何 杰，馬士洲，張興高，蓋希強(qiáng)，陳厚和，張開創(chuàng)

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，南京 210094；2.軍事科學(xué)院防化研究院，北京 102205)

0 引 言

增材制造(又稱3D打印)技術(shù)是通過3D打印設(shè)備逐層堆積原材料來制造零件的成形技術(shù)[1-2]，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的核心，其中金屬零件成形在整個(gè)增材制造技術(shù)體系中是最為前沿和最具潛力的。金屬零件增材制造原材料通常為專門定制的，尺寸、形狀和形態(tài)都經(jīng)過精確優(yōu)化的金屬粉末。例如，在金屬零件的選擇激光熔化(SLM)增材制造[3-4]過程中，通常首選尺寸小于53 μm的球形金屬細(xì)粉，同時(shí)還應(yīng)避免空心顆粒和粉末團(tuán)聚，以確保良好的加工性能和最終產(chǎn)品性能。

目前，國內(nèi)外增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展時(shí)期，在材料、工藝、裝備、應(yīng)用等方面，歐美的發(fā)展較國內(nèi)更為系統(tǒng)全面。我國金屬增材制造技術(shù)規(guī)模應(yīng)用的時(shí)間較短，相關(guān)研究主要集中于打印成形工藝等方面，而粉末材料、裝備配套等均未形成成熟的體系，其中以前者為甚。材料的研發(fā)投入較大、周期較長，需經(jīng)過理論積累、成分設(shè)計(jì)、材料試制、性能驗(yàn)證以及應(yīng)用驗(yàn)證等過程。高強(qiáng)度鋁合金粉末、特種銅合金和鈦鋁合金粉末、航空航天用耐高溫合金粉末等都有巨大的需求缺口。當(dāng)前，國內(nèi)很多公司都加大了對(duì)高品質(zhì)粉體材料的研發(fā)投入，增材制造服務(wù)商和各級(jí)研究院也在整合資源，從應(yīng)用端上進(jìn)行材料體系的研發(fā)，部分已經(jīng)通過試驗(yàn)進(jìn)入推廣階段，如長沙新材料研究院和蘇州三峰激光的高強(qiáng)鋁合金粉末以及威拉里新材料推出的高溫合金粉末等。歐美企業(yè)如SANDVIK、LPW、TLS、普萊克斯、Oerlikon、AP&C、泰科納等材料生產(chǎn)商也在不斷加強(qiáng)對(duì)高品質(zhì)金屬球形粉末尤其是微細(xì)(粒徑小于45 μm)粉末材料的研發(fā)力度。德國H.C.Starck、加拿大PyroGenesis亦在大力拓展增材制造金屬粉末業(yè)務(wù)。鑒于國內(nèi)外增材制造用金屬粉末的強(qiáng)勁需求和發(fā)展熱點(diǎn)，作者綜述了離心霧化法、二流霧化法和球化法等增材制造用球形金屬粉末常用制備技術(shù)的原理，介紹了其各自的優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)國內(nèi)增材制造粉體制備技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 傳統(tǒng)球形粉末制備方法

由于應(yīng)用及后續(xù)成形工藝要求不同，金屬粉末的傳統(tǒng)制備方法也各有差異，從制粉實(shí)質(zhì)來說主要包括機(jī)械法和物理化學(xué)法。圖1所示的制備方法中，有很多制得的粉末形貌并不佳。其中，離心霧化法、等離子霧化法(PA)和二流霧化法均可制備出球形或近球形的金屬粉末，是當(dāng)前增材制造用金屬粉末的主要制備方法。

圖1 金屬粉末傳統(tǒng)制備方法歸納Fig.1 Summary of traditional preparation methods of metal powder

1.1 離心霧化法

離心霧化法包括旋轉(zhuǎn)圓盤霧化(CA)和旋轉(zhuǎn)電極霧化(PREP)。CA法制粉機(jī)理是將熔融金屬液流撞擊到高速旋轉(zhuǎn)的圓盤上，液流被圓盤擊碎，然后在離心力作用下霧化成液滴并沿圓盤邊緣甩出，緊接著與高速惰性氣流相遇而冷卻成球形粉末。試驗(yàn)時(shí)采用氦氣作為霧化室的惰性氣體，以增加冷卻速率，減小設(shè)備霧化室尺寸。但由于氦氣使用成本過高，大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)一般選擇氬氣，并適當(dāng)增加霧化室尺寸。CA法在實(shí)施過程中容易出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)圓盤變形和坩堝漏嘴污染等問題，且其制備的粉末閉孔內(nèi)夾雜氣體較多，在生產(chǎn)鈦合金等活性粉末時(shí)該問題更加突出。因此，國內(nèi)鮮有企業(yè)使用該項(xiàng)技術(shù)。

PREP法是將母材合金制成電極棒后裝入傳動(dòng)裝置中，使其在惰性保護(hù)氣氛下高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)由等離子體弧將其加熱熔化，形成的液膜受離心力作用分散飛離電極棒斷面，最終在表面張力作用下迅速凝固形成球形粉末的一種技術(shù)[5-6]。該方法通過改變電極棒直徑、轉(zhuǎn)速以及等離子體弧電流的大小來調(diào)控粉末粒徑，適用于航空航天零部件增材制造用鈦合金及高溫合金等粉末的制備，所得粉末球形度較好、粒度分布范圍較窄、表面干凈、夾雜少、無空心粉、流動(dòng)性好，缺點(diǎn)則是粉末不易制取、材料利用率不高，且傳統(tǒng)的PREP法由于電極棒直徑小(≤50 mm)、轉(zhuǎn)速低(極限轉(zhuǎn)速為15 000 r·min-1)，制備的粉末較粗，不適用于SLM增材制造。提高電極棒直徑與極限轉(zhuǎn)速、攻克高速動(dòng)密封技術(shù)是PREP法獲得較細(xì)粉末的技術(shù)關(guān)鍵[7-11]。

1.2 二流霧化法

二流霧化法主要通過霧化噴嘴產(chǎn)生高速、高壓的介質(zhì)流(常用的為水或者氣體)來粉碎熔融金屬液流，使其變成細(xì)小的液滴，并快速冷卻凝固成球形顆粒[12]，主要包括水霧化法和氣霧化法(GA)。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，當(dāng)今世界采用GA法制取的增材制造用金屬粉末占總產(chǎn)量的50%～60%。經(jīng)過不斷的創(chuàng)新和完善，GA法已成為增材制造用高性能金屬粉末的主要生產(chǎn)方法之一。工業(yè)上使用最廣泛的兩種氣霧化系統(tǒng)為自由落體式和緊密耦合式，這兩種系統(tǒng)中，熔融金屬或合金液流均會(huì)被高壓冷氣體射流破碎成液滴，隨后在高速霧化氣流中經(jīng)受高速冷卻和深度過冷。在自由落體式結(jié)構(gòu)中，熔融金屬或合金液流在被霧化氣體撞擊之前會(huì)沿重力方向自由下落一定距離，產(chǎn)生的顆粒相對(duì)粗糙。在緊密耦合式結(jié)構(gòu)中，熔融金屬或合金液流從噴嘴中出來后就會(huì)立即被氣體射流擊中，生產(chǎn)的金屬粉末質(zhì)量中值直徑(MMD)在10～100 μm之間。GA法制備的粉末粒度往往分布范圍較寬并且需要消耗大量特定氣體；而粉末尺寸分布范圍較寬時(shí)，通常需要對(duì)較大或較小粒度的粉末進(jìn)行分離，這會(huì)大幅降低生產(chǎn)效率。對(duì)于SLM用AlSi10Mg合金粉末(其鑄件廣泛應(yīng)用于航空、儀表及一般機(jī)械，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋、進(jìn)氣歧管、活塞、輪轂、轉(zhuǎn)向助力器殼體等)來說，在常規(guī)氣霧化工藝中，尺寸小于53 μm粉末的收得率僅為30%(體積分?jǐn)?shù))左右。目前，GA法的研究重點(diǎn)是開發(fā)MMD小以及生產(chǎn)效率高的球形粉末制備工藝。提高霧化效率或細(xì)粉收得率主要有3種途徑：(1)優(yōu)化氣體噴嘴設(shè)計(jì)及氣體噴嘴與熔體噴嘴的布置；(2)提高霧化氣體性能；(3)控制熔體性能。當(dāng)前大部分的研究工作集中在前兩個(gè)方面。

目前，氣體流體動(dòng)力學(xué)的研究已取得重大進(jìn)展，氣體噴嘴設(shè)計(jì)及其與熔體噴嘴之間的布置也取得巨大的進(jìn)步。為降低所需供氣壓力，同時(shí)提高霧化效率和均勻性，氣流通道中具有收斂-發(fā)散(Convergent-Divergent，C-D)[13]或拉瓦爾(De Laval)噴嘴[14]外形的氣體噴嘴得到了廣泛研究?；诰o密耦合式結(jié)構(gòu)，ANDERSON等[13]開發(fā)了具有離散匯聚-發(fā)散射流的高壓氣體霧化(High Pressure Gas Atomization，HPGA)噴嘴；與直管射流噴嘴相比，該噴嘴展現(xiàn)出更高的霧化效率。并且其通過調(diào)節(jié)氣體噴嘴與熔體噴嘴之間的相對(duì)位置或匹配角度來消除或限制熔體尖端周圍的局部流動(dòng)分離，從而避免因熔體潤濕(回彈)而導(dǎo)致的氣體噴嘴故障[15-16]。提升霧化介質(zhì)的壓力和溫度等特性，可以很好地提高霧化效率。STRAUSS[17]和HOPKINS[18]開發(fā)了熱氣霧化技術(shù)，由于氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度與氣體絕對(duì)溫度的平方根成正比，因此增加霧化氣體溫度可以產(chǎn)生大量的動(dòng)能，使熔體流變?yōu)楦?xì)小的霧滴，從而提高霧化效率。

霧化效率還可通過增加霧化前的特定液體表面能來優(yōu)化[19]。在雙流體霧化中，金屬熔體碎裂需發(fā)生在霧化氣體和液體之間速度差最大的區(qū)域，因此必須將金屬熔化并輸送到該區(qū)域。這可以在預(yù)成膜的混合霧化器中實(shí)現(xiàn)，主要分為兩個(gè)步驟，即預(yù)成膜和氣體霧化[20]。在預(yù)成膜時(shí)，熔體產(chǎn)生較大的比表面積，以便通過氣體霧化產(chǎn)生有效的二次破碎。CZISCH等[21]基于單流體旋轉(zhuǎn)預(yù)成膜概念，開發(fā)了一種預(yù)成膜混合霧化器，進(jìn)料首先由以一定模式運(yùn)轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)圓盤展開成片狀，形成自由流動(dòng)的液體膜，然后通過局部氣流輸送到最有效的霧化區(qū)，由外部混合氣體霧化器的高速氣體流進(jìn)行霧化。MINAGAWA等[22]將氣體霧化與離心霧化有效結(jié)合，開發(fā)了一種用于粉末生產(chǎn)的混合霧化工藝：熔融噴霧從外部混合雙流體噴嘴噴出，撞擊到旋轉(zhuǎn)盤上產(chǎn)生一個(gè)受控膜；該膜充當(dāng)離心霧化器用于產(chǎn)生具有窄粒徑分布的細(xì)液滴，以獲得細(xì)小金屬粉末。另一種預(yù)成膜混合霧化方法是以壓力旋流霧化為預(yù)成膜步驟，并與氣體霧化相結(jié)合的壓力旋流氣體霧化(Pressure Swirl Gas Atomization，PSGA)法[23]。在PSGA過程中，加壓熔體進(jìn)入壓力旋流噴嘴，并在旋渦和離心力作用下以圓錐形空心薄膜的形式離開噴嘴出口，并在外部混合氣體噴嘴作用下破碎。PSGA霧化器特別是壓力旋流噴嘴設(shè)計(jì)精巧，已用于生產(chǎn)中值直徑小且粒度分布窄的低熔點(diǎn)金屬球形粉末[24-25]以及金屬基復(fù)合材料粉末[26]。除了PSGA技術(shù)外，還可以在按需滴落(Drop on Demand，DOD)過程中對(duì)熔體施加周期性的超壓進(jìn)行加壓霧化[27-28]，從而周期性地將熔體推入熔體噴嘴，形成不連續(xù)的液滴鏈，隨后將其固化為粉末顆粒。

經(jīng)過不斷的研究發(fā)展，核心部件噴嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)使得氣霧化效率以及細(xì)粉收得率得到了很大的提升。但在氣霧化技術(shù)中，氣流在作用于液流前的飛行中不斷膨脹，且速度減小，導(dǎo)致霧化氣體能量損失較大，從而影響了霧化效率；金屬及合金液流靠氣流的沖擊和擾動(dòng)破碎而后形成粉末，由于氣流擾動(dòng)的不穩(wěn)定性，粉末的粒度分布較其他方法下的寬[29]。此外，粉末批次穩(wěn)定性差的問題也一直未得到解決，這一方面是由于增材制造技術(shù)發(fā)展迅速，材料的應(yīng)用走在標(biāo)準(zhǔn)建立之前，粉末、工藝和設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)尚未貫通；另一方面則是由于在制備過程中粉末分級(jí)比較困難。目前國內(nèi)外研究人員也一直關(guān)注著細(xì)粉分類設(shè)備的研發(fā)。

從20世紀(jì)80年代初開始，氣霧化制粉技術(shù)逐步在我國得到關(guān)注和應(yīng)用。中科院力學(xué)研究所、中南大學(xué)粉末冶金研究院和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位進(jìn)行了氣霧化制粉工藝和機(jī)理的研究并取得了顯著成果。但總體來看，氣霧化工藝應(yīng)用的研究居多，其機(jī)理的探討和分析則不夠深入，并且大部分高性能粉末和制粉設(shè)備仍需從國外進(jìn)口。受技術(shù)所限，霧化法制備細(xì)粒徑粉末較為困難，所得粉末存在氧及其他雜質(zhì)含量較高、粒度分布不佳、球形度和成分均勻性差等問題，這在一定程度上限制了我國高端增材制造產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

1.3 等離子霧化法

PA法的霧化機(jī)理為通過專用送料機(jī)構(gòu)以一定速率送入金屬原料，在爐體頂部多個(gè)對(duì)稱安裝的等離子火炬產(chǎn)生的聚焦等離子射流作用下原料迅速分散成超細(xì)液滴或氣霧，并在沉積過程中與冷卻用的惰性氣體發(fā)生熱交換，凝固得到近球形粉體[12]。PA法制得的金屬粉末整體粒徑偏細(xì)。PA法在一定程度上也可歸入二流霧化法；但與二流霧化法相比，該方法沒有采用常用的水或者氣體介質(zhì)流粉碎液流，而是采用熱等離子體，這可以避免熔融液滴因快速冷卻而造成的球形度不高等問題。此外，PA法不需要使用傳統(tǒng)陶瓷坩堝，適合所有能熔化的金屬材料制粉，尤其是含鈦的對(duì)坩堝造成污染的高活性金屬材料。

2 球化法

球化法利用高能量密度熱源使不規(guī)則粉體迅速熔化或氣化，然后在極大的溫度梯度下迅速冷卻、固化、沉積得到球形粉末[30-31]。與上述傳統(tǒng)制備方法相比，球化法制備的粉體球形度相對(duì)較高，表面光滑，流動(dòng)性好，純度高。經(jīng)過球化處理后，一些形貌、品質(zhì)不佳的粉末也能夠變成適合增材制造用的高品質(zhì)球形粉末，這提供了一種高品質(zhì)粉末制備的新思路，使得研究人員不必拘泥于傳統(tǒng)方法的一步到位，在初步制粉時(shí)可以選擇最為經(jīng)濟(jì)、方便、合適的方法，從而拓寬制粉路徑。目前，制備球形金屬粉末的球化法主要有等離子球化(PS)法、激光球化(LS)法和高溫火焰球化法。如果PA法取消霧化噴嘴，提高等離子炬功率至能夠直接氣化金屬或合金原料，則從某種意義上而言也可歸為球化法。

2.1 等離子球化法

感應(yīng)等離子體由于體積大、純度高以及放電過程中粒子停留時(shí)間長等特點(diǎn)，特別適合用于粉末球化。感應(yīng)等離子粉末球化過程主要包括機(jī)內(nèi)加熱、單個(gè)顆粒的熔化和熔融球形液滴在自由落體過程中的冷卻3部分。根據(jù)處理后粉末進(jìn)料的粒度和表觀密度來控制熔融液滴下落時(shí)間，使其在到達(dá)主反應(yīng)器室底部之前有足夠的時(shí)間完全凝固。等離子體氣體中殘留的較細(xì)顆粒，則通過旋風(fēng)分離器和過濾器收集裝置在主反應(yīng)器室的下游進(jìn)行回收。單個(gè)顆粒飛行中的加熱涉及到從等離子體到顆粒表面的熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱以及顆粒表面和周圍金屬蒸氣云的輻射熱損失。由于從顆粒表面到周圍環(huán)境的輻射能量損失迅速增加，對(duì)于熔化溫度較高的材料和尺寸較大的顆粒，其加熱和熔化變得更加困難。對(duì)于鉬和鎢等非常難熔的金屬來說，若要成功制備出尺寸在100 μm或200 μm的顆粒，等離子體溫度需要大大高于材料的理論熔化溫度[31]。

目前國內(nèi)外學(xué)者通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬和試驗(yàn)對(duì)等離子球化技術(shù)進(jìn)行了一系列研究，并取得了較大的進(jìn)展。在感應(yīng)等離子技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域，Tekna等離子系統(tǒng)公司設(shè)計(jì)、開發(fā)和制造了可用于多種材料處理和表面處理的“turn-key”等離子系統(tǒng)。國外關(guān)于等離子體球化粉體的研究起步較早，BOULOS等[32]在1978年就通過建立理論模型對(duì)粒徑在10～250 μm之間、處于感應(yīng)耦合熱等離子體中的鋁顆粒加熱歷程和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了研究，并建立了一系列公式條件[33]，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉末粒徑小于100 μm時(shí)，粉末顆粒會(huì)緊隨著流場線運(yùn)動(dòng)，并最終完全變成金屬蒸氣；當(dāng)粉末粒徑大于100 μm時(shí)，顆粒的運(yùn)動(dòng)主要取決于送粉器的初始位置和注入速度，且粉末顆粒能夠穿過等離子焰炬中心。CHEN等[34]和PFENDER等[35]研究了小顆粒在熱等離子流體中的傳熱與傳質(zhì)行為，根據(jù)力平衡原理得到了無熱效應(yīng)作用下單一顆粒的運(yùn)動(dòng)方程，推導(dǎo)了顆粒所受力的表達(dá)式，并以鋁粉和鎢粉為原始顆粒研究了顆粒的運(yùn)動(dòng)歷程。國內(nèi)，萬德成等[36-37]亦研究了顆粒與感應(yīng)熱等離子體的相互作用，推導(dǎo)了顆粒的運(yùn)動(dòng)模型。在數(shù)值模擬技術(shù)逐漸成熟的基礎(chǔ)上，許多研究人員開始進(jìn)行試驗(yàn)探索。KOBAYASHI等[31]利用射頻等離子球化法制備了亞微米級(jí)銅粉，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器壓力、氫氣流量和粉末進(jìn)料速率都對(duì)銅粉球化效果有較大的影響，同時(shí)在射頻等離子球化過程中，粉末顆粒的表面存在氣化和蒸發(fā)現(xiàn)象，產(chǎn)生的大量金屬蒸氣會(huì)導(dǎo)致粉末顆粒尺寸變大。WANG等[38]利用射頻感應(yīng)耦合等離子體制備了球形Nd-Fe-B合金粉體，并分析了進(jìn)料速率和原始顆粒大小對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。毛瑞奇等[39]利用氬氣射頻等離子體球化技術(shù)處理形狀不規(guī)則的氫化釹鐵硼粉末，得到了球形度高、粒度分布范圍窄、分散性好、球化率接近100%的球形粉末,其脫氫分解和球化過程可在等離子體中一步完成;同時(shí)，利用FLUENT軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)載氣流量的變化對(duì)等離子體焰炬的溫度場有很大影響。其他研究人員[40-42]亦發(fā)現(xiàn)等離子球化處理后，粉末表面變得光滑，其松裝密度、振實(shí)密度和粉末流動(dòng)性得到明顯改善。在等離子球化過程中，載氣流量、鞘氣流量、反應(yīng)室壓力、送粉速率等因素對(duì)粉末球化效果有較大影響;隨著送粉速率的增加，粉末的球化率會(huì)逐漸降低[40,43]。古忠濤等[44-45]利用等離子體炬產(chǎn)生的高溫?zé)釋⑿螤畈灰?guī)則的鎢粉、鈦粉快速熔化成液滴，隨后急冷得到球形粉末，該過程無氧化發(fā)生和其他雜質(zhì)介入，鈦粉也沒有發(fā)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)和相的變化；粉末中碳、氧、氫和氮元素的含量有所降低，而鈦含量相對(duì)增加，說明等離子球化處理有一定的純化作用。

通過調(diào)整等離子球化工藝參數(shù)，能夠得到高品質(zhì)增材制造用球形粉末，同時(shí)還可帶來一些其他優(yōu)化效果。但該工藝仍存在一些不足，如：球化過程中容易引入外來雜質(zhì)，對(duì)粉末造成污染；能量可控性不好，導(dǎo)致粉末發(fā)生燒損或變性；球化率不易控制。并且在等離子球化過程中，存在著大量不確定因素：粉末顆粒進(jìn)入等離子體焰炬中后，其傳熱與傳質(zhì)涉及到氣化和蒸發(fā)、顆粒運(yùn)動(dòng)的非連續(xù)行為、顆粒內(nèi)部熱量傳導(dǎo)、顆粒表面能量輻射、顆粒形狀及粒子帶電等行為[46-47]；在等離子球化過程中，工藝參數(shù)的調(diào)整不僅影響等離子焰炬的內(nèi)部溫度，還影響著等離子焰炬流體形態(tài)和粉末顆粒的受力情況等；此外，在磁感線圈作用及帶電粒子的碰撞下，粉末顆粒在等離子體焰炬內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡也各不相同。因此，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)等離子球化法過程中出現(xiàn)的一系列現(xiàn)象的理論與試驗(yàn)研究，探明其規(guī)律(如傳熱傳質(zhì)規(guī)律、受力運(yùn)動(dòng)規(guī)律等)，以便利用等離子體達(dá)到更好的球化效果。

2.2 激光球化法

激光作為一種高能束流，與等離子體相比，其能量、方向性高度可控，并且與材料相互作用時(shí)不引入外來雜質(zhì)，非常適合于非球形硬質(zhì)合金粉末的球化。

在早期選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)增材制造過程中普遍存在激光球化現(xiàn)象，當(dāng)激光束掃過粉末表面時(shí)，粉末迅速升溫熔化，隨后在表面張力作用下收縮成球形顆粒。研究人員對(duì)金屬粉末在激光作用下的復(fù)雜變化行為進(jìn)行了諸多研究[48-52]，發(fā)現(xiàn)球化效應(yīng)也有值得肯定的一面。利用激光束掃描物體表面，使其所吸附的微細(xì)粉末或薄膜在激光作用下迅速球化并彈起，可以達(dá)到清潔物體表面的目的[53];通過激光束掃描金屬薄膜可以得到球形熔滴，從而制備出由離散球形熔滴組成的規(guī)則圖形[54-57]。隨后，研究人員利用激光球化效應(yīng)開始進(jìn)行高品質(zhì)球形粉末的制備。歐陽鴻武等[58-59]通過系統(tǒng)地改變激光功率、掃描速度以及選取合適的激光掃描間距，探討了球化效應(yīng)形成的工藝條件，通過對(duì)球化過程進(jìn)行理論分析，得出了選區(qū)激光掃描制備球形鈦粉的工藝參數(shù)，獲得了較為理想的球形鈦粉，并指出金屬粉末的球化能力取決于其粒徑、導(dǎo)熱性、熔點(diǎn)和激光吸收率等因素。除了鈦粉以外，歐陽鴻武等[60]還對(duì)異形黃銅粉顆粒的熔化、熔滴鋪展和收縮球化過程進(jìn)行了理論分析，發(fā)現(xiàn)這3個(gè)過程非常短暫，分別在10-5，10-2，10-4s以內(nèi)完成，且粉末粒徑越小，歷時(shí)越短；熔滴鋪展與收縮的協(xié)調(diào)是成球的關(guān)鍵，理想的球化效果只有在激光工藝參數(shù)、粉末物性和球化環(huán)境相互協(xié)同的條件下才能實(shí)現(xiàn)。黃衛(wèi)東等[61]發(fā)明了一種激光球化稀有難熔金屬及硬質(zhì)合金非球形粉末的方法，即在氬氣環(huán)境中，將不規(guī)則粉末顆粒由送粉器送至激光束下，經(jīng)過激光高溫輻照使其表面部分熔化，然后自然冷卻獲得球形或近球形粉末顆粒，所得粉末成分與球化處理之前的具有較好的一致性。目前對(duì)于激光掃描制備球形粉末的研究還相對(duì)較少，這是未來球形粉末制備極具潛力的研究方向之一。

3 結(jié)束語

在常用的增材制造用粉末制備方法中，二流霧化法尤其是氣霧化法是制備高性能球形金屬粉末的主要方法，但其仍無法完全解決空心粉及衛(wèi)星顆粒的問題，且現(xiàn)階段細(xì)粉收得率不是很理想。離心霧化法制備的粉末球形度高、實(shí)心、無衛(wèi)星顆粒、成分易于控制，但其對(duì)粉末顆粒的細(xì)化依賴于離心轉(zhuǎn)速等，細(xì)粉收得率低、制備成本高，相關(guān)技術(shù)有待提高。球化法制備的粉末表面光滑、流動(dòng)性好、內(nèi)部孔隙少、純度高，其與傳統(tǒng)機(jī)械法或物理化學(xué)法的組合將是一種應(yīng)用前景良好的球形粉體制備方法，但目前受限于設(shè)備及工藝的連續(xù)性，應(yīng)用規(guī)模上劣于二流霧化與離心霧化法。

隨著粉末制備基礎(chǔ)理論研究的深入以及技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)主流技術(shù)(氣霧化法等)將不斷得到完善和更新，新的制備技術(shù)及工藝也在不斷涌現(xiàn)，高品質(zhì)球形金屬粉末制備將進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化及標(biāo)準(zhǔn)化。隨著新熱源技術(shù)(等離子炬、電子束、激光)的應(yīng)用，在以傳統(tǒng)制備方法為基礎(chǔ)進(jìn)行工藝及設(shè)備改進(jìn)研究的同時(shí)，可以按需進(jìn)行智能設(shè)計(jì)，根據(jù)具體需求和制粉特點(diǎn)將制粉工藝進(jìn)行個(gè)性化功能組合，從單獨(dú)制粉工藝向組合工藝發(fā)展，進(jìn)行增材制造用高性能球形粉末的制備。

增材制造用金屬粉末產(chǎn)品工業(yè)化供應(yīng)除了要求核心技術(shù)過硬之外，還需要有成體系的粉末管理方法(粉末品質(zhì)管控、指標(biāo)管控等)。國內(nèi)的制粉企業(yè)大多發(fā)展時(shí)間不長，沒有穩(wěn)定的訂單和銷量，粉末管理體系建立不完備，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定和批次穩(wěn)定。而不穩(wěn)定的粉末產(chǎn)品又會(huì)影響增材制造應(yīng)用端的發(fā)展，導(dǎo)致無法形成正向促進(jìn)。和當(dāng)前全球高品質(zhì)球形金屬粉末生產(chǎn)與應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展相比，我國増材制造用球形金屬粉末生產(chǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域仍然存在標(biāo)準(zhǔn)缺失、國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)跟蹤轉(zhuǎn)化落后、各球形金屬粉生產(chǎn)廠商及應(yīng)用商對(duì)國內(nèi)國際標(biāo)準(zhǔn)化工作的參與度不高等問題。這就需要研究人員及各廠商共同推進(jìn)增材制造用金屬粉末的標(biāo)準(zhǔn)制定工作，充分發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)對(duì)球形金屬粉末生產(chǎn)與應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)范和引領(lǐng)作用。