3D打印用鈦及鈦合金球形粉末制備技術(shù)

近年來，隨著3D打印產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，尤其采用金屬3D打印技術(shù)制造的大型復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)件已經(jīng)完成了在航空領(lǐng)域的工程化驗證，使金屬3D打印技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢更加明顯。作為金屬3D打印的關(guān)鍵原料，球形粉末的生產(chǎn)3D打印產(chǎn)業(yè)鏈的核心，而鈦及鈦合金由于其特殊的化學(xué)性質(zhì)，是制備難度最大的一種耗材粉末。目前，國內(nèi)外能夠批量生產(chǎn)球形鈦及鈦合金粉末的技術(shù)主要有等離子旋轉(zhuǎn)電極法、惰性氣體霧化法、感應(yīng)等離子球化法、感應(yīng)等離子霧化法 。

1、等離子旋轉(zhuǎn)電極法

等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉法是以金屬或合金制成自耗電極，其端面受電弧加熱而熔融為液體，通過電極高速旋轉(zhuǎn)的離心力將液體拋出并粉碎為細小液滴。后冷凝為球形粉末的制粉方法。這種工藝制備的粉末顆粒形狀非常接近球形，表面光潔，流動性好，間隙元素含量與原始棒材接近。但由于電極動密封問題限制了轉(zhuǎn)速的提高，生產(chǎn)的鈦合金粉末粒度較粗，粒度分布區(qū)間相對集中，-60目到150目的比例占到70％左右，粉末生產(chǎn)屬間歇式工藝，生產(chǎn)效率低，成本也較高。據(jù)報道，俄羅斯科研人員對等離子旋轉(zhuǎn)電極設(shè)備進行了改進，使電極的轉(zhuǎn)速可達30000轉(zhuǎn)／分鐘，能夠制備粒度較細的球形粉末。

2 、惰性氣體霧化法

氣體霧化法是借助高速氣流來擊碎金屬液流，只需克服液體金屬原子間的鍵合力就能使之分散。1988年建立了年產(chǎn)11噸的氬氣霧化裝置。1990年德國ALD發(fā)表了無坩堝熔化霧化鈦及鈦合金粉末的專利，稱為EIGA(電極感應(yīng)熔化氣體霧化)。接著日本住友采用相似的方法建立了年產(chǎn)60噸的氣體霧化裝置，并于1994年投入生產(chǎn)。從此，氣體霧化鈦及鈦合金粉末實現(xiàn)了小規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。氣體霧化法生產(chǎn)鈦合金粉具有冷卻速度快，粉末顆粒相對于較細，但細粉末收率不高，生產(chǎn)成本高，設(shè)備投資也大。目前，國內(nèi)采用ALD霧化技術(shù)生產(chǎn)鈦及鈦合金粉末的設(shè)備5臺，主要集中在科研院所，這些設(shè)備細粉(一200目)出粉率都不高。

3、感應(yīng)等離子球化處理

感應(yīng)等離子球化處理制備球形粉末的工藝國內(nèi)外已經(jīng)進行了諸多研究。加拿大Tekna公司是目前世界上等離子領(lǐng)域的領(lǐng)航者，可以提供成套粉末整形系統(tǒng)，整形球化處理不同類別粉末。印度Bharathiar University的研究人員不僅在工藝試驗方面有很多研究，也進行了理論分析計算及整形過程模擬。

國內(nèi)進行粉末整形處理相關(guān)研究的單位主要集中在科研院所。西南物理研究院可以自行設(shè)計成套粉末整形系統(tǒng)，設(shè)備主要用于制備陶瓷球形粉末和難熔金屬球形粉末。金堆城鉬業(yè)股份有限公司直接引進了加拿大Tekna公司的粉末球化設(shè)備，用于處理鎢、鉬等難熔金屬粉末，也提供微細球形粉末的銷售和加工服務(wù)。國內(nèi)外擁有等離子球化處理設(shè)備的單位都開展過鈦粉的球化處理試驗，但由于最終產(chǎn)品氧含量高(達到約0.5wt％ )，粘附“衛(wèi)星球”多等問題無法克服，這項技術(shù)一直未在球形鈦及鈦合金粉末制備方面取得應(yīng)用。

4、等離子絲材霧化法

等離子絲材霧化法(Plasma AtomizationTechnology)是加拿大Raymor公司自主開發(fā)的以合金絲材為原料制備各種材質(zhì)球形粉末的工藝，他們擁有自主制造的設(shè)備，但并不對外銷售設(shè)備。該公司目前生產(chǎn)的粉末在業(yè)內(nèi)有一定的影響力，于2013年在中國成立代理銷售公司。采用這種技術(shù)生產(chǎn)的球形粉末細粉出粉率高，也有微量“衛(wèi)星球”，但不影響使用。

5、不同工藝技術(shù)和粉末性能對比

上述幾種球形鈦及鈦合金粉末制備方法是當(dāng)前國內(nèi)外研究和生產(chǎn)試驗的主流方向，惰性氣體霧化設(shè)備造價最好，粉末氧含量較低，對原料沒有特殊要求，但制備的粉末有空心球；等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝制備的粉末具有良好的球形度，設(shè)備造價低，但不能制備粒度細小的佛是其缺點；射頻等離子球化必須采用粉末作為原料，且制備的粉末氧含量較高，不適合工業(yè)推廣應(yīng)用；等離子絲材霧化法制備的粉末具有很好的球形度，且粒度小，制備粉末種類也不受限制，粉末形貌照片對比如圖1。

6、 結(jié)束語

目前，3D打印用鈦及鈦合金球形粉末尚未實現(xiàn)第三方供應(yīng)通用材料的模式，導(dǎo)致材料的成本非常高。在金屬3D打印制造方面，研發(fā)和生產(chǎn)通用性更強的材料是技術(shù)提升的關(guān)鍵。解決好材料的性能和成本問題，將更好地推動我國金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻

【1】王琪．霧化法制備高品質(zhì)鈦合金粉末技術(shù)研究[J】鈦工業(yè)進展2010,27（5）:16~18

【2】劉學(xué)暉 惰性氣體霧化 法制取鈦和鈦臺金粉末[J]粉末冶金工業(yè) ，2000（3）：18~22