金屬零件的3D打印——材料篇（中）3D打印金屬粉末的質量對于3D打印的產品有著重要的影響。目前中國3D打印行業所使用的高分子材料、金屬材料大多依賴進口，價格居高不下，嚴重阻礙了中國3D打印的市場應用。而人們過度關注3D打印設備，往往忽視了3D打印材料的發展。 3D打印技術粉末除需具備良好的可塑性外，還必須滿足粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求，傳統的粉末冶金用的金屬粉末材料并不能完全滿足3D打印的工藝要求[1]。 1、 氣霧化法 氣霧化法是最普通的一種粉末生產的方法。填充的金屬在一定環境下（保護氣或者真空）在腔體內熔化，隨后在氣體壓力的作用下，熔化的金屬通過被高壓氣體（氮氣、氦氣或氬氣等）包圍的噴嘴，并在高壓氣體的沖擊下形成小的液珠，隨后通過冷卻，最終形成金屬粉末，如圖1所示。 這種方法獲得的金屬粉末大部分為球狀，并伴隨有一些非堆成的顆粒和衛星球（指在凝固過程中，較小的液態金顆粒粘貼到較大的金屬球上）。 圖1 氣霧化法示意圖 根據氣霧化技術的特點，在對噴嘴的改造和優化過程中，又發展起了一些改進的氣霧化技術[2]，如層流氣霧化技術、超聲速氣霧化技術、熱氣體霧化技術等。 a 層流氣霧化技術 層流霧化技術是由德國Nanoval公司等提出的，該技術對常規噴嘴進行了重大改進，如圖2所示。氣流在噴嘴的喉部達到音速，當進一步提高壓力比，將維持穩定的音速狀態，噴嘴喉部下方氣流呈超音速狀態，并不會出現激波。這時金屬液流細絲得到加速，當表面張力不再平衡內壓力和氣流壓力時金屬液流失去穩定性并且破裂為纖維絲而后進一步破碎成粉末,改進后的霧化噴嘴霧化效率高。 缺點是技術控制難度大、霧化過程不穩定、產量小、不利于工業化生產。 圖2 層流霧化法示意圖 b 超聲緊耦合霧化技術[3-4] 超聲緊密耦合霧化技術是由英國PSI公司提出的。該技術對緊耦合環縫式噴嘴進行結構優化，如圖3所示，使氣流的出口速度超過聲速，并且增加金屬的質量流率，有利于工業化生產和降低成本。同時，該技術大大提高了粉末的冷卻速度，可以生產快冷或非晶結構的粉末。可以廣泛用于微細不銹鋼、鐵合金、鎳合金、銅合金、磁性材料、儲氫材料等合金粉末的生產。 圖3 超聲緊密耦合霧化技術示意圖 c 熱氣體霧化技術 英國的PSI公司和美國的HJF公司通過改變霧化介質的屬性來提高霧化效率。初步研究表明，該技術相比于傳統的霧化技術，可以提高霧化效率，降低氣體消耗量，且易于在傳統的霧化設備上實現該技術。目前仍處于研究中。 2、 水霧化法 水霧化法與氣霧化法基本一致，只是霧化的介質由氣體轉變為水。由于水的比熱容遠大于氣體，所以在霧化過程中，被破碎的金屬液滴由于凝固過快而變成不規則形狀，使粉末的球形度收到影響。另外一些具有高活性的金屬或者合金，與水接觸會發生反應，同時由于霧化過程中與水的接觸，使粉末中的含氧量提高。這些問題都限制了水霧化法在制備球形度高、氧含量低的金屬粉末中的應用。目前國內主要用來生產鋼鐵粉末、金剛石工具用胎體粉末等。 3、 等離子霧化法 這是一種相對較新的方法，該技術可以生產球形度較高的高質量粉末。該技術最初于1998年引入工業生產，實現了將鈦等活性金屬制造成具有精細粒徑分布的高純度粉末這一技術。 金屬線材作為待熔化材料伸入到等離子噴嘴中，隨后被氣體霧化，如圖4所示。該技術目前**于制造那些可以被制造成線材的合金的金屬粉末。 圖4 等離子霧化技術示意圖 4、 電磁感應熔化氣體霧化法 填充材料為金屬棒。金屬棒在感應線圈的作用下被熔化，隨后熔化的金屬向下流入到氣流中進行霧化。與氣霧化法相比，該方法的金屬材料在制造過程中不會與坩堝或者電極棒接觸，避免污染。該技術成本低、無污染，較為適合小批量和小粒徑的金屬粉末生產。 圖5 電磁感應熔化氣體霧化技術示意圖 5、 真空霧化法 真空氣霧化制粉方法是近年來在金屬粉末制造行業中發展起來的一種新型工藝。它具有材料不易氧化、金屬粉末快淬、自動化程度較高等優點。具體工藝是合金(金屬)在感應爐中熔化、精煉后，熔化的金屬液體倒人保溫柑塌中，并進人導流管和噴嘴，此時熔體流被高壓氣體流所霧化。霧化后的金屬粉末在霧化塔中進行凝固、沉降，落人收粉罐中，具體流程見圖6。 圖6 真空氣霧化制粉技術示意圖 6、 等離子旋轉電極霧化法 生產高溫合金粉末主要采用等離子旋轉旋轉電極法，以預制母合金作為旋轉電極，在等離子弧作用下使母合金熔化，靠離心力的作用飛射到保護氣體空腔。該方法所得粉末球形度好，表面光亮潔凈，含氧量低，流動性好。 圖7 等離子旋轉旋轉電極法示意圖 7、 超聲氣體霧化法 超聲氣體霧化法的主要設備與水霧化法相似，但是利用高速高頻脈沖氣流代替了水流。高速高頻脈沖氣流可以將熔體流分離成更細、更均勻的熔滴，制備的粉末更細。目前該方法已經成功用于高溫合金和鋁合金粉末的制備。
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