增材制造技術(shù) (又稱“3D 打印”) 被譽為“21 世紀最具潛力的技術(shù)”，在“中國制造 2025 戰(zhàn)略”中明確提出將增材制造作為未來智能制造的重點技術(shù)加以扶持[1]。而要使增材制造技術(shù)獲得廣泛應用，所用耗材是決定其發(fā)展的關鍵物質(zhì)基礎[2]。目前，增材制造耗材主要包括：塑料、樹脂、橡膠、陶瓷和金屬等材料[3]，其中金屬材料作為增材制造技術(shù)的耗材近年來發(fā)展速度很快，特別是鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金等金屬粉末材料大量應用于增材制造技術(shù)領域[2]。鈦合金具有低密度、高強度、良好的耐腐蝕性能及高熔點等特點[4]，是增材制造技術(shù)最常用金屬原料之一，在航空、航天、汽車、生物等領域作為結(jié)構(gòu)件廣泛應用。通常，增材制造技術(shù)主要工藝包括：激光熔化堆積快速成型 (LENS) 和選區(qū)激光熔化直接成型 (SLM) 兩種，SLM 技術(shù)適用于精密復雜小型零件制造，應用廣泛，其所使用的鈦合金粉的粒徑為 20~50 μm，且要求粉末具有高球形度[2]、純度及流動性。等離子是由中性粒子、陽離子和電子等組成的整體呈電中性的物質(zhì)集合體[5]，常被作為加熱介質(zhì)廣泛應用于球形鈦合金粉的制備領域，目前已形成的主要方法包括：等離子旋轉(zhuǎn)電極法、等離子火炬霧化法和感應等離子球化法。本文主要對目前等離子制備適合增材制造用球形鈦粉技術(shù)進行分析，并對其發(fā)展前景進行了展望。

一、等離子制備球形鈦粉技術(shù)

1、等離子旋轉(zhuǎn)電極法

等 離 子 旋 轉(zhuǎn) 電 極 法 (Plasma Rotating ElectrodeProcess，PREP) 是制備球形鈦合金粉常用方法之一，其原理主要是以鈦合金棒材作為自耗電極，制粉時讓電極保持高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，等離子作為熱源圖，如圖 1 所示。

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電極法 (REP) 采用鎢電極，在金屬霧化時，鎢電極也會被腐蝕，作為雜質(zhì)成分進入粉體中，采用等離子旋轉(zhuǎn)電極法避免了鎢電極產(chǎn)生雜質(zhì)問題，保證了所制備粉末的純度[8]。1998 年北京鋼鐵研究院和航天材料及工藝研究所從俄羅斯引進PREP 設備，并進行了一系列球形鈦粉制備的研究工作[9]。王琪等[10] 利用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備出了TC15 鈦合金球形粉末。所制備的粉末化學成分與原來棒材成分近似，顆粒呈規(guī)則的球形，表面光亮圓滑，其粒徑范圍為 106~246 μm，細粉 (＜106 μm) 所占比例較低。西安寶德粉末冶金公司在國內(nèi)首先開展 PREP 制備鈦及其他合金粉，其研制的 PREP 設備制備的金屬粉體粒徑 47~381 μm[8]。采用 PREP 制備的鈦合金粉球形度好、致密度高且氧含量低，但由于電極轉(zhuǎn)速的限制，制備的粉末適合于選區(qū)激光熔化成型工藝 (SLM) 要求的細粉 (20~50 μm) 產(chǎn)出率較低[11]。

2、等離子火炬霧化技術(shù)

等離子火炬霧化技術(shù) (Plasma Atomization，PA)是將金屬及其合金以棒坯、絲材、顆粒或者液態(tài)蒸汽形式，通過特制的進料設備以恒定的送料速度送入爐內(nèi)，并利用在爐體上布置的等離子火炬產(chǎn)生的聚焦等離子射流將物料熔融霧化，然后經(jīng)過冷卻得到球形粉體[12]。通常采用等離子火炬霧化技術(shù)制備鈦及鈦合金粉主要原料為鈦或其合金絲，體系在整 個過程中均處于惰性氣氛保護下，可減少粉末氧化，獲得高純粉體[6]。根據(jù)專利[13] 繪制該工藝示意圖，如圖 2 所示。該技術(shù)采用等離子作為霧化熱源，可使目標物料熔融更充分，結(jié)合冷卻速度的合理控制，可得到球形度高、氧含量低及粒度細的粉末。但由于該技術(shù)以高功率等離子槍為熱源，能源消耗大，會增加球形鈦及鈦合金粉的制備成本[14]。

此外，等離子火炬霧化法所得球形粉體粒度分布較寬，使用前必須進行粒度分級，且微細粉體產(chǎn)率較低，產(chǎn)品成本高，限制了大面積推廣應用[15]。采用 PA 法與 PREP 法制備的粉末性能基本一致，具有顆粒球形度好、粒度分布均勻、氧含量低、純度高、流動性好等特點，細粉收得率比 PREP 高 2 倍以上[12]。

3、等離子球化法

等離子球化法 (Plasma Spheroidization) 是由位于燈具管外的感應線圈產(chǎn)生溫度達 104~105 K 的高頻感應熱等離子體[16]，利用高溫的等離子體熔化不規(guī)則的粉末，粉體表面在高溫下迅速受熱熔化，熔融的顆粒在表面張力作用下形成球形度很高的液滴，并通過快速冷凝固化得到球形顆粒[17]，圖 3 為等離子球化制粉示意圖。

目前加拿大 TEKNA 公司開發(fā)的射頻等離子體粉體處理系統(tǒng)處于世界領先地位，該公司已經(jīng)利用射頻等離子技術(shù)實現(xiàn)了 Ti、W、Mo、Ta、Ni、Cu等金屬粉末的球化處理[9]。Hedger 等[18] 也利用射頻等離子體球化技術(shù)對 Ti 粉進行了球化處理，處理后粉末的球化率達到 85%。古忠濤等[19-20] 采用射頻等離子體球化顆粒形狀不規(guī)則的鈦粉，通過 SEM 觀察其外觀形貌，粉體顆粒球形度高、表面光滑、流動性好及松裝密度高，且采用該方法可去除顆粒中的裂縫及空隙。但目前該方法仍存在氧含量偏高的問題，降低粉體中的氧含量是等離子球化技術(shù)獲得推廣應用的關鍵。礦冶科技集團有限公司引進了TEKNA 公司的感應等離子設備，并開展了球形鈦合金粉球化制備工藝研究，所制備的球形鈦合金粉微觀形貌如圖 4 所示，顆粒球形度高、表面光潔、粒徑為 20~50 μm，流動性為 38 s/50 g，可滿足增材制造 SLM 工藝的需求。

二、未來發(fā)展前景分析

(1) 近年來，增材制造被認為是智能制造領域最前沿和最具潛力的技術(shù)發(fā)展方向之一，而作為打印耗材的金屬材料必然與增材制造發(fā)展同步進行，根據(jù)咨詢公司 SmarTech 預測，到 2024 年全球用于金屬粉末增材制造的市場規(guī)模將達到 110 億美金。而鈦合金因具有優(yōu)異的強度和韌性、耐腐蝕、低密度和生物相容性等特點，將在航空、航天、汽車、生 物醫(yī)學等領域獲得廣泛應用，市場需求前景非常廣闊。

(2) 等離子技術(shù)的應用和發(fā)展為鈦合金粉的制備提供技術(shù)支持，等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝受電極轉(zhuǎn)速等因素的限制，得到的粉體粒度較粗，適合 SLM 工藝用鈦合金粉成品率低；等離子火炬霧化工藝是獲取球形鈦及鈦合金粉的主要方式，但該方法生產(chǎn)小于50 μm 細粉產(chǎn)率仍然偏低，且由于專利保護及技術(shù)封鎖等原因?qū)е缕鋬r格昂貴，短期內(nèi)難以大范圍推廣應用。感應等離子球化技術(shù)具有原料來源廣、生產(chǎn)工藝簡單、粉末粒度可控、球形率高等特點，而針對該方法氧化程度高的問題，可通過控制設備的密封性和加強惰性氣體保護的控制，減少粉體的氧化。但目前國內(nèi)感應等離子球化設備多采用國外進口，其核心技術(shù)尚不能完全掌握，因此，開發(fā)國產(chǎn)等離子球化設備也是推動球形鈦合金粉及其他金屬粉末在國內(nèi)增材制造領域獲得廣泛應用的關鍵。

參考文獻

[1]王延慶, 沈競興, 吳海全, 等. 3D打印材料應用和研究現(xiàn)狀. 航空材料學報, 2016，36(4)：89

[2]杜宇雷, 孫菲菲, 原光, 等. 3D打印材料的發(fā)展現(xiàn)狀. 徐州工程學院學報(自然科學版), 2014，29(1)：20

[3]李滌塵, 田小永, 王永信, 等. 增材制造技術(shù)的發(fā)展. 電加工與模具, 2012(1)：20

[4]李曉燕, 張曙, 余燈廣. 三維打印成形粉末配方的優(yōu)化設計. 機械科學與技術(shù), 2006，25(11)：1343

[5]陸晨. 熱等離子體制備高強度陶瓷空心微球的研究[學位論文].北京: 中國科學院大學, 中國科學院過程工程研究所, 2015

[6]李保強, 金化成, 張延昌, 等. 3D打印用球形鈦粉制備技術(shù)研究進展. 過程工程學報, 2017，17(5)：911

[7]謝煥文, 鄒黎明, 劉辛, 等. 球形鈦粉制備工藝研究. 材料研究與應用, 2014，8(2)：78

[8]尚青亮, 劉捷, 方樹銘, 等. 金屬鈦粉的制備工藝. 材料導報,2013，27(專輯21)：97

[9]曾光, 白保良, 張鵬, 等. 球形鈦粉制備技術(shù)的研究進展. 鈦工業(yè)進展, 2015，32(1)：7

[10]王琪, 李圣剛, 呂宏軍, 等. 霧化法制備高品質(zhì)鈦合金粉末技術(shù)研究. 鈦工業(yè)進展, 2010，27(5)：16

[11]陸亮亮, 劉雪峰, 張少明, 等. 高頻感應熔化金屬絲氣霧化制備球形鈦粉. 材料導報B: 研究篇, 2010，27(5)：16

[12]戴煜, 李禮. 等離子火炬霧化制備金屬3D打印專用鈦合金粉體技術(shù)分析. 新材料產(chǎn)業(yè), 2018，32(4)：1267

[13]Tsantrizos P G, Allaire F, Entezarian M. Method of production of metal and ceramic powders by plasma atomization: US 5707419.1998-01-13.

[14]Kim Y, Kim E P, Song Y B, et al. Microstructure and mechanical properties of hot isostatically pressed Ti-6Al-4V alloy. J Alloys Compd，2014，603：207

[15]Beauchamp B. Raymor AP&C: Leading the way with plasma atomized Ti spherical powders for MIM. Powder Injection Moulding International，2011，5(4)：55

[16]Hu P, Yan S K, Yuan F L, et al. Effect of plasma spheroidization process on the microstructure and crystallographic phases of silica,alumina and nickel particles. Plasma Sci Technol，2007，9(5)：611

[17]Boulos M. Plasma power can make better powders. Met Powder Rep，2004，59(5)：16

[18]Hedger H J, Hall A R. Preliminary observations on the use of the induction-coupled plasma torch for the preparation of spherical powder. Powder Metall，1961(8)：65

[19]古忠濤, 葉高英, 劉川東, 等. 射頻等離子體球化鈦粉的工藝研究. 粉末冶金技術(shù), 2010(4)：120

[20]古忠濤, 葉高英, 金玉萍. 射頻感應等離子體制備球形鈦粉的工藝研究. 強激光與粒子束, 2011，23(12)：3353

作者簡介：王彥軍 (1979—)，男，河北陽原人，碩士，正高級工程師。主要研究方向：特種功能材料和含能材料。通信地址：102206 北京市昌平區(qū)沙河鎮(zhèn)富生路5 號，E-mail：wangyanjun@bgrimm.com。

相關鏈接