關鍵詞：激光選區(qū)熔化；增材制造；粉體材料；制備技術(shù)

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)獲得了極高的關注度，甚至被譽為人類歷史上“第三次工業(yè)技術(shù)革命”。“所想所見即所得”是對該項技術(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)成為當前金屬增材制造（“3D打印”）領域研究的熱點方向。但是，SLM技術(shù)對粉體材料性能要求較高，國內(nèi)技術(shù)還無法實現(xiàn)大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)，大部分粉體材料只能依賴進口，價格高昂，造成SLM技術(shù)的使用成本居高不下，難以進行大規(guī)模普及與推廣。粉體材料，實際上已經(jīng)成為左右SLM技術(shù)發(fā)展的關鍵技術(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)狀及最新進展，評述了各自的優(yōu)缺點，以期為專業(yè)從事金屬增材制造的企業(yè)提供參考。

1  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。

圖1  理想的激光選區(qū)熔化增材制造專用粉體SEM圖

2  激光選區(qū)熔化專用球形金屬粉末制備技術(shù)

2.1  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、粉末實心、粒度分布窄、流動性好等特點，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，目前該法細粉收得率低。

2.1.1 等離子旋轉(zhuǎn)霧化法（PREP法）

等離子旋轉(zhuǎn)霧化法的機理可簡單描述為：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。

與氣霧化技術(shù)相比，PREP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”，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、碳刷設計、振動偏心等相關技術(shù)瓶頸，該方法的細粉收得率（-325目）還難以達到氣霧化的水平。

提高電極棒直徑與極限轉(zhuǎn)速，降低粉末顆粒尺寸、實現(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。頂立科技通過自主創(chuàng)新，研制開發(fā)24000rpm與60000rpm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法細粉收得率低的技術(shù)難題，為SLM提供高純潔凈球形實心粉體材料。

2.1.2  圓盤旋轉(zhuǎn)霧化法（CA法）

圓盤旋轉(zhuǎn)霧化法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35000-60000rpm），然后經(jīng)離心力作用分散細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制對流冷卻，快速凝固形成球形粉末。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，該項技術(shù)國內(nèi)鮮有企業(yè)使用。

2.2  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，進而形成細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加熱、等離子加熱等類型。

2.2.1  真空感應熔煉惰性氣體霧化法（VIGA法）

VIGA法設備熔化溫度一般不能高于1600℃，否則坩堝、漏嘴易損壞，因此無法霧化高熔點、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 ，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。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致非金屬夾雜，采用冷壁銅感應坩堝取代陶瓷坩堝，這種方式稱為基于冷壁坩堝的真空感應熔煉惰性氣體霧化法（VIGA-CC）。

2.2.2  電渣重熔/冷壁感應引導霧化法（ESR/CIG法）

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

2.2.3  等離子熔煉感應氣體霧化法（PIGA法）

PIGA法是一種冷壁坩堝霧化技術(shù)，它利用等離子束作為熔融熱源，在水冷銅坩堝中將待霧化的金屬材料熔化，水冷銅坩堝的底部與感應加熱漏嘴相連，該無陶瓷漏嘴系統(tǒng)將熔化金屬液體流引入氣體霧化噴嘴進行霧化。Gerhard等 分別利用PIGA、EIGA、CA三種制粉方法制備TiAl粉末，并對粉末中閉孔夾雜的氬氣含量進行對比，結(jié)果表明PIGA法制備的粉末中夾雜的氬氣含量最少。

2.2.4  無坩堝電極感應熔化氣體霧化法（EIGA法）

由于PIGA設備中導流管的存在，在霧化過程中，活性材料（如鈦合金以及含稀土的合金）容易引起導流管的腐蝕，并污染粉末。為此，德國公司對技術(shù)進行了改進，并開發(fā)了EIGA技術(shù)。EIGA法是一種無坩堝霧化技術(shù)，它是采用預合金棒料為電極，通過感應線圈將緩慢旋轉(zhuǎn)的電極材料熔化并通過控制熔化參數(shù)形成細小液流，熔液直接滴落霧化區(qū)被惰性氣體霧化的技術(shù)，如圖8所示。

EIGA技術(shù)與傳統(tǒng)采用坩堝氣霧化技術(shù)相比較，具有以下優(yōu)勢：該技術(shù)由于在熔煉過程中不需要坩堝，有效地避免了熔融金屬的污染，適合制備活性材料粉末，改善了合金粉末的質(zhì)量。但是目前EIGA法也存在些問題：

1、感應線圈限制感應電極原料棒材的直徑，大直徑電極要求更高的感應加熱電源和感應線圈，成本較高；

2、為保證電極穩(wěn)定停留于線圈中，需考慮垂直送料速度和電極自轉(zhuǎn)速度的配合；

3、電極感應加熱熔化后流入氣霧化噴嘴，金屬液滴應保持穩(wěn)定持續(xù)的流態(tài)而不間斷，防止出現(xiàn)液滴狀，或者電極未完全熔化而斷裂掉入導流管中而造成阻塞；

4、熔煉合金電極時，若電極存在偏析，則易導致合金粉末的化學成分不均勻。

2.2.5  等離子火炬霧化法（PA法）

PA法是利用等離子火炬作為熱源對金屬絲材加熱熔融并同時霧化制備球形金屬粉的方法 ，裝置示意圖如圖9所示。加熱源由3個等離子噴槍組成，原料絲材被等離子弧加熱熔化，在高溫霧化氣體作用下球化凝固成粉，粉末粒度較細，粉末球形度高。Youngmoo Kim等分別用氣體霧化法（GA）、等離子炬霧化法（PA）和氫化脫氫法（HDH）制備Ti-6Al-4V粉末，PA法制得的粉末粒度最細，D50為29.35μm。

PA法具有以下優(yōu)勢：

1、霧化過程無需坩堝，因此制備的粉末無污染，純凈度高，這點與PREP法相似；

2、粉末粒度細，約40μm；

3、金屬熔化和霧化過程同時進行，霧化效率高；

4、PA法采用熱等離子體作為霧化介質(zhì)，因此具有足夠長的冷卻時間，以保證顆粒充分球化，避免熔融顆粒因快冷形成不規(guī)則狀形貌。但該法原理仍屬于二流霧化范疇，不可避免地存在“傘效應”，故粉末表面會粘附少量衛(wèi)星粉。

2.3  球化法

球化法是利用溫度高、能量密度大的熱源，將形狀不規(guī)則的原料粉體迅速加熱而熔化或氣化，然后在極高的溫度梯度下迅速冷卻，液滴在自身表面張力作用下形成球形粉體顆粒。目前，球化法制備球形金屬粉末主要是射頻等離子球化法（RFPS法）和激光球化法（LS法）。

2.3.1  射頻等離子球化法（RFPS法）

RFPS法在粉末的球化處理過程中，利用射頻電磁場的感應作用對各種氣體進行感應加熱，產(chǎn)生射頻等離子，利用高溫的等離子體熔化非球形粉末，熔融的粉末顆粒在表面張力作用下縮聚成球形，在極短的時間內(nèi)驟冷凝固，從而形成球形粉末 。

射頻等離子體球化制粉技術(shù)由于具有溫度高（約104℃）、等離子體炬體積大、能量密度高；傳熱和冷卻速度快、可提高球形度，較好地改善粉末的流動性；可消除顆粒內(nèi)部的孔縫，提高粉末密實度；無電極污染等優(yōu)點，成為制備組分均勻、球形度高和流動性好的球形粉末的新途徑，尤其在制備難熔金屬球形粉末方面比傳統(tǒng)氣霧化更具優(yōu)勢，但與傳統(tǒng)球形粉末制備技術(shù)相比，射頻等離子體球化制粉技術(shù)存在產(chǎn)率相對較低的問題，并且對制粉過程缺乏系統(tǒng)性研究，制約了其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣 。 

2.3.2  激光球化法（LS法）

激光球化法可利用“球化效應”將普通不規(guī)則的金屬粉制備成球形粉末。“球化效應”是金屬粉末選區(qū)激光燒結(jié)（SLS ）和選區(qū)激光熔化（SLM）過程中存在的一個常見現(xiàn)象，即當激光束掃過粉末表面時，粉末將迅速升溫熔化，之后在表面張力作用下收縮成球形顆粒的現(xiàn)象。

筆者認為，以機械法（高能球磨法、氣流磨粉碎法等）+球化法或物理-化學法（氫化脫氫法、氣相法等）+球化法或水霧化、氣霧化+球化法的方式也將開啟金屬3D打印粉體材料制備新天地。

3  激光選區(qū)熔化專用粉體材料制備技術(shù)對比

綜上所述，旋轉(zhuǎn)霧化法、氣霧化法、球化法三類制備方式有著各自優(yōu)缺點：

①旋轉(zhuǎn)霧化法制備的粉末球形度高，粉末實心，無衛(wèi)星顆粒及空心粉末，成分易于控制，是制備SLM專用粉體材料的理想方法，但是粉末顆粒的細化依賴于旋轉(zhuǎn)速度，細粉收得率較低；

②氣霧化法制備的粉末細粉收得率較高，球形度較好，成分較易控制，但明顯存在衛(wèi)星顆粒及空心粉末，另外大部分氣霧化法無可避免引入陶瓷夾雜；

③球化法制備的粉末流動性好，松散度高，粉末顆粒內(nèi)部的孔隙與裂縫明顯減少，粉末純度高，表面形貌好，該方法與傳統(tǒng)機械法或物理-化學法組合將是一種前景較好的SLM專用粉體材料的制備方法，但受限于工藝連續(xù)性及設備，整體上劣于旋轉(zhuǎn)霧化法與氣霧化法。

4  結(jié)束語

（1）國內(nèi)制約SLM增材制造技術(shù)發(fā)展的難點仍在于粉體材料，解決問題的關鍵在于自主掌握核心制粉技術(shù)與成套關鍵制粉設備；

（2）隨著SLM增材制造技術(shù)的發(fā)展，球形金屬增材制造粉體材料的制備技術(shù)將進一步完善及產(chǎn)業(yè)化，老一代技術(shù)將得到大幅度更新?lián)Q代，新的制備技術(shù)及工藝也將不斷涌現(xiàn)；

（3）為了提高國內(nèi)SLM增材制造專用粉體材料制備技術(shù)的適用性，最快的途徑仍將是以上述常見的幾種方法為基礎進行工藝及設備的改進研究，如頂立科技研制的60000rpm超高轉(zhuǎn)速PREP霧化設備，打破了PREP法細粉收得率低的技術(shù)瓶頸，有望成為SLM增材制造專用粉體的主流制粉技術(shù)之一；

（4）以機械法（高能球磨法、氣流磨粉碎法等）+球化法或物理-化學法（氫化脫氫法、氣相法等）+球化法或水霧化、氣霧化+球化法的方式制備球形粉末的發(fā)展趨勢不容小覷，解決其技術(shù)上的瓶頸后也將開啟增材制造專用粉體材料制備新天地。（作者：戴煜，李禮）