摘要：增材制造（3D打印）技术的快速发展对核心原材料——球形金属粉末的性能提出了更高要求。本文系统综述了增材制造用球形金属粉末的制备技术、材料研究进展及应用领域。重点分析了气雾化法（GA）、等离子旋转电极雾化法（PREP）、等离子雾化法（PA）等主流制备工艺的技术原理与优化路径，介绍了球形金属粉末在航空航天、医疗、能源、消费电子等领域的应用情况，并展望了增材制造用球形金属粉末制备技术的发展趋势。
关键词：增材制造；球形金属粉末；雾化法；气雾化；等离子雾化
1 引言
近年来，增材制造技术的快速发展使增材制造行业规模得到迅速扩大，也促使增材制造的产业格局逐步完善，目前增材制造已成为智能制造和先进制造的关键模块。增材制造技术通过逐层堆叠材料实现复杂构件的快速成型，其核心原料球形金属粉末需满足高纯度、高球形度、窄粒度分布等要求。增材制造产业的快速发展带动了球形金属粉末的巨大市场需求[1]，因此如何高效制备高品质球形金属粉末成为增材制造技术发展与变革的关键。随着气雾化、等离子雾化等技术的突破，球形金属粉末的工业化生产逐步成熟。本文从制备技术、发展方向、产业化应用等方面，全面解析增材制造用球形金属粉末的研究进展。
2 气雾化法
2.1 技术原理
气雾化法（Gas Atomization，GA）起源于19世纪20年代，是利用高速气流冲击金属熔液，将气体动能转化为微小金属熔滴的表面能，最终冷却获得球形金属粉末的工艺[2]。为解决活泼金属粉末制备的难题，用惰性气体作为雾化介质，进而形成了惰性气体雾化法（Inert Gas Atomization，IGA）；随后为提升金属粉末的品质，将真空熔炼技术与惰性气体雾化技术相结合，发展出真空气雾化法（Vacuum Gas Atomization，VGA），可显著降低设备内部的氧含量，有效控制合金元素的氧化烧损和夹杂，提高粉末的纯净度，并逐渐成为气雾化制粉的主流方法[3]。在气雾化过程中，影响雾化效率和粉末特性的重要工艺参数有雾化介质、雾化压力、金属熔液过热度、金属液流直径和雾化喷射角度等。
气雾化法可轻松实现规模化生产，是目前增材制造用球形金属粉末的主要生产方式。气雾化法制备的金属粉末冷却速率快、成分均匀、球形度高、粒度分布较宽，其中：15~53μm粒径范围的粉末收得率可达35%~45%，可用于选区激光熔化技术；53~150μm粒径范围的粉末则可用于同轴送粉的激光立体成型技术。
2.2 发展方向
(1) 基于De Laval超音速喷嘴的新型雾化器结构设计。将具有收缩-扩张形态的De Laval喷嘴应用于雾化器从而获得超音速的喷射气流，以提升雾化效率和细粉收得率，已经成为目前气雾化生产领域中较为成熟的技术，而具有复合效果的新型雾化器结构设计将会是今后气雾化技术的重要发展方向。对雾化器进行结构优化设计，使雾化器同时具备De Laval喷嘴形态和能形成共振效应的Hartmann振动管结构，可在雾化过程中获得超音速喷射气流的同时产生80~100kHz脉冲频率的Hartmann共振，从而形成超声雾化，进而显著提升高速气流的破碎效果。
(2) 热气体雾化技术。热气体雾化技术是在传统气雾化技术的基础上，通过提高雾化介质温度，使气体在雾化器喷嘴出口处膨胀，达到提升喷射速度的目的。在相同雾化压力和耗气量下，提高雾化介质温度可使雾化气体动能显著提高，从而提升雾化效率，有效降低粉末的平均粒径。
(3) 空心粉的控制技术。通常认为空心粉的形成与液滴的袋式破碎机制有关。
空心是气雾化粉末中常见的一类缺陷，空心粉的存在会导致材料成型致密度降低，对材料的疲劳强度与断裂韧性有不利影响。在气雾化过程中往往通过降低雾化气体动能的方式抑制粉末内部孔隙的形成，从而减少空心粉的形成。另外，可通过雾化器的结构优化设计，降低气流喷射与金属液流的剪切作用，从而降低空心粉的形成概率。
(4) “卫星球”控制技术。“卫星球”的形成源于气雾化过程中高压气体喷射引起的气流反向回流，在此过程中，粒径细小的金属粉末随气流旋流向上运动，粘在未完全凝固的粗粉末颗粒表面，形成不同程度的“卫星球”，导致粉末流动性降低，影响粉末的使用性能。在雾化设备上采用外加气流的方式对气体旋流产生干扰，可避免“卫星球”的形成。因此如何实现对设备结构的有效改造，并设计匹配的雾化工艺，成为避免出现“卫星球”并改善金属粉末性能的技术发展方向。
3 等离子旋转电极雾化法（PREP）
3.1 技术原理
等离子旋转电极雾化法（Plasma Rotating Electrode Process，PREP）是利用等离子枪产生的等离子弧作为高温热源，熔化高速旋转的金属棒料端面形成熔融金属液膜，液膜在棒料高速旋转离心力的作用下形成微小液滴，最终在惰性气体（氩气或氦气）的冷却作用下快速凝固形成球形金属粉末的一种技术。PREP技术最初由KAUFMAN[4]发明，后由美国Nuclear Metals公司实现工业化装备制造，开发出一种无坩埚高纯净金属粉末生产方法[5]。
目前，美国、俄罗斯和乌克兰在PREP设备制造及技术应用方面仍处于世界领先地位。美国Starmet公司（原Nuclear Metals公司）在20世纪80年代初就开发出PREP设备，采用直径63.5mm和89mm两种规格的电极棒料，最高工作转速可达25000r/min，该设备已成功应用于航空发动机涡轮盘的量产。俄罗斯Granule系列设备通过提升电极转速至30000r/min，实现D50≤60μm的超细粉末制备，显著拓展了其在激光选区熔化（SLM）中的应用。我国西安欧中材料科技有限公司采用单独设计与等离子枪分离的惰性气体循环系统冷却通道的方法，对雾化室进行高效冷却，大幅提升了PREP设备的冷却效果。湖南顶立科技有限公司开发出可使用直径70~100mm的棒料，最高转速可达18000~30000r/min的PREP设备。
等离子旋转电极雾化法可用于镍基高温合金、铝合金、不锈钢等多种成分金属材料的粉末制备。与气雾化法制备的粉末相比，该技术制备的合金粉末具有较高的球形度、良好的流动性、较高的纯净度和较低的氧含量等特点，而且制备过程基本不会出现粉末碰撞的情况，避免空心粉及卫星粉的形成，这也减少了粉末缺陷的形成[6]。
3.2 发展方向
(1) 中小粒径金属粉末的PREP制备。PREP技术制备的金属粉末球形度高、流动性好、表面光洁，但粉末粒径较大，更适用于激光立体成形技术。随着增材制造产业的发展，对优质中小粒径金属粉末的需求量日趋增多，如何通过装备硬件升级和雾化工艺的匹配和调控，实现粒度可控及中小粒径粉末收得率的大幅提升，以其自身技术优势匹配多种增材制造成形方式，成为PREP技术的重要发展方向。
(2) 难熔金属粉末的PREP制备。难熔金属铌、钼、钨、钽因优良的材料特性，其粉末制品及增材制造制件在重要的工业领域有巨大的市场需求，但由于熔点高（铌熔点2477℃、钼熔点2623℃、钨熔点3422℃、钽熔点2996℃），采用气雾化方式获得金属粉末难度巨大，而PREP技术具有高的热源能量密度，可适用于高熔点金属的雾化制备。因此，应用PREP设备实现低氧含量、高球形度、高纯净度难熔金属粉末制备也成为PREP技术的重要发展方向。
4 等离子雾化法（PA）
4.1 技术原理
等离子雾化（Plasma Atomization，PA）技术以金属丝材为原材料，利用等离子火炬产生的聚焦等离子射流将金属丝材熔化，形成微小金属熔滴，下落过程中在表面张力的作用下，冷却凝固形成球形粉末[7]，金属丝材的雾化及冷凝过程均处于惰性气氛环境中，并且采用非接触式雾化过程，因此可减少氧化，获得高纯度的金属粉末。PA技术最初由TSANTRIZOS等[8]研发并申请专利，加拿大AP&C公司于1998年将PA技术实现了工业化。
PA技术雾化方式独特，具有显著的工艺优点。原材料金属丝材依据相关国家标准进行制造和检测，从而在原材料品质控制方面为确保金属粉末高品质提供了必要保证；采用无坩埚非接触式雾化方式，金属丝材的熔化和雾化同时进行，这种雾化方式不仅雾化效率高，也避免了粉末在制备过程中混入杂质造成污染，粉末纯净度高，氧含量较低[9]；在等离子火炬的作用下，惰性雾化气体被加热到高温状态，并具有较高的喷射速度，这样可使金属熔滴的凝固速率减慢，金属熔滴在表面张力的作用下充分球化从而获得高球形度的金属粉末。与其他雾化方法相比，PA技术制备的金属粉末粒径分布较窄，粒径不大于53μm的粉末收得率极高，并且具有高球形度和低杂质含量的特性，金属粉末成形件微观组织均匀，力学性能优异。但是由于PA技术采用金属丝材雾化方法制备粉末，原材料的制造成本较高；PA技术雾化金属丝材的方式也限制了生产效率，难以实现单台设备的快速规模化量产；由于PA技术的热源为高功率等离子枪，能源消耗量较大，难以实现节能减排，同时会显著增加金属粉末的制备成本。
4.2 发展方向
伴随球形金属粉末市场需求不断走高，等离子雾化技术的发展重心逐渐转向生产效率提升。研究显示，金属丝材预热能够显著增强雾化效果，这使得以金属丝材预热为基础的等离子雾化技术极具发展潜力，有望在未来占据重要地位。然而，金属丝材制备存在局限性，大量金属难以加工成丝材形态，导致等离子雾化技术的应用受限。若想突破这一瓶颈，拓展技术适用的金属种类，摆脱对金属丝材的依赖迫在眉睫，而研发高性能的高能等离子枪则是实现这一目标的核心途径。
5 产业化应用
5.1 航空航天领域
球形金属粉末在航空航天领域主要用于制造高性能关键部件，例如航空发动机的高温合金涡轮盘、压气机叶片以及火箭喷嘴、热屏蔽系统等。其高球形度与均匀粒径分布确保了粉末的高流动性，能够通过激光选区熔化（SLM）、电子束熔融（EBM）等增材工艺制造复杂轻量化结构，例如钛合金机身框架，可在保证力学强度的同时大幅减轻重量。某战斗机采用3D打印钛合金加强件后，材料利用率提升5倍，制造周期缩短2/3，显著提升了设计自由度和生产效率。
5.2 医疗领域
在医疗领域，球形金属粉末以钛合金（如Ti-6Al-4V）、铌等材料为主，被广泛用于骨科植入物（髋/膝关节）和牙科修复体的定制化生产。其优异的生物相容性、高致密度和表面光洁度能够完美匹配患者解剖结构，降低排异风险。此外，通过3D打印技术可制造多孔结构的骨植入体，促进细胞生长与骨整合。铌粉还被用于制造精密手术器械和放射性医疗设备，满足医疗领域对个性化和功能一体化的需求。
5.3 能源与核工业领域
球形金属粉末在核能领域用于制造耐高温、抗辐射的反应堆核心组件，例如铌基合金燃料棒包壳和钛合金冷却管道。其高纯度与化学稳定性可确保极端环境下的长期可靠性。在新能源领域，球形铌粉作为催化剂载体应用于氢燃料电池电极，提升反应效率；钛合金粉末则用于制造耐腐蚀的电解水制氢装置，推动清洁能源技术的升级。
5.4 电子与超导领域
铌基球形粉末凭借独特的高频介电性能和超导特性，成为高端电子元器件的关键材料。例如，铌粉可制成高性能电容器，广泛应用于5G通信基站和航天电子设备；其超导临界温度高的特性还支持制造超导磁体、量子计算器件等前沿科技产品。此外，纳米级球形金属粉末（如铜、银）正推动微型传感器和柔性电子器件的突破性发展。
5.5 增材制造专用材料领域
作为增材制造的核心耗材，球形金属粉末（如不锈钢316L、镍基合金Inconel 718）需满足粒径分布窄、氧含量低等严苛要求，以确保打印件的致密度和力学性能。其适配性覆盖激光熔覆、粉末床熔融等多种工艺，能够实现复杂流道、镂空拓扑等传统技术难以加工的结构，广泛应用于模具随形冷却水道、定制化工业备件的快速制造，推动制造业向小批量、高精度方向转型。
5.6 化工与防护领域
在化工领域，球形金属粉末通过热喷涂或冷喷涂工艺形成耐腐蚀、耐磨损的涂层，例如铌粉涂层用于保护酸性反应釜内壁，不锈钢粉末强化油气管道抗硫化氢腐蚀能力。此外，铌基催化剂在石油裂解、合成氨等过程中显著提升反应效率，而钛合金粉末制造的耐压阀门和泵体则成为化工装备轻量化升级的关键材料。
6 结语
增材制造用球形金属粉末的制备技术正朝着高纯度、超细化、智能化的方向演进。气雾化法与PREP技术的优化显著提升了粉末性能，而高温合金、钛合金等材料的突破则推动了航空航天等高端领域的应用。未来，通过绿色回收、跨学科协同及标准化体系建设，球形金属粉末将在增材制造产业链中发挥更核心的作用。
参考文献：
[1] Wohlers Associates Inc. Wohlers report 2021 : 3D printing and additive manufacturing state of the industry [R].Wohlers Associates,Inc.,[s.n.],2021.
[2] LAWLEY A. Atomization:The production of metal powders [M]. Prineton,NJ:Metal Powder Industries Federation,1992.
[3] 李清泉,韩延良.真空熔炼高压气体雾化制粉技术及设备[J].粉末冶金工业,1996，6(2):27-31.
[4] KAUFMAN A R.Production of pure spherical powders : US3802816[P].1974-04-09.
[5] 高超峰,余伟泳,朱权利,等.3D打印用金属粉末的性能特征及研究进展[J].粉末冶金工业,2017,27(5):53-58.
[6] 刘军,许宁辉,于建宁.用等离子旋转电极雾化法制备TC4合金粉末的研究.宁夏工程技术, 2016, 15(4): 340
[7] 戴煜,李礼.等离子火炬雾化制备金属3D打印专用钛合金粉体技术分析[J].新材料产业,2018(11):55-60.
[8] TSANTRIZOSPG,ALLAIREFCO,ENTEZARIAN M.Method of production of metal and ceramic powders by plasma atomization:US5707419[P].1998-01-13.
[9]陆亮亮,张少明,徐骏,等.球形钛粉先进制备技术研究进展[J].稀有金属,2017,41(1):94-101.
