3D打印用鈦及鈦合金球形粉末制備技術

近年來，隨著3D打印產業的飛速發展，尤其采用金屬3D打印技術制造的大型復雜鈦合金結構件已經完成了在航空領域的工程化驗證，使金屬3D打印技術的應用優勢更加明顯。作為金屬3D打印的關鍵原料，球形粉末的生產3D打印產業鏈的核心，而鈦及鈦合金由于其特殊的化學性質，是制備難度最大的一種耗材粉末。目前，國內外能夠批量生產球形鈦及鈦合金粉末的技術主要有等離子旋轉電極法、惰性氣體霧化法、感應等離子球化法、感應等離子霧化法 。

1、等離子旋轉電極法

等離子旋轉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速的提高，生產的鈦合金粉末粒度較粗，粒度分布區間相對集中，-60目到150目的比例占到70％左右，粉末生產屬間歇式工藝，生產效率低，成本也較高。據報道，俄羅斯科研人員對等離子旋轉電極設備進行了改進，使電極的轉速可達30000轉／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11噸的氬氣霧化裝置。1990年德國ALD發表了無坩堝熔化霧化鈦及鈦合金粉末的專利，稱為EIGA(電極感應熔化氣體霧化)。接著日本住友采用相似的方法建立了年產60噸的氣體霧化裝置，并于1994年投入生產。從此，氣體霧化鈦及鈦合金粉末實現了小規模工業化生產。氣體霧化法生產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，生產成本高，設備投資也大。目前，國內采用ALD霧化技術生產鈦及鈦合金粉末的設備5臺，主要集中在科研院所，這些設備細粉(一200目)出粉率都不高。

3、感應等離子球化處理

感應等離子球化處理制備球形粉末的工藝國內外已經進行了諸多研究。加拿大Tekna公司是目前世界上等離子領域的領航者，可以提供成套粉末整形系統，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。

國內進行粉末整形處理相關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計成套粉末整形系統，設備主要用于制備陶瓷球形粉末和難熔金屬球形粉末。金堆城鉬業股份有限公司直接引進了加拿大Tekna公司的粉末球化設備，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。國內外擁有等離子球化處理設備的單位都開展過鈦粉的球化處理試驗，但由于最終產品氧含量高(達到約0.5wt％ )，粘附“衛星球”多等問題無法克服，這項技術一直未在球形鈦及鈦合金粉末制備方面取得應用。

4、等離子絲材霧化法

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

5、不同工藝技術和粉末性能對比

上述幾種球形鈦及鈦合金粉末制備方法是當前國內外研究和生產試驗的主流方向，惰性氣體霧化設備造價最好，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；等離子旋轉電極工藝制備的粉末具有良好的球形度，設備造價低，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，不適合工業推廣應用；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、 結束語

目前，3D打印用鈦及鈦合金球形粉末尚未實現第三方供應通用材料的模式，導致材料的成本非常高。在金屬3D打印制造方面，研發和生產通用性更強的材料是技術提升的關鍵。解決好材料的性能和成本問題，將更好地推動我國金屬3D打印技術的發展。

參考文獻

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

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