中國粉體網訊 增材制造（3D打印）是我國制造業強國戰略中重點研究和產業化技術，目前3D打印裝備已不再是制約我國增材制造技術的核心，但其使用的高質量球形技術粉末仍嚴重依賴進口，部分先進制備技術被國外壟斷，已成為制約我國增材制造技術普及應用的關鍵瓶頸問題。
圖片來源：東睦新材料
1 3D打印用金屬粉末要求
在“2013年世界粉末冶金大會”上，定義3D打印金屬粉末為尺寸小于1mm的金屬顆粒群。3D打印金屬粉末除需具備良好的可塑性外，還必須滿足粉末純凈度高、氧含量低、粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求。
近年來，國內外在等離子束快速成形技術方面的研究越來越多，在金屬零件3Ｄ打印研究方面，等離子束在普通鋼鐵材料的直接成形方面具有更高的性價比，更適合于工業化生產。
2 高能等離子束粉體制備技術
2.1絲材等離子霧化技術
絲材等離子霧化（PA）技術采用等離子射流加熱熔化絲材，并同步實現液滴的霧化破碎，得到的金屬粉末形貌為球形，具有優異的流動性、幾乎無空心粉和衛星球缺陷，是3D打印增材制造、金屬注射成形和噴涂的理想粉體材料。
到目前為止，盡管國內有專利布局絲材等離子霧化技術，但均未涉及PA技術關鍵核心部件等離子炬的研制，也未見到可商業化量產金屬粉末的PA裝備。
2.2等離子旋轉霧化法（PREP法）
PREP法是將金屬或合金制成自耗電極，自耗電極端部在同軸等離子體電弧加熱源的作用下熔化形成液膜，液膜在旋轉離心力的作用下被高速甩出形成液滴，熔融液滴與霧化室內氬（Ar）氣摩擦，在切應力作用下進一步破碎，隨后熔滴在表面張力的作用下快速冷卻凝固成球形粉末。其原理圖如下圖。
PREP霧化制粉原理圖
PREP法制備的粉末具有表面清潔、球形度高、伴生顆粒少、無空心/衛星粉、流動性好、高純度、低氧含量、粒度分布窄等優勢，適合金屬3D打印。但是，PREP工藝受限于電極棒大幅提速后導致的密封、振動等相關技術瓶頸，采用該法仍難以低成本制備符合3D打印技術要求的細粒徑粉體（45μm以下）。
2.3等離子體球化技術
等離子體球化技術是在高溫等離子體中載入粉末，高溫環境促使粉末顆粒吸熱熔融，粉末在表面張力的作用下縮聚為球形液滴，而后在冷卻室中快速冷凝為球形粉末。
等離子球化技術示意圖
等離子體球化技術具有溫度高、熱焓高并且氣氛可控等特點，其制備所得的球形粉末球形度高、雜質含量低且粒度分布窄，尤其適用于高熔點金屬球形粉體的制備，是目前最具潛力實現大規模工業化生產高性能球形金屬粉體材料的制備技術，被認為是獲得致密、規則球形顆粒的最有效手段。
3 網絡直播預告
2022年3月22日，中國粉體網旗下粉體公開課平臺將舉辦“第二屆3D打印粉體材料制備及檢測技術網絡研討會”。屆時將邀請四川大學的余德平教授作《基于高能等離子體束的3D打印粉體材料制備技術》的報告。報告會對主流3D打印霧化制備技術進行分析，重點介紹基于高能等離子體束的3D打印粉體制備技術及顯著優勢，包括絲材等離子體霧化、旋轉電極等離子體霧化、等離子體球化等，分享在絲材等離子體霧化和等離子體球化的技術和裝備開發經歷，與材料領域同仁共同推進高能等離子體束在高性能粉體材料制備領域的應用。
4 專家介紹
余德平，四川大學機械工程學院副院長、教授、博士生導師，先后入選四川省學術和技術帶頭人后備人選、四川大學“雙百B”人才計劃，主要從事先進制造技術及智能裝備，包括等離子體制造技術、精密及超精密加工技術、制造過程智能診斷與預測等方面的研究，在國內外有影響力的期刊和會議論文中發表論文70余篇（SCI檢索43篇、EI檢索50篇）。獲授權中國發明專利9項、實用新型專利10余項。
參考來源：
【1】陳瑩瑩，等.3D打印用金屬粉末的制備技術及其研究進展.粉末冶金工業.2018.
【2】戴煜，等.等離子旋轉霧化制備航空用3D打印金屬粉體材料研究.新材料產業.2016.
【3】張慶磊，等.感應等離子體球化法制備球形金屬粉體的研究進展.稀有金屬材料與工程.2020.
【4】曾克里，等.絲材等離子霧化鈦合金粉末研究進展.粉末冶金工業.2021.
（中國粉體網編輯整理/星耀）
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