（VIGA）法及水霧化法等，相比較而言，EIGA法、PREP法、PA法制備粉末應用更為廣泛。
1 電極感應霧化（EIGA）
電極感應霧化因采用無坩堝感應熔煉技術(shù)進行制粉，有效保證了原材料的干潔度，避免了金屬粉末中夾雜物及熔煉過程造成的污染問題。
以EIGA法制備TC4合金粉末為例，粒徑分布主要在１～180μｍ范圍，EIGA法制備粉末主要為球形和近球形粉末，通過調(diào)整功率等工藝參數(shù)，細粉收得率可高達到82％，粉末球形度高達99％，滿足激光3Ｄ打印對粉末粒徑的要求；此外，EIGA法制備金屬粉末通常效率高、能耗較低，但感應線圈對電極尺寸的限制制約了大直徑電極材料霧化技術(shù)的發(fā)展，同時熔煉時電極的偏析會一定程度上造成合金粉末成分不均，制備粉末時“傘效應”會導致粉末整體粒徑分布較寬，顆粒存在較多的“衛(wèi)星粉”、異形粉和空心粉，進而導致粉末流動性下降，松裝密度及振實密度較低，此外，EIGA法制備粉末還普遍存在易粘結(jié)、孔隙率高等問題。圖1為EIGA法制備TC4合金粉末SEM照片及粉末粒徑分布圖。
圖1 圖片來源：鋼鐵研究學報
2 等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法（PREP）
旋轉(zhuǎn)電極法是以金屬或合金為自耗電極，其端面受電弧加熱而熔融為液體，并在電極高速旋轉(zhuǎn)的離心力的作用下，將液體拋出并粉碎為細小液滴，其原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 旋轉(zhuǎn)電極工藝原理圖
PREP法是基于熔滴在高速旋轉(zhuǎn)時的離心力作用，在惰性氣氛中因表面張力作用形成球形顆粒，在鈦及鈦合金、鐵基、鎳基合金粉末制備中有著較為廣泛的應用。
目前而言，國內(nèi)PREP制粉技術(shù)已取得長足進步，工藝技術(shù)日趨成熟，制備金屬粉末其球形度可高達99.6％且無“衛(wèi)星粉”和異形粉，粉末制備中無“傘效應”產(chǎn)生，粉末粒徑較窄，在50～125μｍ的粉末占比超過70％，且最大粒徑不超過300μｍ，粉末表面光滑，氧的質(zhì)量分數(shù)低且不超過0.055％，流動性良好松裝密度較高，完全滿足３Ｄ打印對粉末的工藝要求，隨著PREP技術(shù)的不斷發(fā)展已可以滿足科研和批量生產(chǎn)需求，但核心技術(shù)仍與國外水平存在差距，細粉收得率仍顯不足，成本相對較高。
3 等離子球化法（PA）
球化法主要是對破碎法和理化法生產(chǎn)的不規(guī)則粉體進行球化處理，是獲得致密球形顆粒的最有效手段之一。其原理是利用溫度高、能源密度大的熱源 ( 等離子) ，將粉末顆粒迅速加熱熔化，并在其表面張力作用下縮聚成球形液滴，進入冷卻室后快速冷卻而得到球形粉末。
目前，球化法制備工藝主要分為射頻離子球化法和激光球化法兩種。由于初始粉體會產(chǎn)生一定的團聚現(xiàn)象，在球化過程中會使其整體熔融，導致制備的球形金屬粉末粒度增大。
圖3 球化法處理前后的氫化鈦粉末SEM照片
等離子球化法制備的粉末多為近球形，粉末中無空心球粉但表面粘附有少量細小“衛(wèi)星粉”，流動性稍差，粉末粒度則主要分布在20.7～45.4μｍ，細粉收得率可達60％～70％，適于粉末的大批量生產(chǎn)；但由于通常采用絲材霧化制粉，要求原材料具有良好的加工性能，制約了難變形合金粉末的制備，同時成本較高。
PA法中采用較多的是射頻等離子球化法（RFP），可將不規(guī)則的粉末顆粒由攜帶氣體通過加料槍噴入等離子體炬中，高溫等離子體使粉末迅速吸熱熔化，在表面張力的作用下形成球狀液滴，并在極短的時間內(nèi)驟冷凝固，最終達到對異形粉的“整形”得到球形粉末。利用RFP法制備球形粉末通常具有工藝簡單、粉末粒度細小、球形度高、純度高、流動性良好等優(yōu)點，但球化后的粉末通常需要二次篩分，效率有待提高。目前，已成功對Ti、Ｃu、Ｎi、Ｗ、Ｔa、Ｍo等金屬粉末實現(xiàn)球化處理。
表１為EIGA、PREP及PA法制備TC4合金粉末的工藝性能對比。
隨著金屬 3D 打印產(chǎn)業(yè)的日新月異，3D打印金屬粉末制備技術(shù)也將進一步完善及產(chǎn)業(yè)化。針對 3D 打印對金屬粉末性能要求的嚴格性，目前國內(nèi)具備一定的生產(chǎn)能力，可以實現(xiàn)一定規(guī)�；a(chǎn)，但仍存在工藝穩(wěn)定性問題，高端 3D 打印用金屬基粉末基本依賴進口，為此，我國應加大技術(shù)投入，借鑒成熟的研發(fā)經(jīng)驗，自主研發(fā)新技術(shù)新工藝，促進 3D 打印用金屬粉末制備技術(shù)的發(fā)展和進步。
參考來源：
【1】李安等.3Ｄ打印用金屬粉末制備技術(shù)研究進展.鋼鐵研究學報.2018年.
【2】尚青亮等. 3D 打印用球形金屬粉末制備工藝.云南冶金.2018年.
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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