分析增材制造用金属粉末制备技术研究现状及展望

田景明

摘 要：针对增材制造用金属粉末制备技术的研究现状、具体技术与应用以及发展前景展开介绍，了解常见制备技术应用要点，为今后我国增材制造行业以及金属粉末制备生产积累经验。

关键词：增材制造技术;金屬粉末制备技术;3D打印技术

增材制造技术也被称为3D打印技术，使用打印设备将原材料逐层堆积，即可使零件成形。金属零件成形对于增材制造技术而言，是其中比较先进的技术手段。运用金属零件增材进行原材料的制造，需要针对性定制，无论是原材料尺寸、形状还是具体形态，均要使用经过精准优化之后的金属粉末，保证制造加工和产品的实际性能。但是，关于增材制造用金属粉末制备技术的运用，分析其研究现状还有很多问题需要解决，下文也以该技术为对象展开讨论。

一、增材制造用金属粉末制备技术研究现状

关于增材制造技术的研究，与之相关的产业正处于高速发展态势，有关材料、工艺和装备等也有相对完善且成熟的系统。我国在金属增材制造技术领域的研究，整体来说应用时间补偿，而且更多的关注打印成形工艺，与之相比粉末材料和装备配套等体系还需要进一步完善。通过研究发现材料方面需要过高的投入，研究时间也比较长，在大量基础理论积累之后，材料成分、试制、性能与应用验证等均积累了丰富经验[1]。

目前我国增材制造行业中，高强度铝合金粉末、航空航天用耐高温合金粉末等形成的缺口比较大。大部分企业均在高质量粉体材料这一层面给予资金支持，增材制造服务商、研究院也开始进行资源的整合，基于应用端创建完善的材料体系，而且很多试验开始落实推广，满足市场中增材制造用金属粉末的基本需求，也为增材制造用金属粉末制备技术研究提供了参考。

二、增材制造用金属粉末制备技术与应用

（一）等离子旋转电极法

等离子旋转电极法（Plasma Rotating Electrode comminuting Process，PREP）是一种球形粉末制备技术，金属、合金在加工之后成为棒料，其间使用等离子体对棒端进行加热处理，棒料同时开始高速旋转，在离心力作用下细化熔化液滴，周围充斥惰性气体，可使其凝固，而且发挥表面张力作用，便可加工成为球化形成粉末。PREP法比较适合在钦合金与高温合金这种合金粉末制备加工中应用，而且得到的金属粉末具有比较高的球形度、流动性，缺点在于粉末粒度粗，使用SLM工艺，微细粒度粉末带来的收得率不高，还需要支出细粉成本。因为粉末粗细与高棒料转速、增大棒料直径有关，所以在提升了转速之后将会改变设备密封与振动等要求[2]。目前，PREP法在我国主要是以引进为主，企业引进了技术之后，结合我国实际情况进行吸收与改进，为增材制造用金属粉末制备提供先进技术支持。

（二）等离子雾化法

等离子雾化法（Plasma Atomization，PA ）在制备中，采用对称的方式在熔炼室中安装顶端离子体炬，作为高温等离子体焦点，经检测其温度最高可达到10000K。应用专业的送料装置，在等离子焦点中放入金属丝，快速熔化、汽化原材料，而且在等离子体高速冲击、分散作用下，可将原材料雾化为超细液滴、气雾状，进入到雾化塔之后飞行沉积，其间与雾化塔内部冷却氢气发生反应，通过热交换进行冷却凝固处理，进而获得超细粉末。

应用PA法制备得到的金属粉末，为近规则球形，而且粉末粒径比较细。结合目前增材制造行业的发展现状，产能也在扩建过程中得到显著提升。因为等离子炬的温度比较高，所以PA法一般支持所有高熔点金属合金粉末的制备。但是此技术需要用到丝材雾化制粉，导致很多变形难度较大的合金材料粉末制备面临困难，原材料丝材采用预先制备方法，这也增加了制粉成本。

（三）气雾化法

气雾化法在增材制造中应用，分别有两种技术工艺，即有增涡真空感应熔炼雾化（Vacuum Induction-melting Gas Atomization，VIGA ）和无增涡电极感应熔炼气雾化（Electrode Induction-melting inert Gas Atomization，EIGA）。第一种VIGA法比较适合在铁基合金、钻基合金等材质的粉末制备种应用，EIGA法则是更加适合难熔金属材质的粉末材料制备。制备过程中需要保证粉末形貌与细粉收得率，在此方面合金熔炼、雾化喷嘴技术也展开深入的研究。基于气雾化制粉技术进行优化，研发出超声气雾化和层流气雾化等先进技术，结合增材制造技术特征展开改进。现如今金属增材制造技术越来越先进，很多企业也开始着手进行增材制造用金属粉末制备技术的探讨，满足增材制造技术在制备生产环节要求。

三、增材制造用金属粉末制备技术发展前景

结合目前增材制造用金属粉末制备的发展情况，发现气雾化法在高性能球形金属粉末制备中应用比较多，但是在解决空心粉、卫星颗粒相关问题方面依然存在不足，而且细粉收得率也有可提升的空间。利用离心雾化法制备粉末，所展现的球形度比较高，而且具有实心和无卫星颗粒的特点，成分控制比较简单，但是该方法指得的细化粉末颗粒，对离心转速的依赖性比较高，细粉收得率不是非常理想。球化法制备所得的粉末具有表面光滑度高、流动性强、纯度好等优势，建议与机械法、物理化学法组合起来应用，可以在球形粉体制备中获得理想的效果。

基于上述增材制造用金属粉末制备技术实际应用情况，生产产品工业化供应提出非常严格的要求，即应该掌握核心技术，今后增材制造用金属粉末制备应该朝着高品质球形金属粉末制备方向前进，严格参照国际标准，提高球形金属粉生产厂商、应用商的参与积极性，也可以引导产业的规范、健康发展。

四、结语

综上所述，增材制造用金属粉末制备技术的研究与应用，应该保证粉末管理方法的规范性。很多制粉企业的发展时间有限，订单与销量不够稳定，而且粉末管理体系也不够完善，很难对产品与批次的稳定性提供保障，一旦出现粉末产品不稳定的问题，将会对增材制造应用端长期发展带来阻碍。通过制备技术的改进与创新，不断提高粉末制备水平，也为我国增材制造的发展奠定基础。

参考文献：

[1]吴文恒，王涛，范玎.增材制造用球形金属粉末主要制备技术的研究进展[J].机械工程材料，2021，45（11）：76-83.

[2]张新涛，张科翠，张东，赵健，樊昱，张娟.注射成形用金属粉末的制备技术及性能研究进展[J].粉末冶金工业，2019，29（02）：55-59.