我国3D打印钛合金粉末材料产业发展现状研究

郑明月

1 前言

3D打印技术是以三维计算机辅助设计（CAD/CAM）模型为基础，直接将粉末或丝状材料加工制造成形，而无需或极少附加其他工艺的先进制造技术。金属粉末产业是3D打印产业链中最重要的部分，3D打印过程中粉末材料在高能热源作用下的冶金变化速度极快，成形过程中粉末材料与热源直接作用，粉末材料没有模具的约束以及外部持久压力的作用。因此3D打印工艺对金属粉末的粒径、粒度分布、比表面积、粉体密度、松装密度、粉末流动性、振实密度等性能要求都非常高。

钛合金具有耐高温、高强度、耐腐蚀、低密度、弹性模量接近人骨以及生物相容性优良等优点，因此3D打印钛合金被广泛应用于航空航天、化工、核工业、运动器材及医疗器械等领域。目前国内企业生产钛合金粉末的主要方法有电极感应熔化起雾化法、等离子火炬雾化法和等离子旋转电极法等。目前国内钛粉产业整体仍处于产业化发展初期，存在自主创新能力不足、缺乏行业龙头企业、产业发展环境有待改善等问题。

2 3D打印钛粉的制备技术及重点企业

由于钛合金熔点高并且高温条件下极为活泼，易与绝大多数单质及化合物反应而被污染，因此3D打印技术对粉末材料要求极高，主要包括：氧含量低（<0.15，质量分数）、球形度高、纯净度高、粒径分布窄、粉末粒径细小、松装密度高、可塑性和流动性好等。制备金属粉末的主流方法为雾化法。国内企业正在积极进行钛粉产业布局，但总体处于产业发展初期。

2.1 电极感应熔化气体雾化

电极感应熔化气体雾化法（Electrode induction melting gas atomization，EIGA）是采用无坩埚熔化技术，原料钛合金被加工成金属棒置于感应线圈中加热熔化，雾化气流在下部对液流进行破碎，此设计避免了钛金属液与坩埚和导流管的直接接触，避免了冶金污染，保持粉末的高纯净度，其原理图如图1所示。

EIGA技术的优点是原料无污染、加热速率快、工艺简单、设备清洗方便等。目前，该技术亟待解决的问题是：电极棒在雾化过程中必须稳定停留于感应线圈固定位置，此时钛棒垂直送料速度和自转速度的配合不易控制；感应熔化后钛液进入雾化喷嘴是应为连续液流，实际雾化过程出现间断液滴，产生不稳定熔化从而阻塞感应线圈，所以钛合金稳定连续熔化是EIGA技术的难点。

目前国内企业生产钛粉的主流技术为EIGA技术。飞而康快速制造科技有限责任公司建有一条进口电极感应熔炼气雾化钛合金粉末生产线，并于2012年投入使用。该线年产钛合金粉末90t，是国内目前顺利通过CAAC适航认证的生产线，可提供批次稳定、纯净度高、球形度高，可达到国际航空标准的钛合金粉末。江苏威拉里新材料科技有限公司是由徐州矿务集团投资组建的高新技术企业，成立于2015年，技术路线采用世界一流的真空气雾化、等离子雾化粉体制备技术，主要从事研发、生产、销售钛合金等十余种高端金属粉体，可实现个性化定制高质量金属粉体。中国航发北京航空材料研究院（以下简称“航材院”）是国内最早从事钛合金高纯球形粉末研制的单位，拥有25年气雾化制粉技术经验，从国外引进和自主研发建设钛合金粉末生产线，建设多条粉末生产线，研制生产高纯钛基、钛铝基合金球形粉末，可批量生产高纯、低氧、粒度可控的钛合金粉末，在3D打印工况下表现出优异的物理性能。中航迈特粉冶科技（北京）有限公司（以下简称“中航迈特”）自通过主设计开发多台先进的EIGA制粉设备，突破并解决一系列制粉基础科学和关键工程技术问题，成功研制出符合航标、国军标、美国ASTM、AMS等标准的钛合金粉末，材料性能与进口产品相当，产品在我国航空航天零件热等静压、3D打印等工艺技术上获得应用。

2.2 等离子火炬雾化法

等离子雾化（Plasma atomization，PA）热源由若干个等离子喷枪构成，原料设计为丝材，生产过程中钛丝被等离子热源加热熔化进而球化凝固成粉。PA技术中熔化和雾化同时进行，等离子枪将电能转化成热能和动能，用氩气（Ar）防止气体与雾化材料发生反应。直流等离子枪的功率为20～40kW，每枪口流速为100～120L/min，与其他方法相比，等离子雾化的粉末较细，平均尺寸为40μm，尺寸分布较窄。PA装置由加拿大Pegasus Refractory Materials發明，如图2所示。

PA工艺的优点是钛丝熔化过程无需坩埚，因此制备的钛粉纯净度高、粉末粒度细（D50约40μm）、雾化效率高、球形度高；PA技术的工艺难点是金属丝的送丝速度、等离子喷枪的工作功率和等离子喷枪位置的实现最优配合。

目前国内真正攻克等离子火炬雾化技术的企业不多，湖南顶立科技有限公司（以下简称“湖南顶立”）通过借鉴美国与俄罗斯技术，经过自主研发，成功研制等离子火炬雾化装备，粉末球形度达到95%，细粉收得率（≤53μm）达到32%。北京环宇冠川等离子技术有限公司、山东晶鑫晶体科技有限公司、新疆天业有限公司等在相关技术研发方面取得一些进展，成都优材科技公司、成都天齐机械五矿进出口公司主要引进国外设备。

2.3 等离子旋转电极雾化

等离子旋转电极雾化制粉法（Plasma Rotating Electrod Process，PREP）是将钛合金制成棒状自耗电极，其端面被电弧熔化为钛液，通过电极自身旋转（15 000～60 000rpm）的离心力将液体抛出进而粉碎为细小液滴，随之冷凝为钛粉。1974年PREP工艺由美国核金属公司开发成功，其工作原理如图3所示。

PREP技术的优点是粉末无污染、含氧量低（≤1 000ppm）、粉末球形度高、粒度分布窄、无卫星粉；其缺点是：电极棒尺寸要求高（20～40mm），成本较高、电极转速较快、转轴容易磨损，因此保持高速旋转电极的真空密封性和清洁度是该技术的关键问题。

机械科学研究总院（集团）下属郑州机械研究所有限公司借鉴俄罗斯和乌克兰技术，首先实现了PREP技术的国产化。目前国内应用PREP技术生产钛粉的企业有十几家。西北有色金属研究院（集团）（以下简称“西北有色院”）下属的西安欧中材料科技有限公司通过“引进消化吸收再创新”，组建了具备国际先进水平的国内首条超高转速30 000rpm等离子旋转电极雾化SS—PREP金属球形粉末工业化生产线，主要致力于钛合金球形粉末制备，及相关产品的深度开发。西北有色院控股的西安赛隆金属材料有限责任公司生产的SLPA—V型等离子旋转电极雾化制粉设备，采用电极棒料立式放置结构，极大地降低了设备的振动，提高了工作转速，研发出国际首台立式PREP设备，创新的桌面级PREP设备电极棒最高转速达60 000rpm；研发出钛镍（TiNi）、Ti钽（Ta）、Ti铝（Al）、Ti铌（Nb）锆（Zr）等40余种牌号的3D打印用高品质球形金属粉末；该公司形成了年产200t金属粉末、多套PREP设备的生产能力。中航迈特、湖南顶立、陕西维克德科技开发有限公司等公司都为PREP钛粉供应商。

3 对我国3D打印钛粉产业的思考

据市场研究公司ID Tech Ex报道，2017年我国3D打印材料市场规模达到29.92亿元，钛合金占比最大，达到了20.2%，即6.04亿元。由于钛合金3D打印对粉末材料各项指标要求有别于传统粉末冶金，国内实际能自主生产3D打印用合格球形钛合金粉末的制造商并不多，大部分刚起步，基本由传统粉末冶金制粉行业转向3D打印钛合金粉末行业。核心技术相对欠缺使企业在转型中遇到重重阻力，产品品质难以保障。据媒体报道，目前我国70%以上的3D打印钛合金粉末源于进口。我国3D打印钛粉产业存在起步晚、产业薄弱、主流工艺缺乏原创、专利布局不合理、创新能力不足、行业标准欠缺、骨干企业缺失等问题。针对现实状况，提出以下建議。

3.1 加强技术自主创新

目前世界范围钛粉主要供应商为美国卡彭特、英国LPW、山特维克（Sandvik Osprey）、吉凯恩（JKN Hoeganaes）、瑞典赫格纳斯等，这些公司垄断了3D打印钛粉的60%以上的核心专利。不过，国内企业、科研院所和高校在钛粉研究领域正进行积极攻关。有研科技集团下属北京康普锡威科技有限公司在国家“863”课题资助下经过5年专项攻关突破国外专利封锁，基本实现钛粉产业化。航材院、中国钢研科技集团有限公司、西北有色院、中航迈特以及中南大学、北京科技大学等单位都在进行自主创新，但是由于产业基础薄弱，生产研发实体的盈利能力有限，相关科研投入不足，造成我国相关核心专利布局不足，核心技术受制于人。因此，国家层面要增加相关领域重大专项课题布局，引导相关实体的配套自筹资金投入，降低科研院所、企业和高校的财政压力，使科研人员能放开手脚，全身心投入科研创新。科研院所、企业和高校要积极合作，形成科研合力，进行大团队攻关，强化创新能力，开发具有完全自主知识产权的钛粉制备工艺。

3.2 培育优势骨干企业

目前我国钛粉生产企业没有上市公司，中小企业占据行业主流。应选择一批具有核心技术的重点企业，以资本运作、战略合作、兼并重组核技术控股等方式，进行整合，加快培育具有竞争力的龙头企业；鼓励3D打印大企业参与钛粉等相关技术研发及应用领域拓展。鼓励国有资本与风投资本进入3D打印钛粉领域，加快重点企业知识产权布局；促进企业核心竞争力提升；打造品牌优势的创新型企业，鼓励下游应用企业对上游粉末材料制备企业的兼并重组，在一段时间内推出若干家重点上市企业。鼓励大中小企业协同发展，提高材料制备企业的集中度。

3.3 优化产业发展环境

一是加快完善3D打印粉末材料相关标准。以我国相关产业发展为基础，借鉴国外相关标准，形成完善的3D打印粉末材料工业标准体系。二是加强核心专利的前瞻性布局与保护。相关部门进行产业的前瞻研究，引导鼓励企业、科研院所等进行深度研究，申请核心专利，补齐产业短板。加大对3D打印粉末材料专利侵权特别是核心工艺侵权事件的惩罚力度，保护自主创新成果，维护行业发展竞争秩序。三是积极进行相关产业布局。粉末材料是3D打印的基础，因此粉末材料生产企业应该尽量靠近应用企业，形成产业集群，所以相关产业在战略布局时应考虑产业链的完整性和市场的合理性。

参考文献

[1] 王华明.高性能大型金属构件激光增材制造：若干材料基础问题[J].航空学报，2014，35（10）：2690—2698.

[2] 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（7）：480—482.

[3] 马晨璐.金属粉末是3D打印的关键[J].中国钛业，2015（4）：47—47.

[4] HOHMANN M，PLEIER S.Production methods and applications for high-quality metal powders and sprayformed products[J]. 金属学报（英文版），2005，18（1）：15—23.

[5] DODUN O，TSETKOU A，PAPAPANOS G，et al.A theoretical equation for the thermal balance at plasma atomization process[J]. Nonconventional Technologies Review，2007（1）：23—28.

[6] 李代颖，刘济宽，陈学通.超细球形铜粉研究进展[J].船电技术，2013，33（3）：42—44.

[7] 戴煜，李礼.金属基3D打印粉体材料制备技术现状及发展趋势[J].新材料产业，2016（6）：23—29.

[8] 陆亮亮，张少明，徐骏，等.球形钛粉先进制备技术研究进展[J].稀有金属，2017（1）：97—104.

[9] 刘建涛，张义文.等离子旋转电极雾化工艺制备FGH96合金粉末颗粒的组织[J].材料热处理学报，2012，33（1）：31—36.

[10] 李礼，戴煜，吕攀.等离子旋转电极法制取AlSi10Mg铝合金粉末工艺的研究[J].新材料产业，2018，301（12）：25—30.

[11] 李礼，戴煜.中国增材制造技术现状及发展趋势[J].新材料产业，2018，297（8）：32—35.

[12] ZHENG Mingyue，ZHANG Shaoming，Hu Qiang，et al.A novel crucible—less inert gas atomisation method of producing titanium powder for additive manufacturing[J].Powder Metallurgy，2019，62（1）：15—21.