分析增材制造用金屬粉末制備技術研究現狀及展望

田景明

摘 要：針對增材制造用金屬粉末制備技術的研究現狀、具體技術與應用以及發展前景展開介紹，了解常見制備技術應用要點，為今后我國增材制造行業以及金屬粉末制備生產積累經驗。

關鍵詞：增材制造技術;金屬粉末制備技術;3D打印技術

增材制造技術也被稱為3D打印技術，使用打印設備將原材料逐層堆積，即可使零件成形。金屬零件成形對于增材制造技術而言，是其中比較先進的技術手段。運用金屬零件增材進行原材料的制造，需要針對性定制，無論是原材料尺寸、形狀還是具體形態，均要使用經過精準優化之后的金屬粉末，保證制造加工和產品的實際性能。但是，關于增材制造用金屬粉末制備技術的運用，分析其研究現狀還有很多問題需要解決，下文也以該技術為對象展開討論。

一、增材制造用金屬粉末制備技術研究現狀

關于增材制造技術的研究，與之相關的產業正處于高速發展態勢，有關材料、工藝和裝備等也有相對完善且成熟的系統。我國在金屬增材制造技術領域的研究，整體來說應用時間補償，而且更多的關注打印成形工藝，與之相比粉末材料和裝備配套等體系還需要進一步完善。通過研究發現材料方面需要過高的投入，研究時間也比較長，在大量基礎理論積累之后，材料成分、試制、性能與應用驗證等均積累了豐富經驗[1]。

目前我國增材制造行業中，高強度鋁合金粉末、航空航天用耐高溫合金粉末等形成的缺口比較大。大部分企業均在高質量粉體材料這一層面給予資金支持，增材制造服務商、研究院也開始進行資源的整合，基于應用端創建完善的材料體系，而且很多試驗開始落實推廣，滿足市場中增材制造用金屬粉末的基本需求，也為增材制造用金屬粉末制備技術研究提供了參考。

二、增材制造用金屬粉末制備技術與應用

（一）等離子旋轉電極法

等離子旋轉電極法（Plasma Rotating Electrode comminuting Process，PREP）是一種球形粉末制備技術，金屬、合金在加工之后成為棒料，其間使用等離子體對棒端進行加熱處理，棒料同時開始高速旋轉，在離心力作用下細化熔化液滴，周圍充斥惰性氣體，可使其凝固，而且發揮表面張力作用，便可加工成為球化形成粉末。PREP法比較適合在欽合金與高溫合金這種合金粉末制備加工中應用，而且得到的金屬粉末具有比較高的球形度、流動性，缺點在于粉末粒度粗，使用SLM工藝，微細粒度粉末帶來的收得率不高，還需要支出細粉成本。因為粉末粗細與高棒料轉速、增大棒料直徑有關，所以在提升了轉速之后將會改變設備密封與振動等要求[2]。目前，PREP法在我國主要是以引進為主，企業引進了技術之后，結合我國實際情況進行吸收與改進，為增材制造用金屬粉末制備提供先進技術支持。

（二）等離子霧化法

等離子霧化法（Plasma Atomization，PA ）在制備中，采用對稱的方式在熔煉室中安裝頂端離子體炬，作為高溫等離子體焦點，經檢測其溫度最高可達到10000K。應用專業的送料裝置，在等離子焦點中放入金屬絲，快速熔化、汽化原材料，而且在等離子體高速沖擊、分散作用下，可將原材料霧化為超細液滴、氣霧狀，進入到霧化塔之后飛行沉積，其間與霧化塔內部冷卻氫氣發生反應，通過熱交換進行冷卻凝固處理，進而獲得超細粉末。

應用PA法制備得到的金屬粉末，為近規則球形，而且粉末粒徑比較細。結合目前增材制造行業的發展現狀，產能也在擴建過程中得到顯著提升。因為等離子炬的溫度比較高，所以PA法一般支持所有高熔點金屬合金粉末的制備。但是此技術需要用到絲材霧化制粉，導致很多變形難度較大的合金材料粉末制備面臨困難，原材料絲材采用預先制備方法，這也增加了制粉成本。

（三）氣霧化法

氣霧化法在增材制造中應用，分別有兩種技術工藝，即有增渦真空感應熔煉霧化（Vacuum Induction-melting Gas Atomization，VIGA ）和無增渦電極感應熔煉氣霧化（Electrode Induction-melting inert Gas Atomization，EIGA）。第一種VIGA法比較適合在鐵基合金、鉆基合金等材質的粉末制備種應用，EIGA法則是更加適合難熔金屬材質的粉末材料制備。制備過程中需要保證粉末形貌與細粉收得率，在此方面合金熔煉、霧化噴嘴技術也展開深入的研究?；跉忪F化制粉技術進行優化，研發出超聲氣霧化和層流氣霧化等先進技術，結合增材制造技術特征展開改進?，F如今金屬增材制造技術越來越先進，很多企業也開始著手進行增材制造用金屬粉末制備技術的探討，滿足增材制造技術在制備生產環節要求。

三、增材制造用金屬粉末制備技術發展前景

結合目前增材制造用金屬粉末制備的發展情況，發現氣霧化法在高性能球形金屬粉末制備中應用比較多，但是在解決空心粉、衛星顆粒相關問題方面依然存在不足，而且細粉收得率也有可提升的空間。利用離心霧化法制備粉末，所展現的球形度比較高，而且具有實心和無衛星顆粒的特點，成分控制比較簡單，但是該方法指得的細化粉末顆粒，對離心轉速的依賴性比較高，細粉收得率不是非常理想。球化法制備所得的粉末具有表面光滑度高、流動性強、純度好等優勢，建議與機械法、物理化學法組合起來應用，可以在球形粉體制備中獲得理想的效果。

基于上述增材制造用金屬粉末制備技術實際應用情況，生產產品工業化供應提出非常嚴格的要求，即應該掌握核心技術，今后增材制造用金屬粉末制備應該朝著高品質球形金屬粉末制備方向前進，嚴格參照國際標準，提高球形金屬粉生產廠商、應用商的參與積極性，也可以引導產業的規范、健康發展。

四、結語

綜上所述，增材制造用金屬粉末制備技術的研究與應用，應該保證粉末管理方法的規范性。很多制粉企業的發展時間有限，訂單與銷量不夠穩定，而且粉末管理體系也不夠完善，很難對產品與批次的穩定性提供保障，一旦出現粉末產品不穩定的問題，將會對增材制造應用端長期發展帶來阻礙。通過制備技術的改進與創新，不斷提高粉末制備水平，也為我國增材制造的發展奠定基礎。

參考文獻：

[1]吳文恒，王濤，范玎.增材制造用球形金屬粉末主要制備技術的研究進展[J].機械工程材料，2021，45（11）：76-83.

[2]張新濤，張科翠，張東，趙健，樊昱，張娟.注射成形用金屬粉末的制備技術及性能研究進展[J].粉末冶金工業，2019，29（02）：55-59.