在當前3D打印產(chǎn)業(yè)當中，金屬3D打印占據了相當大一部分比例，而且隨著(zhù)金屬3D打印技術(shù)的日益成熟和成本大幅下降，其應用范圍、深度和規模都在不斷突破。比如在航空航天領(lǐng)域，金屬3D打印已經(jīng)從制造測試樣件進(jìn)入到批量生產(chǎn)的階段；在齒科領(lǐng)域，3D打印金屬牙冠也成為牙齒技工所的常規手段；在骨科領(lǐng)域，3D打印金屬植入體開(kāi)始規?；褂?；在模具、散熱器等領(lǐng)域正在替代傳統工藝；在汽車(chē)領(lǐng)域還有巨大的應用潛力等待挖掘。

       作為金屬3D打印最常用的原材料之一，金屬球形粉末發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。由于3D打印在制造工藝上的特殊性，其所需的金屬粉末也有區別于傳統的粉末冶金方法，目前打印用粉末多是以球形度高、流動(dòng)性好、純度高的細粉為主。因此，像傳統的還原法、電解法等方法生產(chǎn)出的不規則粉末難以在金屬3D打印中得到實(shí)際應用。近年來(lái)，隨著(zhù)金屬產(chǎn)品在裝備制造領(lǐng)域應用的普及，金屬3D打印的應用市場(chǎng)也不斷擴大。為實(shí)現金屬3D打印產(chǎn)業(yè)化大規模發(fā)展，對原材料金屬粉末的產(chǎn)量、成本等要求也需要不斷提高。

金屬3D打印粉末的制備工藝

從工藝方面劃分，當前全球主流的3D打印金屬粉末制備方法包括：氣霧化法（GA）、等離子旋轉電極法（PREP）、等離子霧化法（PA），以及等離子球化法（PS）等。

1）氣霧化法

氣霧化法是利用惰性氣體在高速狀態(tài)下對液態(tài)金屬進(jìn)行噴射，使其霧化、冷凝后形成球形粉。根據熱源的不同又可以將氣霧化法細分為電極感應熔煉氣霧化(EIGA)和等離子惰性氣體霧化(PIGA)兩種工藝，采用惰性氣體既能防止產(chǎn)物氧化，又能避免環(huán)境污染。在EIGA工藝中，為電極形式的預合金棒將在不使用熔煉坩堝的情況下進(jìn)行感應熔煉和霧化，其工藝原理圖如下圖所示。采用氣霧化法所得粉末粒度分布廣，大部分為細粉，雜質(zhì)易于控制，但粉末由于粒徑不同而冷卻速度不同，導致顆粒內部易產(chǎn)生氣泡，形成空心結構，粉末形狀不均勻，出現行星球等，對粉末后期應用造成不利影響。

電極感應熔煉氣霧化(EIGA)原理及其生產(chǎn)的金屬粉末

2）等離子旋轉電極霧化法(PREP)

等離子旋轉電極霧化法(PREP)是生產(chǎn)高純球形鈦粉較常用的離心霧化技術(shù)，其基本原理是自耗電極端面被等離子體電弧熔化為液膜，并在旋轉離心力作用下高速甩出形成液滴，然后液滴在表面張力的用下球化并冷凝成球形粉末。PREP因采用自耗電極，制備出的粉末純凈度較高，且該技術(shù)不使用高速惰性氣體霧化金屬液流，避免了“傘效應”引起的空心粉和衛星粉顆粒的形成。因此，相對于氣霧化而言，PREP 制備的粉末中空心粉和衛星粉更少。PREP 制備的粉末球形度可達99.5%以上，但是粉末粒徑分布較窄，主要介于50～150μm，存在著(zhù)粉末尺寸偏大的問(wèn)題并且細粉收得率很低。目前俄羅斯最先進(jìn)的PREP技術(shù)也只能收得約15%的細粉(～45μm)，難以服務(wù)于微細球形鈦粉市場(chǎng)。

3）等離子絲材霧化法（PA）

等離子絲材霧化法（PA）是加拿大AP&C公司特有的金屬粉末制備技術(shù)，PA工藝是以純度高的金屬或合金絲為原料，以等離子槍為加熱源，原料絲材被等離子體瞬間熔化的同時(shí)被高溫氣體霧化，形成的微小液滴在表面張力的作用下球化并在下落過(guò)程中冷卻固化為球形顆粒的一種工藝。以合金絲為原料制備各種材質(zhì)球形粉末的工藝，可實(shí)現高水平的可追溯性和較好的顆粒大小控制。該工藝生產(chǎn)出的粉末粒徑分布范圍窄，平均粒徑約為40μm，細粉收得率高（80%），幾乎沒(méi)有衛星球；粉末純度高（低氧，無(wú)夾雜），球形度高，伴生顆粒非常少。具有出色的流動(dòng)性和表觀(guān)密度、振實(shí)密度。主要服務(wù)對象為生物醫療和航空航天工業(yè)，產(chǎn)品暢銷(xiāo)20余個(gè)國家。

近年來(lái)，國外關(guān)于PA技術(shù)的研究取得了不少進(jìn)展，現有技術(shù)已能夠在單位時(shí)間內所消耗氣體與原料的質(zhì)量比小于20的條件下，制備大量(至少80%)粒徑分布為0～106μm的金屬粉末。加拿大AP＆C公司是PA技術(shù)的專(zhuān)利持有者，加拿大Pyro Genesis公司也擁有相關(guān)類(lèi)似專(zhuān)利，但均不對外出售等離子霧化設備。由于國外公司專(zhuān)利保護及技術(shù)封鎖，一直以來(lái)國內關(guān)于PA技術(shù)的研究進(jìn)展緩慢。

4）射頻等離子球化工藝

射頻等離子體球化法是利用射頻電磁場(chǎng)作用對各種氣體（多為惰性氣體）進(jìn)行感應加熱，產(chǎn)生射頻等離子。例用等離子區的極高溫度熔化非球狀粉末。隨后粉末經(jīng)過(guò)一個(gè)極大的溫度梯度，迅速冷凝成球狀小液滴，從而獲得球形粉末。

射頻等離子球化技術(shù)（PS）

目前國外在這方面研究較多的公司有代表性的包括：英國LPW技術(shù)公司和加拿大的泰克納公司。其中，泰克納 (TEKNA) 公司所開(kāi)發(fā)的射頻等離子體粉體處理系統，在世界范圍內處于領(lǐng)先地位，可以實(shí)現Ti、Ti-6Al-4V、W、Mo、Ta、Ni等金屬及其合金粉末的生產(chǎn)。

國內北京科技大學(xué)在射頻等離子球化方面也進(jìn)行了大量的研究，以不規則形狀的大顆粒TiH2粉末為原料，經(jīng)過(guò)射頻等離子高溫區后TiH2粉末脫氫分解、爆碎，即發(fā)生“氫爆”。爆開(kāi)的金屬液滴下落過(guò)程中，在表面張力的作用下縮聚成規則的球狀，得到微細球形粉末。所收得的粉末粒度范圍可以達到20~50μm，細粉收得率更是高達80%以上，各項性能參數均不遜于國際一流隊列的粉末，圖6是氫化鈦粉末經(jīng)射頻等離子球化前后粉末形貌圖。同時(shí)，該團隊還將該方法創(chuàng )新性地應用到了鎢、高溫合金、釹鐵硼等金屬粉末的球化處理當中，均取得了顯著(zhù)的成果。

△射頻等離子體制備球形鈦粉示意圖

“中國制造2025”需要國產(chǎn)金屬粉末的崛起

國內金屬3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迅猛，市場(chǎng)規模日益擴大，但與歐美等金屬3D打印起步較早的一些發(fā)達國家相比，我國的金屬3D打印在材料、裝備及工藝方面的投入研究依然存在較大差距。根據中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì )鈦鋯分會(huì )的統計，近三年鈦粉的出口總量高于進(jìn)口總量，而出口所獲利潤則遠低于進(jìn)口成本。事實(shí)上，國內高性能金屬粉末仍面臨著(zhù)供不應求的局面，像3D打印、注射成型等需求旺盛的下游行業(yè)卻也只能“等米下鍋”。

高端金屬粉末的生產(chǎn)工藝特殊，世界上僅有如美、德、加拿大等少數幾個(gè)國家具有原創(chuàng )和較深的技術(shù)積累，且高性能球形粉生產(chǎn)設備對外禁售，壟斷技術(shù)，進(jìn)口粉末價(jià)格高達3000元/公斤。國內參與金屬3D打印粉末制備的企業(yè)數量雖多，但是多數企業(yè)不注重產(chǎn)品技術(shù)準入門(mén)檻，導致技術(shù)含量低，在激烈的市場(chǎng)競爭中大打“價(jià)格戰”。雖然這使得金屬粉末的價(jià)格有了一定的下降，但從另一方面來(lái)講，中、低等品質(zhì)鈦粉市場(chǎng)趨于飽和，不能滿(mǎn)足高端客戶(hù)需求，特別是航空級、醫用級別的高質(zhì)量鈦粉仍需大量進(jìn)口。這造成我國金屬、礦產(chǎn)和人力資源的極大浪費，也制約了我國增材制造產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

針對3D打印對金屬粉末性能要求的嚴格性，目前國內具備一定的生產(chǎn)能力，氣霧化法及旋轉電極法可以實(shí)現一定規?；a(chǎn)，球化法還處于實(shí)驗室階段，存在工藝穩定性問(wèn)題,實(shí)現規?；€有一定的距離。為解決高端3D打印用金屬基粉末依賴(lài)進(jìn)口的痛點(diǎn)，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(jìn)3D打印用金屬粉末制備技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，也爭取在增材制造行業(yè)標準制定領(lǐng)域保持足夠的話(huà)語(yǔ)權。

在金屬粉末領(lǐng)域尖端技術(shù)不突破，國產(chǎn)化替代不實(shí)現，不利于我國國際市場(chǎng)競爭力和綜合國力的提升。為促進(jìn)我國自主增材制造產(chǎn)業(yè)的建設發(fā)展，及早實(shí)現3D打印上下游產(chǎn)業(yè)鏈各部分的國產(chǎn)化替代，需要我們從原材料粉末制備到最終產(chǎn)品逐一補課。當然，一花獨放不是春，百花齊放春滿(mǎn)園，我們也鼓勵越來(lái)越多的企業(yè)和科研機構投入到3D打印領(lǐng)域研究中來(lái)，加大對增材制造產(chǎn)業(yè)的投入和對專(zhuān)業(yè)3D打印技術(shù)人員的培養，為新材料事業(yè)的發(fā)展添磚加瓦，為早日實(shí)現“中國制造2025”助力增彩。

 以上文章內容轉載于南極熊3D打印平臺。