2.2.2　金属3D打印用粉末制备技术国内外发展现状

金属3D打印技术的飞速发展极大地刺激了高品质金属粉末的市场需求。根据“Wohlers Report 2018”［57］，金属3D打印设备2017年销量为1768台/套，较2016年的983台/套增长了约80%。而专用金属粉末的市场增长率也超过30%，其中2017年较2016年增长了50%。良好的市场前景使3D打印金属粉末制备技术也备受瞩目。全球目前主要的3D打印用球形金属粉末供应商、技术类型以及产能情况如表2-3所示。据估计，全球的金属球形粉末产能大于4万吨，主要用于热等静压、喷涂等传统粉末冶金行业。

表2-3　全球金属粉末的主要生产企业及其产能情况

（1）气雾化制备技术现状

气雾化技术是3D打印球形粉末制备使用最为广泛的技术。代表性的国外工业级气雾化装备生产厂家有英国的PSI 公司和德国ALD公司，其雾化装备适用于3D打印粉末，特别是航空航天用的钛合金、镍基高温合金制备。其关键技术除了前文描述的气雾化机理与气体喷嘴以外，还包括对金属原料棒材熔炼过程的控制。以ALD公司EIGA技术为例，为保证熔融液流的稳定性，感应线圈的实时功率与棒材熔融温度必须严格耦合，这需要大量的模拟计算与实验研究。

气雾化粉末虽然有产量大、成本相对低等优势，但是粉末由于存在卫星球和空心球等缺陷，对3D打印过程和制件性能影响较大，因此国外掌握核心技术的公司致力于气雾化技术的新发展，以适应金属3D打印产业的发展需求。例如美国Ames 实验室 Iowa Powder Atomization Technologies 公司改进气雾化喷嘴和工艺，将气雾化粉末细粉（<45μm）收得率从40%提高到60%，极大提高了钛合金的生产效率，降低了生产成本。该公司于2016年被美国PRAXAIR公司收购，准备实现产业化生产。此外，德国Nanoval 公司通过对喷嘴结构的设计，实现雾化气体的层流运动，利用剪切力作用得到的雾化粉体空心率、卫星球大幅降低和减少，制备粉末中位径在30μm以下，但该技术目前的产量不大，仍有待进一步改进。

我国在气雾化技术方面起步较晚，国内相关研究单位如中南大学、中科院沈阳金属所、北京航空材料研究院、钢铁研究总院等通过引进国外先进制粉设备，逐渐掌握了气雾化制粉技术。根据不完全统计，国内进口气雾化装置超过50台。自制气雾化设备技术上不适宜3D打印粉末的批量化稳定生产，因此近年来，中航迈特等国内企业在引进吸收的基础上，研发出VIGA和EIGA等制粉设备。西北有色金属研究院也在开展水冷铜坩埚真空气雾化技术（VIGA-CC）和装备的研发。总体而言，我国在气雾化制备技术方面与国外存在较大差距，粉末制备过程中稳定性较差，无法实现规模化生产。

（2）等离子旋转电极雾化

等离子旋转电极雾化技术在20世纪70年代由美国Nuclear公司发明，此后苏联将该技术应用于制备航空用镍基高温合金粉末盘的生产。国内西北有色金属研究院和郑州机械研究所均自制研发了PREP设备，特别是西北有色金属研究院自20世纪80年代开始，至今已经发展了三代装备，电极转速大于18000r/min，制备的钛合金粉已经批量应用于定向能量沉积3D打印技术。目前，其下属的西安赛隆公司正在研发新一代超高转速装备，以满足粉床3D打印技术的需求。目前国内装备有20余台PREP设备，主要从事满足航空航天等高端需求的钛合金、镍基高温合金、钴铬合金的生产。

（3）等离子雾化技术

国际上，加拿大AP&C公司拥有垄断技术，其生产的球形钛合金粉末供应全球50%以上的粉末床3D打印设备。其母公司Arcam于2017年被GE收购。然而该公司不出售等离子雾化设备，国内此方面研究尚属空白。最新动态表明，加拿大PyroGenesis公司在2017年宣布取得了等离子雾化技术的专利授权，并投资建立3D打印专用钛合金粉末生产线。

（4）射频等离子球化

加拿大TEKNA公司是该技术的代表性企业，他们在开发出工业级球化设备的基础上，实现了各种难熔金属的球化处理。国内目前有30余台等离子球化设备，其中绝大部分进口自TEKNA公司。国内研究机构，如中科院过程工程研究所、西南物理研究院、北京科技大学等单位开发了自主的等离子球化设备，但是其稳定性和实用化较国外设备存在一定差距，没有实现商业化。

综上所述，金属3D打印用粉末制备技术仍有很大的发展空间，需要加强粉末制备技术的基础研究。例如气雾化机理涉及气体动力学、气液两相流场耦合等多学科交叉；等离子体技术也需要等离子物理、等离子流体力学的共同支撑，只有突破了装备背后的原理机理，才能实现高端制粉技术的全面突破。