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金屬3D打印零件的質量好壞很大程度取決于金屬原材料的性能，金屬增材制造的原料主要有粉末和絲材兩種，其中，以粉末材料的應用較為廣泛，例如，激光金屬沉積和選區激光熔化等快速成形制造工藝普遍采用金屬粉體材料作為原材料。目前增材制造領域常用的金屬粉末粒度范圍為15~53μm(細粉)、53~150μm(粗粉)。

增材制造金屬粉末的選用一般基于三種因素：能量熱源、粉末補給方式、產品尺寸和精密度需求。

3D打印專用金屬粉末制備方法

目前，3D打印（增材制造）專用金屬粉末制備方法主要包括霧化法(以氣霧化為主，包括真空氣霧化(VIGA)和電極感應霧化(EIGA)等)和等離子法(等離子旋轉電極霧化(PREP)、等離子熔絲霧化(WPA)和等離子球化技術(PA)等)

①氣霧化：

氣體霧化是制造高質量金屬3D打印粉末的最常用方法。示意圖如下，該法利用高速氣流（高速空氣、氮氣、氦氣或氬氣）將液態金屬流擊碎形成小液滴，隨后快速冷凝得到成形粉末。與水霧化主要區別于霧化介質的改變，目前氣霧化生產的粉末約占世界粉末總產量的30%~50%；該方法制備的金屬粉末粉末粒徑＜

150μm、球形度較好、純度高、氧含量低、成形速度快、環境污染小等優點，該類技術適用于絕大多數金屬及合金粉末的生產。

↑↑真空氣霧化技術（左邊，有坩堝）

↑↑電極感應熔融氣霧化技術（右邊，無坩堝）

傳統意義上的氣霧化法指的是真空氣霧化制粉技術（VIGA），其工作原理是采用坩堝加熱熔煉金屬原材，熔煉金屬受重力作用在坩堝底部噴嘴處形成液流，隨后以高速惰性氣流(主要為氬氣)在真空下將其擊碎為細小液滴，繼而冷凝成形，液滴在飛行中受表面張力自凝固成球形或近球形顆粒。

為了防止坩堝與金屬原材的接觸導致熔煉過程中引入雜質，德國萊寶公司發明了一種稱為電極感應熔融氣霧化法（EIGA），該技術原理是采用成形的棒材為電極，使其在高頻感應電圈中不斷熔化，在重力的作用下金屬液流經霧化器中心孔，在高速氣流沖擊霧化后得到金屬粉末。改法擺脫粉體受器皿污染，可獲得到高純度金屬粉末。

②旋轉電極法

旋轉電極法是以金屬或合金為自耗電極，其端面受電弧加熱而熔融為液體，并在電極高速旋轉的離心力的作用下，將液體拋出并粉碎為細小液滴，繼之冷凝為粉末的制粉方法。

↑↑旋轉電極工藝原理圖

它在熔融和霧化金屬過程中完全避免了造渣和與耐火材料接觸，消除了非金屬夾雜物污染源，可生產高潔凈度的粉末。典型的旋轉電極制粉設備是由一個直徑達2m多的箱體組成，旋轉自耗電極通過動密封軸承裝入其中，電極長軸水平地處于箱體中心線位置，電極旋轉速度高達15000～25000r/min。為了避免鎢污染，可在鎢電極處改用等離子炬，稱為等離子旋轉電極霧化制粉法(PREP)。

該技術可通過調節等離子弧電流的大小和自耗電極轉速來調控粉末的粒徑，提高特定粒徑粉末的收得率，有益于制備高球形度、高致密度、低孔隙率、低氧含量、表面光潔的球形粉末，且基本不存在空心粉、衛星粉，有效減少增材制造技術生產過程中的球化、團聚及引入雜質元素而帶來的氣孔、開裂現象。

③等離子熔絲霧化

等離子熔絲霧化工藝術以規定尺寸的金屬絲材為原材料，通過送絲系統按照特定速率送入霧化爐內，經出口處環形等離子體火炬加熱裝置，在聚焦等離子弧的作用下進行熔融霧化，最終得到金屬粉末。

整個流程在氬氣氛圍下進行，熔融霧化過程無外來雜質干擾，產品純凈度高，由于采用金屬絲材為加工原材料，通過控制進給速度可獲得特定粒徑分布的粉末，提高了粉末的品質穩定性，低濃度的懸浮顆粒能夠有效防止形成伴生顆粒，從而使粉末具備較好的流動性，十分有利于制備高純度、高球形度的金屬粉末。該工藝僅限于合金或僅用于延展性金屬，即可以拉制成線的金屬。

④等離子球化技術

等離子球化技術(PA)是一種對不規則粉末進行熔化再加工的二次成形技術。該技術以不規則形狀的金屬粉末為原材料，在載氣氣流的作用下不規則粉體被輸送到感應等離子體中，在熱等離子體作用下受熱熔

化，熔融金屬液滴在下落進入冷卻室過程中因經受較高的溫度梯度變化以及自身表面張力作用，從而迅速冷卻凝固縮聚為球形。

等離子球化技術的圖示

參考文獻：

[1]許德,高華兵,董濤,崔傳禹,楊振林,李海新,姜風春,王建東.增材制造用金屬粉末研究進展[J].中國有色金屬學報,2021,31(02):245-257.

粉體圈編輯：Alpha