3D打印用有色金属粉末种类及制备方法

一、3D打印使用的有色金属粉末种类

3D打印使用的有色金属粉末主要有纯钛及钛合金、铝合金、镍基合金、铜基合金、钴铬合金等。

一般粉末形态

高质量粉末形态

其中的纯钛及钛合金，因为具有重量轻、强度大、耐蚀性及生物相容性良好的特殊性能，被应用于航空航天、汽车制造和医疗等行业。而铝合金因具有良好的导热性能，常应用于薄壁零件如换热器或其他汽车零部件，还应用于航空航天及航空工业级的原型及生产零部件。镍基合金因具有良好的耐腐蚀性、耐热、抗拉伸、抗疲劳及抗蠕变性，主要用于飞机发动机、燃气轮机、工业炉、石油化工及化学品生产工业中。铜基合金具有良好的导热性和导电性，并具有可制作壁薄、形状复杂器型的特征。常用于半导体器件、微型换热器等方面。钴铬合金具有高强度、耐腐蚀性强、良好的生物相容性以及无磁性的特性，被应用在外科植入物方面，如合金人工关节、膝关节和髋关节等，同时其还可用于发动机部件。

二、3D打印使用的有色金属粉末制备方法

由于3D打印的特殊性，对有色金属粉末提出更高的要求，为满足3D打印装备及工艺要求，金属粉末必须具备较低的氧氮含量、良好的球形度、较窄的粒度分布区间和较高的松装密度等特征。

粉末处理中心

为了达到3D打印用有色金属粉末的高要求，其生产方法一般采用等离子旋转电极法（PREP）、等离子雾化法（PA）、气雾化法（GA）以及等离子球化法（PS），这四种方法是当前3D打印用金属粉末的主要制备方法，四者均可制备球形或近球形金属粉末。

1、等离子旋转电极法PREP

等离子旋转电极法PREP（Plasma Rotating Electrode-comminutingProcess）是俄罗斯发展起来的一种球形粉末制备工艺。其原理是将金属或合金加工成棒料并利用等离子体加热棒端，同时棒料进行高速旋转，依靠离心力使熔化液滴细化，在惰性气体环境中凝固并在表面张力作用下球化形成粉末。优点：表面清洁、球形度高、伴生颗粒少、无空心/卫星粉、流动性好、高纯度、低氧含量、粒度分布窄。缺点：粉末粒度较粗，微细粒度粉末收得率低，细粉成本偏高。

2、等离子雾化法（PA）

等离子雾化法PA（Plasma Atomization）是加拿大AP&C公司独有的金属粉末制备技术。采用对称安装在熔炼室顶端的离子体炬，形成高温的等离子体焦点，温度甚至可以高达10000 K，专用送料装置将金属丝送入等离子体焦点，原材料被迅速熔化或汽化，被等离子体高速冲击分散雾化成超细液滴或气雾状，在雾化塔中飞行沉积过程中，与通入雾化塔中的冷却氩气进行热交换冷却凝固成超细粉末。

3、气雾化法（GA）

目前，3D打印用金属粉末材料的气雾化制备常用技术包括有坩埚真空感应熔炼雾化VIGA（Vacuum Induction-melting Gas Atomization）和无坩埚电极感应熔炼气雾化EIGA（ElectrodeInduction-melting inert Gas Atomization）。其中VIGA法采用坩埚熔炼合金材料，合金液经中间包底部导管流至雾化喷嘴处，被超音速气体冲击破碎，雾化成微米级尺度的细小熔滴，熔滴球化并凝固成粉末。该方法主要适用于镍基合金、钴基合金、铝基合金、铜基合金等粉末的生产制备。EIGA法将气雾化技术与电极感应熔炼技术相结合，摒弃与金属熔体相接触的坩埚等部件，将缓慢旋转的合金棒金属电极降低至一个环形感应线圈中进行电极熔化，电极熔滴落入气体雾化喷嘴系统，利用惰性气进行雾化，可有效降低熔炼过程中杂质引入，实现活性金属的安全、洁净熔炼，主要应用于活性金属及其合金、金属间化合物、难熔金属等粉末材料的制备，例如钛及钛合金、钛铝金属间化合物的生产。

4.等离子球化法（PS）

射频等离子体具有能量密度高、加热强度大、等离子体弧的体积大等特点，由于没有电极，不会因电极蒸发而污染产品。射频等离子体粉末球化技术原理，是在高频电源作用下，惰性气体（如氩气）被电离，形成稳定的高温惰性气体等离子体；形状不规则的原料粉末用运载气体（氮气）经送粉器喷入等离子炬中，粉末颗粒在高温等离子体中吸收大量的热，表面迅速熔化；并以极高的速度进入反应器，在惰性气氛下快速冷却，在表面张力的作用下，冷却凝固成球形粉末，再进入收料室中收集。

三、我国3D打印用有色金属粉末的情况

目前，3D打印产业正处于高速发展期，在材料、装备、工艺、应用等方面，欧美走在的前列。我国3D打印技术发展多集中于打印成型过程，在有色金属粉末材料研究方面重视不够，有色金属粉末材料的制造装置及工艺技术研究投入明显不足。国内有色金属3D打印材料大部分依赖进口，价格昂贵。在生产企业中，北京的中航迈特是目前国内生产能力最大的3D打印有色金属粉末材料的公司，年产量可达800吨。该公司自主研发的EIGA电极感应钛合金制粉装置及其工艺技术率先实现国产化，打破了欧美在航空航天用微细钛合金粉末材料领域的技术封锁和市场垄断。