分析增材制造用金屬粉末制備技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

田景明

摘 要：針對(duì)增材制造用金屬粉末制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀、具體技術(shù)與應(yīng)用以及發(fā)展前景展開(kāi)介紹，了解常見(jiàn)制備技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)，為今后我國(guó)增材制造行業(yè)以及金屬粉末制備生產(chǎn)積累經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：增材制造技術(shù);金屬粉末制備技術(shù);3D打印技術(shù)

增材制造技術(shù)也被稱(chēng)為3D打印技術(shù)，使用打印設(shè)備將原材料逐層堆積，即可使零件成形。金屬零件成形對(duì)于增材制造技術(shù)而言，是其中比較先進(jìn)的技術(shù)手段。運(yùn)用金屬零件增材進(jìn)行原材料的制造，需要針對(duì)性定制，無(wú)論是原材料尺寸、形狀還是具體形態(tài)，均要使用經(jīng)過(guò)精準(zhǔn)優(yōu)化之后的金屬粉末，保證制造加工和產(chǎn)品的實(shí)際性能。但是，關(guān)于增材制造用金屬粉末制備技術(shù)的運(yùn)用，分析其研究現(xiàn)狀還有很多問(wèn)題需要解決，下文也以該技術(shù)為對(duì)象展開(kāi)討論。

一、增材制造用金屬粉末制備技術(shù)研究現(xiàn)狀

關(guān)于增材制造技術(shù)的研究，與之相關(guān)的產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展態(tài)勢(shì)，有關(guān)材料、工藝和裝備等也有相對(duì)完善且成熟的系統(tǒng)。我國(guó)在金屬增材制造技術(shù)領(lǐng)域的研究，整體來(lái)說(shuō)應(yīng)用時(shí)間補(bǔ)償，而且更多的關(guān)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(jìn)一步完善。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)材料方面需要過(guò)高的投入，研究時(shí)間也比較長(zhǎng)，在大量基礎(chǔ)理論積累之后，材料成分、試制、性能與應(yīng)用驗(yàn)證等均積累了豐富經(jīng)驗(yàn)[1]。

目前我國(guó)增材制造行業(yè)中，高強(qiáng)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(yè)均在高質(zhì)量粉體材料這一層面給予資金支持，增材制造服務(wù)商、研究院也開(kāi)始進(jìn)行資源的整合，基于應(yīng)用端創(chuàng)建完善的材料體系，而且很多試驗(yàn)開(kāi)始落實(shí)推廣，滿(mǎn)足市場(chǎng)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(shù)研究提供了參考。

二、增材制造用金屬粉末制備技術(shù)與應(yīng)用

（一）等離子旋轉(zhuǎn)電極法

等離子旋轉(zhuǎn)電極法（Plasma Rotating Electrode comminuting Process，PREP）是一種球形粉末制備技術(shù)，金屬、合金在加工之后成為棒料，其間使用等離子體對(duì)棒端進(jìn)行加熱處理，棒料同時(shí)開(kāi)始高速旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下細(xì)化熔化液滴，周?chē)涑舛栊詺怏w，可使其凝固，而且發(fā)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(yīng)用，而且得到的金屬粉末具有比較高的球形度、流動(dòng)性，缺點(diǎn)在于粉末粒度粗，使用SLM工藝，微細(xì)粒度粉末帶來(lái)的收得率不高，還需要支出細(xì)粉成本。因?yàn)榉勰┐旨?xì)與高棒料轉(zhuǎn)速、增大棒料直徑有關(guān)，所以在提升了轉(zhuǎn)速之后將會(huì)改變?cè)O(shè)備密封與振動(dòng)等要求[2]。目前，PREP法在我國(guó)主要是以引進(jìn)為主，企業(yè)引進(jìn)了技術(shù)之后，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況進(jìn)行吸收與改進(jìn)，為增材制造用金屬粉末制備提供先進(jìn)技術(shù)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(duì)稱(chēng)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(diǎn)，經(jīng)檢測(cè)其溫度最高可達(dá)到10000K。應(yīng)用專(zhuān)業(yè)的送料裝置，在等離子焦點(diǎn)中放入金屬絲，快速熔化、汽化原材料，而且在等離子體高速?zèng)_擊、分散作用下，可將原材料霧化為超細(xì)液滴、氣霧狀，進(jìn)入到霧化塔之后飛行沉積，其間與霧化塔內(nèi)部冷卻氫氣發(fā)生反應(yīng)，通過(guò)熱交換進(jìn)行冷卻凝固處理，進(jìn)而獲得超細(xì)粉末。

應(yīng)用PA法制備得到的金屬粉末，為近規(guī)則球形，而且粉末粒徑比較細(xì)。結(jié)合目前增材制造行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，產(chǎn)能也在擴(kuò)建過(guò)程中得到顯著提升。因?yàn)榈入x子炬的溫度比較高，所以PA法一般支持所有高熔點(diǎn)金屬合金粉末的制備。但是此技術(shù)需要用到絲材霧化制粉，導(dǎo)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(yù)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(yīng)用，分別有兩種技術(shù)工藝，即有增渦真空感應(yīng)熔煉霧化（Vacuum Induction-melting Gas Atomization，VIGA ）和無(wú)增渦電極感應(yīng)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(zhì)的粉末制備種應(yīng)用，EIGA法則是更加適合難熔金屬材質(zhì)的粉末材料制備。制備過(guò)程中需要保證粉末形貌與細(xì)粉收得率，在此方面合金熔煉、霧化噴嘴技術(shù)也展開(kāi)深入的研究?；跉忪F化制粉技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，研發(fā)出超聲氣霧化和層流氣霧化等先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合增材制造技術(shù)特征展開(kāi)改進(jìn)?，F(xiàn)如今金屬增材制造技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，很多企業(yè)也開(kāi)始著手進(jìn)行增材制造用金屬粉末制備技術(shù)的探討，滿(mǎn)足增材制造技術(shù)在制備生產(chǎn)環(huán)節(jié)要求。

三、增材制造用金屬粉末制備技術(shù)發(fā)展前景

結(jié)合目前增材制造用金屬粉末制備的發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)氣霧化法在高性能球形金屬粉末制備中應(yīng)用比較多，但是在解決空心粉、衛(wèi)星顆粒相關(guān)問(wèn)題方面依然存在不足，而且細(xì)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(xiàn)的球形度比較高，而且具有實(shí)心和無(wú)衛(wèi)星顆粒的特點(diǎn)，成分控制比較簡(jiǎn)單，但是該方法指得的細(xì)化粉末顆粒，對(duì)離心轉(zhuǎn)速的依賴(lài)性比較高，細(xì)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(dòng)性強(qiáng)、純度好等優(yōu)勢(shì)，建議與機(jī)械法、物理化學(xué)法組合起來(lái)應(yīng)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(shù)實(shí)際應(yīng)用情況，生產(chǎn)產(chǎn)品工業(yè)化供應(yīng)提出非常嚴(yán)格的要求，即應(yīng)該掌握核心技術(shù)，今后增材制造用金屬粉末制備應(yīng)該朝著高品質(zhì)球形金屬粉末制備方向前進(jìn)，嚴(yán)格參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，提高球形金屬粉生產(chǎn)廠商、應(yīng)用商的參與積極性，也可以引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的規(guī)范、健康發(fā)展。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，增材制造用金屬粉末制備技術(shù)的研究與應(yīng)用，應(yīng)該保證粉末管理方法的規(guī)范性。很多制粉企業(yè)的發(fā)展時(shí)間有限，訂單與銷(xiāo)量不夠穩(wěn)定，而且粉末管理體系也不夠完善，很難對(duì)產(chǎn)品與批次的穩(wěn)定性提供保障，一旦出現(xiàn)粉末產(chǎn)品不穩(wěn)定的問(wèn)題，將會(huì)對(duì)增材制造應(yīng)用端長(zhǎng)期發(fā)展帶來(lái)阻礙。通過(guò)制備技術(shù)的改進(jìn)與創(chuàng)新，不斷提高粉末制備水平，也為我國(guó)增材制造的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[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(shù)的研究進(jìn)展[J].機(jī)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(shù)及性能研究進(jìn)展[J].粉末冶金工業(yè)，2019，29（02）：55-59.