金属基3D打印粉体材料制备技术现状及发展趋势

1、金属基3D打印粉体材料制备技术现状及发展趋势1. 湖南顶立科技有限公司2. 湖南省新型热工装备工程技术研究中心2015年以来，我国开始重视3D打印产业的发展，正式将3D打印纳入国家工业转型升级的重点方向。首先，工业和信息化部、国家发展和改革委员会、财政部3部委联合发布了首份国家级计划国家增材制造产业发展推进计划现代高压氩气雾化制粉技术综合了高真空技术、高温熔炼技术、气体的高压和高速技术，通过高速气流冲击并破碎液流得到金属粉末【7】。该方法制备的粉末具有晶粒细化、细粉收得率高、球形度高等特点E I G A工艺通过高频感应线圈将缓慢旋转的电极材料熔化并通过控制熔化参数形成细小液流国内等离子旋转电极

2、雾化制粉设备沿用的是俄罗斯20世纪70年代的技术，存在粉末粒度粗大、效率低、不能连续生产等问题。笔者公司在现有技术的基础上，研究连续进给料、密封、自动起弧与信息反馈、智能控制等装备制造技术和旋转雾化制粉工艺，提升等离子旋转雾化制粉及装备技术水平，研制开发了最新一代等离子旋转电极雾化制粉系统，为实现增材制造金属基粉体材料的研制与生产奠定基础。该设备除具备较大的棒料直径与棒料转速外，还集成了棒料连续进给技术，其主要技术创新点如下：棒料连续进给技术，可实现50根以上金属棒料的连续雾化制粉；棒料高速无缝连接技术，可实现无减速连续传输棒料，并有效解决料尾的问题；自主设计自定位转移弧等离子枪，具有安装方便

3、、自动对中、冷却充分等特点；自主设计进给式旋转电极制粉装置，大大提高设备的稳定性；自主设计无刷电极旋转机构，消除碳刷与铜电极的磨损，提高生产效率；高速动密封控制技术，保证雾化室的高度密封性；高速旋转振动消除技术，整个过程无噪音平稳生产；特殊炉体结构设计技术，消除抽真空带来的炉体变形问题；智能控制系统升级。新一代设备棒料装载量50根/次，电极棒最大直径可达到70 100m m，电极棒极限转速达到18 000 30 000r / m i n，粉末粒度d50≤ 45 m，单炉生产量400k g，细粉收得率 15%。研制的新一代等离子旋转雾化制粉设备如图8所示。2. 等离子火炬雾化制粉技术及装备

4、等离子火炬雾化系统包括熔炼系统、雾化系统与合成系统，未来等离子火炬雾化制粉技术及装备将从纯净化熔炼技术、等离子火炬设计技术、粉体制备工艺技术以及粉体收集与分离技术4个方面开展重点研究。在传统无坩埚电极感应熔化气体雾化制粉技术及装备的基础上，制造无坩埚电极感应熔化气体雾化制粉装备，突破E I G A法制备新技术。在无坩埚电极感应熔化气体雾化制粉装备的无坩埚感应熔炼系统、保温系统、雾化系统、粉末分级系统、粉末收集系统、气源系统、真空系统、智能化控制系统等进行优化，攻克高真空技术、无坩埚高温纯净化熔炼技术、气压与气流自适应调控技术、粉末收集与后处理技术等关键技术难题，提升无坩埚电极感应熔化气体雾化制

5、粉及装备技术水平。研究电极棒转速与进给速率、电极棒尺寸、气体循环时间、气体压力与流量等参数对粉末粒度、粒度分布、缺陷、夹杂物含量的影响，确定最佳的工艺参数。在此基础上优化制粉工艺，突破超洁净高性能金属基3D打印粉体材料的制备技术。研究特殊雾化喷嘴结构设计、过滤装置结构设计、粉末收集装置结构设计以及取粉装置结构设计等关键装备制造技术。如研制开发具有多重结构特征的雾化喷嘴，直接影响气体射流的速度，进而提高粉末粒度及成粉率；在熔炼系统与雾化系统之间设置固定的组合式过滤器，提高金属粉体的纯净度，达到净化金属熔体、稳定液流的作用；对设备粉末收集装置进行改进，提高金属粉末的散热效率，防止金属粉末在收粉罐内

6、中心位置的团聚；设计一种特殊的取粉装置和取粉方法（从真空密闭的储粉罐中取出粉末），避免金属粉末与大气接触受到污染，提高金属粉末的检测精度，并延长了保存时间。研究静电分离、气流分级、水淘洗法等粉末处理技术，去除空心粉和非金属夹杂，进一步改善粉末纯净度和品质。笔者公司与美国路易斯安那州立大学针对无坩埚电极感应熔化气体雾化制粉设备开展深入产、学、研;合作，拟研制的无坩埚电极感应熔化气体雾化制粉设备示意图如图10所示。4. 一体化快速增材制造系统笔者公司采用产学研创新模式，将金属增材制造技术和增材制造专用金属粉体材料制造技术相结合，研制开发国际首创的一体化快速增材制造系统，满足3D打印对多品种、多材质

7、、少批量关键部件的需求，为实现金属基增材制造部件的高性能、高质量和绿色成形制造提供快速、便捷的成套一体化快速增材制造技术。该系统包括激光选区熔化金属3D打印系统和制粉系统，通过突破整机一体控制、输出功率闭环控制、工作室温度精密控制与惰性气氛控制、高精度机械运动控制、粉体材料精密控制等关键技术，实现了从粉体材料到金属零部件的一体化快速增材制造。激光选区熔化金属3D打印系统，该设备除较大的整体成形尺寸（320mmx300mmx500mm）外，还集成了独特的双激光技术，此外还包括以下技术创新：可集成与使用不同类型的激光器，可单独也可同时使用；采用硅胶刮片，具有成本低，不会刮坏工件；具有自动粉末筛分循

8、环利用系统；平台预热温度可达600 ;双向铺粉，成型速度提高一倍；可在大平台上安装小平台，节省贵重金属；熔池监控系统；工艺控制系统升级。其主要技术经济指标如下：整体成形尺寸≥ 3 2 0 m m x 3 0 0mmx500mm（x、y、z）；激光器采用光纤激光器，功率达到1k W ；最大扫描速度≥ 7m / s ；构造速度：≥ 230c m3/ h；环境含氧量氩气（A r）/氮气/氮气（N2）惰性气体保护，氧含量 20ppm。制粉系统可采用N- P R E P制粉系统、E I G A制粉系统或等离子火炬制粉系统其中之一，再与激光选区熔化金属3D打印系统有机结合成整体。四、结语

9、国内制约增材制造技术发展的难点仍在材料，解决问题的关键在于自主掌握新一代等离子旋转电极雾化法（N - P R E P法）、等离子火炬雾化制粉法、无坩埚电极感应熔化气体雾化制粉法（E I G A法）等核心制粉技术与成套关键制粉设备。根据国家智能制造2025的新要求，集制粉系统与3D打印成形系统于一体的智能化快速增材制造系统是未来金属增材制造领域发展的趋势。10.3969/j.issn.1008-892X.2016.06.005参考文献【1】 于灏.美国3D打印发展战略概览.新材料产业，2015（4）：27-37.【2】 巩水利，锁红波，李怀学.金属增材制造技术在航空领域的发展及应用.航空制造技术

10、，2013(13)：66-71.【3】 杨永强，刘洋，宋长辉.金属零件3D打印技术现状及研究进展.机电工程技术，2013，42(4):1-7.【4】 姚妮娜，彭雄厚.3D打印金属粉末的制备方法.四川有色金属，2013(4)：48-51.【5】 丁雪.我国3D打印发展面临材料与产业创新双重瓶颈.新材料产业，2015(4)：68-71.【6】 袁建鹏.3D打印用特种粉体材料产业发展现状与趋势.新材料产业，2013(12)：19-25.【7】 李清泉，韩延良.真空熔炼高压气体雾化制粉技术及设备.粉末冶金工业，1996(2)：27-31. 张莹，李世魁，陈生大.用等离子旋转电极法制取镍基高温合金粉末.粉末冶金工业，1998(6)：17-22. Raymor AP&C.Leading the way with plasma atomised Ti spherical powder for MIM.Powder Injection MouldingInternational，2011，5