3D打印金属粉末的制备方法_姚妮娜
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2.2.3 热气体雾化法 近年来，英国的 PSI 公司和美国的 HJF 公司分
别对热气体雾化的作用及机理进行了大量的研究。 HJF 公司在 1.72MPa 压力下，将气体加热至 200～400℃ 雾化银合金和金合金，得出粉末的平均粒径和标准 偏差均随温度升高而降低。 与传统的雾化技术相比，热 气体雾化技术可以提高雾化效率，降低气体消耗量， 易于在传统的雾化设备上实现该工艺，是一项具有 应用前景的技术。 但是，热气体雾化技术受到气体加 热系统和喷嘴的限制，仅有少数几家研究机构进行 研究。 2.3 国内 3D 打印金属粉末的雾化工艺
层流雾化技术是由德国 Nanoval 公司等提出， 该技术对常规喷嘴进行了重大改进。 图 3 为层流雾 化喷嘴结构图。 改进后的雾化喷嘴雾化效率高，粉末 粒度分布窄，冷却速度达 106～107K/s。 在 2.0MPa 的 雾化压力下，以 Ar 或 N2 为介质雾化铜、铝、316L 不 锈钢等，粉末平均粒度达到 10μm。 该工艺的另一个 优点是气体消耗量低，经济效益显著，并且适用于大 多数金属粉末的生产。 缺点是技术控制难度大，雾化 过程不稳定，产量小（金属质量流率小于 1 kg/min）， 不利于工业化生产。 Nanoval 公司正致力于这些问题 的解决。 2.2.2 超声紧耦合雾化技术
雾化法是指通过机械的方法使金属熔液粉碎成 尺寸小于 150μm 左右的颗粒的方法[11]。 按照粉碎金 属熔液的方式分类，雾化法包括二流雾化法、离心雾 化、超声雾化、真空雾化等[12,13]。 这些雾化方法具有各 自特点，且都已成功应用于工业生产。 其中水气雾化 法具有生产设备及工艺简单、能耗低、批量大等优 点，己成为金属粉末的主要工业化生产方法。
为了进一步证明 3D 打印金属粉末对产品的影 响。 作者采用选择性激光烧结法（SLS 法）打印两种 不同的不锈钢粉末，发现制备出的产品存在明显差异。 德国某厂家的不锈钢粉末打印样品表面光泽、收缩 率小、不易变形、力学性能稳定。 而国内某厂家的不 锈钢粉末的打印样品则远远不及前者。 为此，对两种 不同的不锈钢粉末进行的微观形貌分析。 图 1 为德 国某厂家不锈钢粉末的微观结构，从图中可以看出， 粉末颗粒球形度好，颗粒尺寸分布在 11.2~63.6μm 范围 内。 图 2 为国内某厂家的不锈钢粉末的微观结构，可 以看出，其颗粒为不规则块状，尺寸较小。
Abstract: 3D printing is a new type of printing technology. Its outstanding advantage is that without any molding or mechanical processing, we could generate in any shape of parts directly from the computer graphics data, which greatly shortened the production developing cycle, improved the productive effect and reduced the production cost. As metal parts in 3D printing, printing metal powder was the most important raw materials, whose preparing methods attracted people's attention. In this paper the preparation methods of printing metal powder at home and abroad, new developments of aerosol technique were mainly introduced, and the present situation of 3D printing metal powder preparation technology was also analyzed, some forward constructive suggestions were given. Key words: 3D printing; metal powder; preparation method; atomization method
图 1 德国某厂家 3D 打印不锈钢粉末的微观结构 Fig.1 Microstructure of German stainless steel powder for 3D
printing
通过上述研究表明，3D 打印耗材金属粉末需满 足粒径细小、粒度分布窄、球形度高、流动性好和松 装密度高。 因此，为了得到所需优异性能的 3D 打印 产品，必须寻求一种高效的金属粉末制备方法。
2 金属粉末的制备工艺
目前，粉末制备方法按照制备工艺主要可分为：
图 2 国内某厂家 3D 打印不锈钢粉末的微观结构 Fig.2 Microstructure of domestic stainless steel powder for 3D
printing
还原法、电解法、羰基分解法、研磨法、雾化法等[4-9]。其 中，以还原法、电解法和雾化法生产的粉末作为原料 应用到粉末冶金工业的较为普遍。 但电解法和还原 法仅限于单质金属粉末的生产，而对于合金粉末这 些方法均不适用。 雾化法可以进行合金粉末的生产， 同时现代雾化工艺对粉末的形状也能够做出控制， 不断发展的雾化腔结构大幅提高了雾化效率，这使 得雾化法逐渐发展成为主要的粉末生产方法[10]。 雾化 法满足 3D 打印耗材金属粉末的特殊要求。
作者简介： 姚妮ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ （1987-）， 女， 主要从事粉末材料的研发工作。
第4期
3D 打印金属粉末的制备方法
·49·
1 3D 打印金属粉末
3D 打印金属粉末作为金属零件 3D 打印产业链 最重要的一环，也是最大的价值所在。 在“2013 年世 界 3D 打印技术产业大会”[3]上，世界 3D 打印行业的 权威专家对 3D 打印金属粉末给予明确定义，即指尺 寸小于 1mm 的金属颗粒群。 包括单一金属粉末、合 金粉末以及具有金属性质的某些难熔化合物粉末。 目前，3D 打印金属粉末材料包括钴铬合金、不锈钢、 工业钢、青铜合金、钛合金和镍铝合金等。 但是 3D 打 印金属粉末除需具备良好的可塑性外，还必须满足 粉末粒径细小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好 和松装密度高等要求。
2.1 水雾化法
在雾化制粉生产中，水雾化法是廉价的生产方 法之一。 因为雾化介质水不但成本低廉容易获取，而 且在雾化效率方而表现出色。 目前，国内水雾化法主 要用来生产钢铁粉末、金刚石工具用胎体粉末、含油 轴承用预合金粉末、硬面技术用粉末以及铁基、镍基 磁性粉末等。 然而由于水的比热容远大于气体，所以 在雾化过程中，被破碎的金属熔滴由于凝固过快而 变成不规则状，使粉末的球形度受到影响。 另外一些 具有高活性的金属或者合金，与水接触会发生反应， 同时由于雾化过程中与水的接触，会提高粉末的氧 含量。 这些问题限制了水雾化法在制备球形度高、氧 含量低的金属粉末的应用[14]。
·48·
四川有色金属 内蒙古我孟S国营ic环h子u境a银n影多响N金评on属价fe矿的rr研成ou究矿s进条M展件e及t及a存l找s在矿问前题景分析
文章编号： 1006-4079 （2013） 04-0048-04
2013 年第142 月期
3D 打印金属粉末的制备方法
姚妮娜 1，彭雄厚 2
（1. 四川有色金源粉冶材料有限公司； 2. 四川省金核辐照技术有限公司， 四川成都 610081）
超声紧耦合雾化技术是由英国 PSI 公司提出。 该技术对紧耦合环缝式喷嘴进行结构优化，使气流 的出口速度超过声速，并且增加金属的质量流率。 图 4 为典型的紧藕合雾化喷嘴结构图-Unal 雾化喷嘴。 在雾化高表面能的金属如不锈钢时，粉末平均粒度 可达 20μm 左右，粉末的标准偏差最低可以降至1.5μm。 该技术的另一大优点是大大提高了粉末的冷却速 度，可以生产快冷或非晶结的粉末。 从当前的发展来 看，该项技术设备代表了紧耦合雾化技术的新的发
黏结，最终叠加成型，制造出实体产品[1,2]。 3D 打印的 原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化、丝化，在打 印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理化 学性质。 金属零件 3D 打印技术作为整个 3D 打印体 系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术 的重要发展方向。 目前，国内 3D 打印耗材金属粉末 制备难度大、产量小、产品性能低，国外厂家垄断市 场，价格昂贵。 因此，对 3D 打印耗材金属粉末制备方 法的研究尤为重要。
摘 要：3D 打印技术是一种新型的打印技术，其突出优点在于无需机械加工或任何模具，就能
直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率
和降低生产成本。 3D 打印金属粉末作为金属零件 3D 打印最重要的原材料，其制备方法备受人
们关注。 本文主要介绍了目前国内外 3D 打印金属粉末的制备工艺，气雾化技术的最新进展，
图 3 层流雾化喷嘴结构图 Fig.3 Structure of laminar flow atomization nozzles 展方向，且具有工业实用意义，可以广泛应用于微细 不锈钢、铁合金、镍合金、铜合金、磁性材料、储氢材 料等合金粉末的生产。
图 4 典型的紧藕合雾化喷嘴结构图 Fig.4 Structure of typical close coupled atomization nozzle
3D 打印技术是制造业领域正在迅速发展的一 项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技 术”，已成为现代模型、模具和零部件制造的有效手 段，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域 得到了一定应用， 在工程和教学研究等领域也占有 独特地位。 3D 打印（3D printing）是以计算机 3 维设 计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统， 利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉 末、塑料、细胞组织、沙子等特殊材料进行逐层堆积
·50·
3D 打印金属粉末的制备方法
第4期
但是，金川集团股份有限公司[15]发明了一种水雾 化制备球形金属粉末的方法，其采用在水雾化喷嘴 下方处再设置一个二次冷水雾化喷嘴，进行二次雾 化。 该发明得到的粉末不仅球形度接近气雾化效果， 而且粉末粒度比一次水雾化更细。
2.2 气雾化法
气雾化法是生产金属及合金粉末的主要方法之 一。 气雾化的基本原理是用高速气流将液态金属流 破碎成小液滴并凝固成粉末的过程。 由于其制备的 粉末具有纯度高、氧含量低、粉末粒度可控、生产成 本低以及球形度高等优点，已成为高性能及特种合 金粉末制备技术的主要发展方向[16]。 但是，气雾化法 也存在不足，高压气流的能量远小于高压水流的能 量，所以气雾化对金属熔体的破碎效率低于水雾化， 这使得气雾化粉末的雾化效率较低，从而增加了雾 化粉末的制备成本[17]。 目前，具有代表性的几种气雾 化制粉技术气雾化如下。 2.2.1 层流雾化技术
并对 3D 打印金属粉末制备技术的现状进行分析，提出建设性意见。
关键词：3D 打印；金属粉末；制备方法；雾化法
中图分类号： TP39
文献标志码： A
The Preparation Method of Metal Powder for 3D Printing YAO Nina1，PENG Xionghou2
（1. Sichuan Non-Ferrous Technology Group Co., Ltd, Sichuan Non-Ferrous Jinyuan Powder Metallurgy material Co., Ltd. 2. Jinhe Irradiation Technology Co., Ltd. Chengdu 610081, China）
别对热气体雾化的作用及机理进行了大量的研究。 HJF 公司在 1.72MPa 压力下，将气体加热至 200～400℃ 雾化银合金和金合金，得出粉末的平均粒径和标准 偏差均随温度升高而降低。 与传统的雾化技术相比，热 气体雾化技术可以提高雾化效率，降低气体消耗量， 易于在传统的雾化设备上实现该工艺，是一项具有 应用前景的技术。 但是，热气体雾化技术受到气体加 热系统和喷嘴的限制，仅有少数几家研究机构进行 研究。 2.3 国内 3D 打印金属粉末的雾化工艺
层流雾化技术是由德国 Nanoval 公司等提出， 该技术对常规喷嘴进行了重大改进。 图 3 为层流雾 化喷嘴结构图。 改进后的雾化喷嘴雾化效率高，粉末 粒度分布窄，冷却速度达 106～107K/s。 在 2.0MPa 的 雾化压力下，以 Ar 或 N2 为介质雾化铜、铝、316L 不 锈钢等，粉末平均粒度达到 10μm。 该工艺的另一个 优点是气体消耗量低，经济效益显著，并且适用于大 多数金属粉末的生产。 缺点是技术控制难度大，雾化 过程不稳定，产量小（金属质量流率小于 1 kg/min）， 不利于工业化生产。 Nanoval 公司正致力于这些问题 的解决。 2.2.2 超声紧耦合雾化技术
雾化法是指通过机械的方法使金属熔液粉碎成 尺寸小于 150μm 左右的颗粒的方法[11]。 按照粉碎金 属熔液的方式分类，雾化法包括二流雾化法、离心雾 化、超声雾化、真空雾化等[12,13]。 这些雾化方法具有各 自特点，且都已成功应用于工业生产。 其中水气雾化 法具有生产设备及工艺简单、能耗低、批量大等优 点，己成为金属粉末的主要工业化生产方法。
为了进一步证明 3D 打印金属粉末对产品的影 响。 作者采用选择性激光烧结法（SLS 法）打印两种 不同的不锈钢粉末，发现制备出的产品存在明显差异。 德国某厂家的不锈钢粉末打印样品表面光泽、收缩 率小、不易变形、力学性能稳定。 而国内某厂家的不 锈钢粉末的打印样品则远远不及前者。 为此，对两种 不同的不锈钢粉末进行的微观形貌分析。 图 1 为德 国某厂家不锈钢粉末的微观结构，从图中可以看出， 粉末颗粒球形度好，颗粒尺寸分布在 11.2~63.6μm 范围 内。 图 2 为国内某厂家的不锈钢粉末的微观结构，可 以看出，其颗粒为不规则块状，尺寸较小。
Abstract: 3D printing is a new type of printing technology. Its outstanding advantage is that without any molding or mechanical processing, we could generate in any shape of parts directly from the computer graphics data, which greatly shortened the production developing cycle, improved the productive effect and reduced the production cost. As metal parts in 3D printing, printing metal powder was the most important raw materials, whose preparing methods attracted people's attention. In this paper the preparation methods of printing metal powder at home and abroad, new developments of aerosol technique were mainly introduced, and the present situation of 3D printing metal powder preparation technology was also analyzed, some forward constructive suggestions were given. Key words: 3D printing; metal powder; preparation method; atomization method
图 1 德国某厂家 3D 打印不锈钢粉末的微观结构 Fig.1 Microstructure of German stainless steel powder for 3D
printing
通过上述研究表明，3D 打印耗材金属粉末需满 足粒径细小、粒度分布窄、球形度高、流动性好和松 装密度高。 因此，为了得到所需优异性能的 3D 打印 产品，必须寻求一种高效的金属粉末制备方法。
2 金属粉末的制备工艺
目前，粉末制备方法按照制备工艺主要可分为：
图 2 国内某厂家 3D 打印不锈钢粉末的微观结构 Fig.2 Microstructure of domestic stainless steel powder for 3D
printing
还原法、电解法、羰基分解法、研磨法、雾化法等[4-9]。其 中，以还原法、电解法和雾化法生产的粉末作为原料 应用到粉末冶金工业的较为普遍。 但电解法和还原 法仅限于单质金属粉末的生产，而对于合金粉末这 些方法均不适用。 雾化法可以进行合金粉末的生产， 同时现代雾化工艺对粉末的形状也能够做出控制， 不断发展的雾化腔结构大幅提高了雾化效率，这使 得雾化法逐渐发展成为主要的粉末生产方法[10]。 雾化 法满足 3D 打印耗材金属粉末的特殊要求。
作者简介： 姚妮ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ （1987-）， 女， 主要从事粉末材料的研发工作。
第4期
3D 打印金属粉末的制备方法
·49·
1 3D 打印金属粉末
3D 打印金属粉末作为金属零件 3D 打印产业链 最重要的一环，也是最大的价值所在。 在“2013 年世 界 3D 打印技术产业大会”[3]上，世界 3D 打印行业的 权威专家对 3D 打印金属粉末给予明确定义，即指尺 寸小于 1mm 的金属颗粒群。 包括单一金属粉末、合 金粉末以及具有金属性质的某些难熔化合物粉末。 目前，3D 打印金属粉末材料包括钴铬合金、不锈钢、 工业钢、青铜合金、钛合金和镍铝合金等。 但是 3D 打 印金属粉末除需具备良好的可塑性外，还必须满足 粉末粒径细小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好 和松装密度高等要求。
2.1 水雾化法
在雾化制粉生产中，水雾化法是廉价的生产方 法之一。 因为雾化介质水不但成本低廉容易获取，而 且在雾化效率方而表现出色。 目前，国内水雾化法主 要用来生产钢铁粉末、金刚石工具用胎体粉末、含油 轴承用预合金粉末、硬面技术用粉末以及铁基、镍基 磁性粉末等。 然而由于水的比热容远大于气体，所以 在雾化过程中，被破碎的金属熔滴由于凝固过快而 变成不规则状，使粉末的球形度受到影响。 另外一些 具有高活性的金属或者合金，与水接触会发生反应， 同时由于雾化过程中与水的接触，会提高粉末的氧 含量。 这些问题限制了水雾化法在制备球形度高、氧 含量低的金属粉末的应用[14]。
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四川有色金属 内蒙古我孟S国营ic环h子u境a银n影多响N金评on属价fe矿的rr研成ou究矿s进条M展件e及t及a存l找s在矿问前题景分析
文章编号： 1006-4079 （2013） 04-0048-04
2013 年第142 月期
3D 打印金属粉末的制备方法
姚妮娜 1，彭雄厚 2
（1. 四川有色金源粉冶材料有限公司； 2. 四川省金核辐照技术有限公司， 四川成都 610081）
超声紧耦合雾化技术是由英国 PSI 公司提出。 该技术对紧耦合环缝式喷嘴进行结构优化，使气流 的出口速度超过声速，并且增加金属的质量流率。 图 4 为典型的紧藕合雾化喷嘴结构图-Unal 雾化喷嘴。 在雾化高表面能的金属如不锈钢时，粉末平均粒度 可达 20μm 左右，粉末的标准偏差最低可以降至1.5μm。 该技术的另一大优点是大大提高了粉末的冷却速 度，可以生产快冷或非晶结的粉末。 从当前的发展来 看，该项技术设备代表了紧耦合雾化技术的新的发
黏结，最终叠加成型，制造出实体产品[1,2]。 3D 打印的 原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化、丝化，在打 印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理化 学性质。 金属零件 3D 打印技术作为整个 3D 打印体 系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术 的重要发展方向。 目前，国内 3D 打印耗材金属粉末 制备难度大、产量小、产品性能低，国外厂家垄断市 场，价格昂贵。 因此，对 3D 打印耗材金属粉末制备方 法的研究尤为重要。
摘 要：3D 打印技术是一种新型的打印技术，其突出优点在于无需机械加工或任何模具，就能
直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率
和降低生产成本。 3D 打印金属粉末作为金属零件 3D 打印最重要的原材料，其制备方法备受人
们关注。 本文主要介绍了目前国内外 3D 打印金属粉末的制备工艺，气雾化技术的最新进展，
图 3 层流雾化喷嘴结构图 Fig.3 Structure of laminar flow atomization nozzles 展方向，且具有工业实用意义，可以广泛应用于微细 不锈钢、铁合金、镍合金、铜合金、磁性材料、储氢材 料等合金粉末的生产。
图 4 典型的紧藕合雾化喷嘴结构图 Fig.4 Structure of typical close coupled atomization nozzle
3D 打印技术是制造业领域正在迅速发展的一 项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技 术”，已成为现代模型、模具和零部件制造的有效手 段，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域 得到了一定应用， 在工程和教学研究等领域也占有 独特地位。 3D 打印（3D printing）是以计算机 3 维设 计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统， 利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉 末、塑料、细胞组织、沙子等特殊材料进行逐层堆积
·50·
3D 打印金属粉末的制备方法
第4期
但是，金川集团股份有限公司[15]发明了一种水雾 化制备球形金属粉末的方法，其采用在水雾化喷嘴 下方处再设置一个二次冷水雾化喷嘴，进行二次雾 化。 该发明得到的粉末不仅球形度接近气雾化效果， 而且粉末粒度比一次水雾化更细。
2.2 气雾化法
气雾化法是生产金属及合金粉末的主要方法之 一。 气雾化的基本原理是用高速气流将液态金属流 破碎成小液滴并凝固成粉末的过程。 由于其制备的 粉末具有纯度高、氧含量低、粉末粒度可控、生产成 本低以及球形度高等优点，已成为高性能及特种合 金粉末制备技术的主要发展方向[16]。 但是，气雾化法 也存在不足，高压气流的能量远小于高压水流的能 量，所以气雾化对金属熔体的破碎效率低于水雾化， 这使得气雾化粉末的雾化效率较低，从而增加了雾 化粉末的制备成本[17]。 目前，具有代表性的几种气雾 化制粉技术气雾化如下。 2.2.1 层流雾化技术
并对 3D 打印金属粉末制备技术的现状进行分析，提出建设性意见。
关键词：3D 打印；金属粉末；制备方法；雾化法
中图分类号： TP39
文献标志码： A
The Preparation Method of Metal Powder for 3D Printing YAO Nina1，PENG Xionghou2
（1. Sichuan Non-Ferrous Technology Group Co., Ltd, Sichuan Non-Ferrous Jinyuan Powder Metallurgy material Co., Ltd. 2. Jinhe Irradiation Technology Co., Ltd. Chengdu 610081, China）