中国粉体网讯 增材制造（3D打印）是我国制造业强国战略中重点研究和产业化技术，目前3D打印装备已不再是制约我国增材制造技术的核心，但其使用的高质量球形技术粉末仍严重依赖进口，部分先进制备技术被国外垄断，已成为制约我国增材制造技术普及应用的关键瓶颈问题。
图片来源：东睦新材料
1 3D打印用金属粉末要求
在“2013年世界粉末冶金大会”上，定义3D打印金属粉末为尺寸小于1mm的金属颗粒群。3D打印金属粉末除需具备良好的可塑性外，还必须满足粉末纯净度高、氧含量低、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。
近年来，国内外在等离子束快速成形技术方面的研究越来越多，在金属零件3Ｄ打印研究方面，等离子束在普通钢铁材料的直接成形方面具有更高的性价比，更适合于工业化生产。
2 高能等离子束粉体制备技术
2.1丝材等离子雾化技术
丝材等离子雾化（PA）技术采用等离子射流加热熔化丝材，并同步实现液滴的雾化破碎，得到的金属粉末形貌为球形，具有优异的流动性、几乎无空心粉和卫星球缺陷，是3D打印增材制造、金属注射成形和喷涂的理想粉体材料。
到目前为止，尽管国内有专利布局丝材等离子雾化技术，但均未涉及PA技术关键核心部件等离子炬的研制，也未见到可商业化量产金属粉末的PA装备。
2.2等离子旋转雾化法（PREP法）
PREP法是将金属或合金制成自耗电极，自耗电极端部在同轴等离子体电弧加热源的作用下熔化形成液膜，液膜在旋转离心力的作用下被高速甩出形成液滴，熔融液滴与雾化室内氩（Ar）气摩擦，在切应力作用下进一步破碎，随后熔滴在表面张力的作用下快速冷却凝固成球形粉末。其原理图如下图。
PREP雾化制粉原理图
PREP法制备的粉末具有表面清洁、球形度高、伴生颗粒少、无空心/卫星粉、流动性好、高纯度、低氧含量、粒度分布窄等优势，适合金属3D打印。但是，PREP工艺受限于电极棒大幅提速后导致的密封、振动等相关技术瓶颈，采用该法仍难以低成本制备符合3D打印技术要求的细粒径粉体（45μm以下）。
2.3等离子体球化技术
等离子体球化技术是在高温等离子体中载入粉末，高温环境促使粉末颗粒吸热熔融，粉末在表面张力的作用下缩聚为球形液滴，而后在冷却室中快速冷凝为球形粉末。
等离子球化技术示意图
等离子体球化技术具有温度高、热焓高并且气氛可控等特点，其制备所得的球形粉末球形度高、杂质含量低且粒度分布窄，尤其适用于高熔点金属球形粉体的制备，是目前最具潜力实现大规模工业化生产高性能球形金属粉体材料的制备技术，被认为是获得致密、规则球形颗粒的最有效手段。
3 网络直播预告
2022年3月22日，中国粉体网旗下粉体公开课平台将举办“第二届3D打印粉体材料制备及检测技术网络研讨会”。届时将邀请四川大学的余德平教授作《基于高能等离子体束的3D打印粉体材料制备技术》的报告。报告会对主流3D打印雾化制备技术进行分析，重点介绍基于高能等离子体束的3D打印粉体制备技术及显著优势，包括丝材等离子体雾化、旋转电极等离子体雾化、等离子体球化等，分享在丝材等离子体雾化和等离子体球化的技术和装备开发经历，与材料领域同仁共同推进高能等离子体束在高性能粉体材料制备领域的应用。
4 专家介绍
余德平，四川大学机械工程学院副院长、教授、博士生导师，先后入选四川省学术和技术带头人后备人选、四川大学“双百B”人才计划，主要从事先进制造技术及智能装备，包括等离子体制造技术、精密及超精密加工技术、制造过程智能诊断与预测等方面的研究，在国内外有影响力的期刊和会议论文中发表论文70余篇（SCI检索43篇、EI检索50篇）。获授权中国发明专利9项、实用新型专利10余项。
参考来源：
【1】陈莹莹，等.3D打印用金属粉末的制备技术及其研究进展.粉末冶金工业.2018.
【2】戴煜，等.等离子旋转雾化制备航空用3D打印金属粉体材料研究.新材料产业.2016.
【3】张庆磊，等.感应等离子体球化法制备球形金属粉体的研究进展.稀有金属材料与工程.2020.
【4】曾克里，等.丝材等离子雾化钛合金粉末研究进展.粉末冶金工业.2021.
（中国粉体网编辑整理/星耀）
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