李禮 戴煜

相對于減材制造、等材制造、粉末冶金等傳統(tǒng)制造技術(shù)而言，增材制造技術(shù)只有短短不到30年的時間，但是卻在全世界范圍內(nèi)獲得了極高的關(guān)注度，甚至被譽(yù)為人類歷史上“第3次工業(yè)技術(shù)革命”?！八胨娂此谩笔菍υ擁?xiàng)技術(shù)優(yōu)勢的最好詮釋。其中，激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)（SLM）因其具有較高的成形精度、良好的表面質(zhì)量，已經(jīng)成為當(dāng)前金屬增材制造（3D打?。╊I(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方向。但是，SLM技術(shù)對粉體材料性能要求較高，國內(nèi)技術(shù)還無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)，大部分粉體材料只能依賴進(jìn)口，價格高昂，造成SLM技術(shù)的使用成本居高不下，難以進(jìn)行大規(guī)模普及與推廣。粉體材料，實(shí)際上已經(jīng)成為制約SLM技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。本文主要概述了目前國內(nèi)外幾種主流的金屬增材制造專用粉體材料制備技術(shù)，分析了金屬增材制造專用粉體材料制備技術(shù)的現(xiàn)狀及最新進(jìn)展，評述了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為專業(yè)從事金屬增材制造的企業(yè)提供參考。

一、激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)專用粉體定義

激光選區(qū)熔化增材制造對粉體材料有何要求？筆者根據(jù)長期SLM工藝摸索得出通用定義，即尺寸在15～60μm的金屬顆粒群，并盡可能同時滿足純度高、少無空心、衛(wèi)星粉（實(shí)心最佳）、粒度分布窄、球形度高、氧含量低、流動性好和松裝密度高等要求。理想的激光選區(qū)熔化增材制造專用粉體如圖1所示。

二、激光選區(qū)熔化專用球形金屬粉末制備技術(shù)

1.旋轉(zhuǎn)霧化法

旋轉(zhuǎn)霧化法是直接熔化高速旋轉(zhuǎn)的金屬棒料的一端，或?qū)⑷廴诮饘僖毫鲝嫩釄寤驖沧鼭沧⒅粮咚傩D(zhuǎn)的圓盤上，使金屬液流在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下破碎成小液滴，隨后快速凝固形成金屬粉末。離心霧化法制備的粉末具備球形度高、粉末實(shí)心、粒度分布窄、流動性好等特點(diǎn)，粉末粒徑可通過旋轉(zhuǎn)載體的轉(zhuǎn)速與直徑來控制，但是受限于載體轉(zhuǎn)速，目前該法細(xì)粉收得率低。

（1）等離子旋轉(zhuǎn)霧化法（PREP法）

PREP法（圖2）的機(jī)理可簡單描述為：以等離子束為熱源，金屬或合金為自耗電極，電極端部經(jīng)同軸等離子體熔化，在自身高速離心力與表面張力的作用下得到球形粉體[1]。

與氣霧化技術(shù)相比，PREP法工藝不以高速惰性氣流直接分散金屬液流霧化，因此可以避免氣體霧化法中出現(xiàn)的“傘效應(yīng)”，具有以下明顯的優(yōu)勢：粉末粒度分布更集中，均勻性好；粉末基本不存在空心粉、衛(wèi)星粉，純度更高、夾雜少；粉末增氧量更低。當(dāng)然，PREP法也有自身的局限：受限于高速旋轉(zhuǎn)動密封、大電流傳輸、碳刷設(shè)計(jì)、振動偏心等相關(guān)技術(shù)瓶頸，該方法的細(xì)粉收得率（-325目）還難以達(dá)到氣霧化的水平[2]。

提高電極棒直徑與極限轉(zhuǎn)速，降低粉末顆粒尺寸、實(shí)現(xiàn)棒料無縫連接技術(shù)，提高粉末產(chǎn)能、智能控制系統(tǒng)升級等是未來PREP技術(shù)發(fā)展的趨勢。湖南頂立科技有限公司（以下簡稱“頂立科技”）通過自主創(chuàng)新，研制開發(fā)24 000rpm與60 000rpm超高轉(zhuǎn)速等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉技術(shù)及裝備（如圖3所示），攻克了PREP法細(xì)粉收得率低的技術(shù)難題，為SLM提供高純潔凈球形實(shí)心粉體材料。

（2）圓盤旋轉(zhuǎn)霧化法（CA法）

CA法（圖4）是將熔化的金屬液流連續(xù)滴落到一個高速旋轉(zhuǎn)的碟盤上（轉(zhuǎn)速35 000～60 000rpm），然后經(jīng)離心力作用分散細(xì)化形成液滴并沿著碟盤邊緣甩出，甩出后的液滴受到高速氦氣流的強(qiáng)制對流冷卻，快速凝固形成球形粉末[3，4]。碟盤的形狀通常為圓盤形，霧化室的惰性氣體通常采用氦氣，以增加冷卻速率，減小霧化室尺寸。

該項(xiàng)技術(shù)的局限性在于：粉末中會包含一些閉孔，閉孔內(nèi)通常含有部分霧化氣體如氦氣；存在坩堝漏嘴的污染和旋轉(zhuǎn)圓盤變形的風(fēng)險，尤其在生產(chǎn)高溫合金或活性粉末時問題更加突出。因此，該項(xiàng)技術(shù)國內(nèi)鮮有企業(yè)使用。

2.氣體霧化法

氣體霧化法利用高速氣流作用于熔融液流，使氣體動能轉(zhuǎn)化為熔體表面能，進(jìn)而形成細(xì)小的液滴并凝固成粉末顆粒，通過集粉裝置將粉末收集起來。氣體霧化法按噴嘴結(jié)構(gòu)可分為自由降落式、緊密耦合式等；從冶煉（熔煉）方法可分為真空霧化、非真空霧化、有坩堝霧化、無坩堝霧化；從加熱方式可分為電磁感應(yīng)加熱、等離子加熱等類型，下面對這幾種方法進(jìn)行分別闡述。

（1）真空感應(yīng)熔煉惰性氣體霧化法（VIGA法）

VIGA法（圖5）設(shè)備熔化溫度一般不能高于1 600℃，否則坩堝、漏嘴易損壞，因此無法霧化高熔點(diǎn)、高過熱的金屬及合金，也無法勝任高活性、高純凈合金粉末的制備。PREP粉末夾雜物主要來源于母合金[5]，而VIGA粉末中非金屬夾雜主要來自于陶瓷坩堝耐火材料、熔煉過程中的脫氧產(chǎn)物、中間包及霧化噴嘴等環(huán)節(jié)，只能通過優(yōu)化熔煉及制粉工藝盡量減少夾雜物含量，很難完全避免[6-8]。制粉后通過諸如靜電分離、氣體浮選、氣流磨及滾筒磨等后處理手段去除非金屬夾雜物，提高金屬粉末純凈度。

為避免金屬熔煉過程中與陶瓷坩堝接觸而導(dǎo)致非金屬夾雜，采用冷壁銅感應(yīng)坩堝取代陶瓷坩堝，這種方式稱為基于冷壁坩堝的真空感應(yīng)熔煉惰性氣體霧化法（VIGA-CC）。

（2）電渣重熔/冷壁感應(yīng)引導(dǎo)霧化法（ESR/CIG法）

ESR/CIG工藝（圖6）是將電渣重熔與冷壁感應(yīng)導(dǎo)向有機(jī)結(jié)合的技術(shù)，電渣重熔工藝提供液態(tài)金屬，冷壁感應(yīng)導(dǎo)向系統(tǒng)則將液態(tài)金屬導(dǎo)向自動化噴嘴。即待霧化的材料以電極的形式給進(jìn)，電極頭在與熔渣的接觸點(diǎn)進(jìn)行熔化，形成精煉熔滴，熔滴向下穿過活性熔渣層進(jìn)入銅制水冷坩堝中。精煉金屬液通過冷壁感應(yīng)引導(dǎo)系統(tǒng)，然后采用高速惰性氣體流進(jìn)行霧化。

（3）等離子熔煉感應(yīng)氣體霧化法（PIGA法）

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