增材制造专用粉末的开发与制备

霍仁杰

摘要：金属增材制造是近年来发展起来的具有信息化制造技术特征的新型材料加工技术。其中专用粉末的制备是增材制造工艺中最为关键的一个环节。国内外知名企业与研发机构纷纷开发不同成分、不同规格的专用冶金粉末项目并应用于航空航天、生物医学等增材制造典型制造领域中。基于此，本文研究增材制造专用粉末的开发前沿发展以期应用于更多行业中。

Abstract： Metal additive manufacturing is a new material processing technology developed in recent years with the characteristics of informatization manufacturing technology. The preparation of special powder is the most critical part of the additive manufacturing process. Well-known enterprises and R&D institutions at home and abroad have developed special metallurgical powder projects with different compositions and specifications， and they are used in the typical manufacturing fields of aerospace， biomedical and other additive manufacturing. Based on this， this paper studies the Frontier development of the development of specialty powders for additive manufacturing in order to be applied to more industries.

關键词：增材制造;专用粉末;开发与制备

Key words： additive manufacturing;special powder;development and preparation

中图分类号：TF123                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）23-0140-02

0  引言

最近，金属材料的增材制造，又被称为激光（电子束）快速成型技术，逐渐成为装备制造行业的热门研究技术，而以颗粒状的金属粉末作为材料应用最为广泛。这种热加工技术综合了计算机技术、材料科学与热处理、机械设计与制造、控制理论与控制技术、电子信息工程等学科的先进智能加工技术。采用类似于堆焊的逐层堆积成形原理[1]，以激光、电子束或者电弧为热源，依据三维计算机软件设计完成的零件离散化地在基材基础上进行增材制造，从而解决了工业生产中的个性化需求，缩短了研发周期;作为航空航天和电力工程产品，新技术使得生产周期由传统的3-6个月缩短至48h[2];另一方面，对于网状结构、多孔状结构等复杂金属零件的加工相对于车、钳、铣、刨为代表的减材制造具有独特的优势，并被广泛地应用于航空航天、汽车工业、生物医学等领域。

其中，激光增材制造技术是应用最广泛、最成熟的加工工艺，分为激光直接融化制造技术和选择性激光熔化技术。零件在高性能加工过程中金属粉末的成分及成形后的性能是影响增材制造质量的关键，因此，针对金属材料增材制造的专用粉末的开发与制备是该项技术得以大面积推广应用的重点。冶金粉末是加工制造的原材料，当时用低质量的金属粉末时，即使是最先进的增材制造工艺、最顶端的增材制造热源和最优化的控制技术，仍然不能得到满意的最终产品[3]。目前，还没有任何针对金属增材制造工艺技术而专门开发的制备技术，制备工艺仍然停留在等离子喷涂、真空等离子喷涂以及高速氧燃料火焰喷涂等热喷涂工艺。粉末的质量较低，含有较多的C、N、O、H等杂质而形成空心颗粒。这样的粉末在逐层增材制造过程中造成零件内部出现缩孔、缩松，甚至出现裂纹等缺陷，加剧了零件的脆性失效危险。另一方面是金属粉末应用层面的问题，要求在制备过程中能够完全规避与其他材料尤其是空气的接触。因此，增材制造专用粉末的制备、开发与应用的研究是保证制造工艺质量，提高加工效率以及广泛应用重中之重。

1  金属粉末

金属增材制造合金粉末所囊括的物质种类比单纯金属粉末多很多。在装备制造业中主要使用的合金包括：钛合金、不锈钢、高温合金、模具钢与工具钢、铝及铝合金、钴铬合金以及镍基合金。而通过机械方法破碎而成的细小合金集合体所形成的粉末用于喷涂尚可满足要求，而增材制造在加工前已经对粉末粒径与均匀性、比表面积、松装密度、分体密度、孔隙率、粉末束流[4]、送粉方式等参数指标有了明确的规定，必须针对增材制造的生产流程设计有针对性的粉末制备方法。

在粉末的选择上，对于增材制造而言，美国Carpenter公司投资2000余万元进行增材制造用超级合金粉末的开发;美国ATI公司宣布将提高增材制造用镍基合金粉末的生产产能来满足日益增长的需求[5]。英国LPW技术公司与Metalysis技术公司开展了合作，将结合Metalysis有限公司卓越的金属粉末生产规模与LPW有限公司高超的粉末球化处理水平，从而为金属增材制造产业开发高纯度的球形钛合金粉末和钨合金粉末，并拥有专利知识产权，生产难熔金属、高温合金和硬质合金的成本较低，而且能够实现环境友好的绿色制备[6]。

相对于不同的行业企业，专门的增材制造用合金粉末制备差异很大：在航空航天和发电领域，主要的合金粉末有Ti-6Al-4V、Ti-6246等钛合金。英国航天技术研究院投资超过150万英镑用于合作开发钛合金粉末从而优化金属增材制造，降低开放成本。合作公司Metalysis从金红石中提取合金粉末，并与世界主要金红石供应商Iluka资源有限公司合作研发[7]。Hoeganaes公司制备出3种不同粒径分布（D50分别为27～37μm、41～46μm、68～87μm）的钛合金、高温合金专用粉末[8];多晶Inconel625和Nimonic PE 16等镍基合金。定向凝固采用Mar-M247、PWA1483/1484等[3]。在制造业领域，人们出于合金结构轻量化的考虑而开发轻质Al合金。在医疗应用领域，钛合金、镁合金以及贵金属氧化物陶瓷更加适用于移植器官而被广泛关注。

2  金属粉末制备路线

制备路线有很多种，除了传统的低质量的等离子喷涂、火焰喷涂以外，典型的方法有气体雾化法、等离子惰性气体雾化法、机械合金化法等。

2.1 气体雾化法

在气体雾化时，随之熔融金属通过的口径比较狭窄，当达到末端时，口径突然开阔，在这一变化中与气体发生强烈的冲击与碰撞，形成微小的滴状物，有效阻止了近终态冷凝前的合金聚集。

2.2 等离子惰性气体雾化

作为等离子喷涂制备粉末的改进方案，等离子惰性气体雾化技术采用等离子弧作为热源，熔炼钛合金的预合金棒料。还有水冷铜坩埚、感应加热漏嘴等辅助装置相连通，通过导入熔融金属至喷嘴中进行雾化。等离子焊枪与钛合金棒材保持非接触状态，保证了较高的钛液纯净度。该方法获得的合金粉末纯净度和细分率较高，粉末粒度能够控制在75μm以里，达到45μm的粉末占粉末总质量的35-55%[9]。

2.3 机械合金化法

机械合金化法制备合金粉末是将准备好的原料置于不锈钢材质的球磨罐中，通过密封、抽真空等操作，使原材料不受外界污染;再通入高纯度氩气，此时原材料在变频球磨机中进行机械合金化处理，通过一定的球磨间歇方式，在不同的旋转时间、正反转、转速等工艺参数下，制备出高质量的合金粉末的技术路线[11]。采用机械合金化法制备增材制造用合金粉末的最大优越性在于合金成分的可控，不但能夠制备出高质量的合金粉末，还能够通过材料设计出不同混合粉末从而形成新的粉末性能，例如高熵合金粉末、非晶粉末等[12-14]。

3  结论

采用先进粉末制备技术-气体雾化、机械合金化等方法制备出粒度小、分布均匀、高纯净度的专用增材制造合金粉末。

参考文献：

[1]刘业胜，韩品连，胡寿丰，柴象海，曹源.金属材料激光增材制造技术及在航空发动机上的应用[J].航空制造技术，2014（10）：62-67.

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[3]孙世杰.增材制造使用的金属粉末将成为一个重要的研究方向[J].粉末冶金工业，2015，25（04）：62.

[4]范立坤.增材制造用金属粉末材料的关键影响因素分析[J].理化检验（物理分册），2015，51（07）：480-482.

[5]许洋.金属3D打印技术研究综述[J].中国金属通报，2019（02）：104-105.

[6]孙世杰.LPW技术公司与Metalysis技术公司合作为增材制造行业供应高质量球形金属粉末[J].粉末冶金工业，2015，25（05）：65.

[7]马晨璐.Metalysis与GKN合作共同开发粉末冶金项目[J].中国钛业，2015（03）：45.

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[10]Henrik  Franz， Laurenz  Plochl， Dr. Frank-peter  Schimansky. Recent  ad-vances of titanium alloy powder production by ceramic-free inert gas atomization[A]. International  Titanium  Associa-tion[C]，LASVEGAS：2008.1.

[11]蒋烨，陈可，王伟.机械合金化法制备AlCoNiFeCr高熵合金涂层[J].中国有色金属学报，2018，28（09）：1784-1790.

[12]周强，魏世超，杨树忠，罗莉，常德民.机械合金化FeCuNiSnCo粉末的制备及其胎体材料物理性能研究[J].粉末冶金技术，2019，37（01）：30-35.

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[14]周翔，龙威，周小平.机械合金化制备Al_（70）Ni_（17）Ti_（13）非晶粉末的研究[J].特种铸造及有色合金，2019，39（04）：456-459.