中国粉体网讯 7月17日，由中国粉体网主办的2025高端金属粉体制备与应用技术大会在湖南长沙成功召开。会议期间，我们邀请到南方科技大学黎兴刚教授做客《对话》栏目，黎教授非常详细地为我们讲解了球形金属粉体的制备与应用及气雾化制粉技术的发展情况。
中国粉体网：请简要介绍一下球形金属粉体的性能特点、应用领域及制备方法有哪些？
黎教授：
（1）球形金属粉体的性能特点
球形金属粉体具有高流动性、高堆积密度以及优异的烧结性能，其成型件亦具有优异的力学性能。
高流动性：球形结构使其在输送、填充等过程中阻力小，流动性远优于不规则形状粉体，便于自动化生产中的精准计量和布料。
高堆积密度：球体紧密堆积时空隙率低，堆积密度高，能提高成型件的致密度，降低内部缺陷风险。
均匀烧结性：球形颗粒间接触面积均匀，烧结过程传质效率高，易形成均匀致密的烧结体，提升材料力学性能。
稳定的力学性能：成型后零部件组织均匀，强度、韧性等指标优于非球形粉体制品。
（2）球形金属粉体的应用领域
球形金属粉体的应用领域非常广泛，根据其应用形式，可以分为以下几类：
a.直接成型原料
3D打印核心耗材：作为金属3D打印技术（如SLM、SLS、binder jetting等）的直接原料，粉体颗粒通过激光/电子束熔融烧结，直接成型复杂结构零件，无需模具即可制造传统工艺难以实现的异形件、镂空结构件，已用于制造航空航天复杂构件、医疗植入物、精密模具等。
粉末冶金压制成型原料：通过模具压制成型，经烧结后制成高强度结构件，已用于制造航空发动机核心部件、汽车精密零件、高强度齿轮等高精度结构件。
b.功能性浆料/涂层原料
导电浆料：将球形金属粉体（如银、铜粉）与有机载体混合制成导电浆料，用于电子线路印刷、电极制造，利用其高导电性和分散性提升电子元件性能。
热喷涂涂层：将粉体通过热喷涂技术（如等离子喷涂）制备耐磨、耐腐蚀、耐高温涂层，用于机械零件表面强化。
c.复合/功能材料基体
金属基复合材料：作为基体与陶瓷颗粒、碳纤维等增强相复合，制备轻质高强、耐磨耐蚀的复合材料，用于航空航天、高端装备等领域。
生物医用复合材料：与生物活性陶瓷等复合，制备兼具力学性能和生物相容性的植入材料，优化医疗植入体的使用效果。
d.精密零部件修复
在航空航天、高端装备等领域，利用球形金属粉体通过3D打印技术对受损零件（如涡轮叶片、模具型腔）进行精准修复，延长零件使用寿命，降低更换成本。
（3）球形金属粉体的制备方法
一般金属由气态或熔融液态转变成粉末时，粉末颗粒形状趋于球形；由固态转变为粉末时，粉末颗粒趋于不规则形状；由水溶液电解法制备的粉末多数呈树枝状；采用氢化脱氢法所得粉末的外形普遍呈现棱角或锯齿状。因此，金属熔体雾化法成为球形金属粉末的主要制备方法。
所谓的雾化，是指液体由于外力作用或自身不稳定性破碎形成液膜、液线、液滴等非连续相的过程。虽然雾化的英文专业术语Atomization中包含Atom这个单词，但是仅在物理作用下，这些非连续相的尺寸一般在亚微米至毫米级别（10-7-10-3 m），远未达到原子尺度。这些非连续相在表面张力的作用下趋于球形，在凝固、蒸发等固化机制作用下形成球形/近球形粉末颗粒。
在金属熔体雾化工艺中，具有一定过热度的金属熔体被输送到雾化区被雾化成粉末。根据使熔体雾化过程发生所施加的外力或能量，目前比较成熟的金属熔体雾化工艺包括气体/水雾化（介质动能）、离心雾化（旋转体离心力）、超声雾化（振动）、压力雾化（势能）等。
不同的熔炼工艺与不同的雾化工艺结合形成多种球形金属粉末制备工艺，如美国Crucible公司开发的水冷铜坩埚熔炼–气体雾化工艺、德国ALD公司开发的电极感应熔炼–气体雾化工艺（EIGA）、加拿大AP&C公司开发的等离子雾化工艺（PA）、俄罗斯的等离子旋转电极雾化工艺（Plasma Rotating Electrode Process，PREP）等多用来制备高温难熔、高活性金属粉末，如钛及钛合金粉末等；传统的耐火材料坩埚熔炼–气体雾化工艺，在真空/反冲惰性气体工况下一般称作真空感应熔炼–气体雾化（VIGA），则通常用来制备铝合金、铜合金、不锈钢、镍基高温合金等低活性金属粉末。
中国粉体网：请简要介绍气雾化制粉中卫星粉、空心粉的形成机理及控制方法。
黎教授：
（1）卫星粉形成机理及控制方法
气雾化粉末，尤其是轻合金粉末，普遍存在卫星粉现象，即小颗粒在大颗粒表面粘附的现象，也可泛指粉体中的颗粒粘接/团聚现象。在气体雾化过程中，雾化熔滴粒度分散，在复杂的气流场结构中（可压缩、超/跨/亚音速、湍流、宏观/介观尺度涡流等），具有不同动力学和热力学状态的熔滴/颗粒发生碰撞的频率大幅提高，导致气雾化粉末中颗粒粘接/团聚的现象较离心雾化等粉末更为明显。一般来说，小熔滴由于惯性小，运动状态更易受气流场影响，且凝固速率较快，与液态/未完全凝固的大熔滴发生碰撞，随后熔滴之间发生熔结或烧结，大熔滴凝固后，形成小颗粒粘结在大颗粒表面的卫星粉现象。
卫星粉形成的直接原因就是颗粒/熔滴发生了碰撞，因此，可以基于减少颗粒/熔滴碰撞频率与抑制颗粒/熔滴碰撞粘接过程两条途径，建立多层次、多尺度的卫星粉控制机制。譬如，在宏观尺度上，可以通过向雾化室内引入辅助气流、抽吸或优化雾化室结构，抑制或消除雾化室内回流，减少粉尘回旋，进而降低颗粒/熔滴之间的碰撞频率。在介观尺度上，可以通过优化喷雾中的多相流场结构及喷雾特征，或者降低喷雾中熔滴的粒度分布宽度从而减少颗粒/熔滴的运动状态差异，均可降低熔滴/颗粒之间的碰撞频率。在微观尺度上，可以在颗粒/熔滴之间引入排斥力，譬如施加外电场，使雾滴荷电，雾滴带有同性电荷，库仑排斥阻止雾滴在飞行过程中的碰撞接触，从而抑制卫星粉的形成，但是由于金属是导体，其效果不如在非金属粉体中明显。
（2）空心粉形成机理及控制方法
空心粉是气雾化粉末中较常见的另一类缺陷。空心粉中的孔洞/孔隙一般存在两种形态：一种是雾化气体被束缚在粉末内部形成的闭孔，其尺寸一般为粉末尺寸的10%~90%，在粉末的中心区域以及靠近粉末表面的区域均有分布，一般在粒度较粗的粉末中常见；另一种是枝晶间凝固收缩形成的孔隙，其尺寸一般小于粉末尺寸的5%，在粉末内部与表面有分布。
在粉末的致密化过程中，如热等静压、热挤压等，被束缚在粉末内部的气体会在高压作用下收缩形成更细小的具有较高内压的孔洞，然而一旦将成形件置于高温无外压条件下，存留在粉末中的孔洞可能会继续膨胀长大，导致材料的致密度降低以及形成孔隙缺陷，降低材料的疲劳强度与断裂韧性。在增材制造工艺中，粉末被激光、电子束等快速熔化后又快速凝固，被束缚在粉末内部的气体能否逸出尚不明确，空心粉对3D打印工艺以及成形件的致密度、力学性能等的影响有待进一步研究。
一般认为空心粉中闭孔的形成主要与液滴的膜式破碎机制有关。对于黏度较低的液滴，在膜式破碎过程中，液滴在气动力作用下会形成袋状液膜，随后液膜破碎形成大量细小的液滴；对于金属熔滴而言，熔滴的变形破碎过程伴随着熔滴的快速冷却与凝固，在该过程中熔滴的黏度急速升高，袋状液膜的破碎过程可能被抑制，变形过程增大，袋状液膜开口处结合，导致袋内的雾化气体被包裹在熔滴内。基于上述原理，可以通过降低或提高雾化能量使液滴避开膜式破碎机制，从而降低粉末中闭孔的形成几率，但由于雾化过程中往往多种液滴破碎模式共存，过程控制难度较大，而且可能会影响特定粒度区间的粉体收得率。
雾化气流与液体表面的剪切作用亦会导致大量的气体被液体表面捕获。因此，可以尝试优化雾化器布局，降低雾化气流与熔体射流的剪切作用，进而降低空心粉的形成几率。
中国粉体网：制粉装备对于气雾化制粉技术而言是不是非常关键？目前装备的国产化情况如何？
黎教授：气雾化制粉装备包括雾化系统、熔炼系统以及真空、液压驱动、粉末收集等附属系统。制粉装备是制粉技术的体现，决定了粉末的生产效率、生产成本以及粉末质量，制粉装备各系统的稳定运行保证了制粉工艺与粉体性能的稳定性。
目前我国雾化制粉装备基本实现国产化。国内多家企业已成功研发并生产出具有自主知识产权的气雾化制粉装备，部分装备的技术水平已达到或接近国际先进水平。在大容量真空气雾化装备方面，中机新材、河北敬业、中航迈特、威拉里等企业先后成功运行了500公斤级VIGA制粉装备，南通金源智能成功运行了1000公斤级超大容量VIGA制粉设备。但在以水冷铜坩埚-气雾化工艺为代表的大容量、高纯净高温难熔合金粉体制备技术方面，仍有待突破，这也是我们团队的一个努力方向。
除了气雾化装备，国产PREP装备也取得了巨大突破，代表企业有西安赛隆、欧中科技、中国机械总院集团郑机所等。其中，西安赛隆开发的PREP装备，电极棒料转速可达50,000转/分钟，达到国际最高水平。
中国粉体网：您在气雾化制粉技术方面有哪些进展和突破？
黎教授：我们在新型气雾化制粉装备及技术研发、粉体成本及质量控制、金属基复合粉体短流程制备技术研发等方面具有一定的工作积累。
提出了低维度熔体雾化的概念，作为第一发明人主持研发了国内首台耦合压力-气体雾化制粉装备及相关技术，在低能耗下，从优化熔体特征入手，提高雾化效率，将3D打印用金属粉体收得率，相比传统气体雾化工艺（20~45 vol.%），提高到（60~90 vol.%）。目前，该技术已被用于锡合金、锌合金、铝/镁合金、模具钢、镍基高温合金等合金粉末的中试生产。
深入开展了气体雾化制粉过程中卫星粉的形成机理与控制方法的研究。着重从多相流体力学的角度揭示了气体雾化制粉过程中卫星粉的形成机理，为卫星粉控制方法的探索提供了理论依据。研发了多尺度、多层次的卫星粉有效控制方法，包括基于气体整流的回流/粉尘回旋控制、双喷嘴雾化、自耗电极等离子弧熔炼气雾化、气流磨后处理等，实现了高球形度、无/少卫星粉粘接的高品质3D打印用粉体的低成本制备。相关技术已在中金岭南、中机新材等企业推广应用。
开发了基于熔滴-颗粒共喷射、原位反应雾化等工艺的颗粒强化金属基复合粉体短流程制备技术，可以在雾化制粉阶段直接实现强化颗粒与金属基体颗粒的复合，避免了传统复合粉体制备工艺中的机械混合过程，保证了粉体质量。该类复合粉体可以直接用于增材制造金属基复合构件或其他粉末冶金成型工艺。基于纳米颗粒弥散强化的高强铝基/高温镍基复合粉体，实现了高强铝基/高温镍基难打印合金的无裂纹打印。
上述工作获得了科技创新领军人才计划、国家自然科学基金项目、GF科工局进口替代项目、北京市科技新星计划、深圳市科创局基础研究项目以及技术攻关项目等项目的支持。
中国粉体网：在气雾化制粉技术领域，国内与国外相比发展得如何？
黎教授：气雾化等雾化制粉技术并不是新技术。近年来，金属增材制造（3D打印）技术的兴起推动了国内外包括气雾化在内的雾化制粉技术的进一步发展。在2018年的时候，国内高端3D打印用金属粉末仍依赖进口，国产高性能粉末供应不足，导致粉末价格高昂。譬如，常用的激光粉床熔融用TC4钛合金粉末的价格不低于3000元/千克，18Ni300模具钢粉末的价格也在2000元/千克以上。造成这种局面的原因：一方面，国外金属3D打印设备厂商将设备与粉末原料捆绑；另一方面，国产雾化制粉装备和技术落后于国外，国产粉末生产效率、生产成本、粉体质量均处于劣势。高端制粉装备需要进口，譬如从德国ALD进口电极感应气雾化（EIGA）设备。
近年来，国产金属3D打印装备、3D打印用金属粉材逐步打破了国外的垄断，国产粉末在成本与质量控制方面取得了显著的进步，实现了进口替代。目前，激光粉床熔融用TC4钛合金粉末、18Ni300模具钢粉末等常用粉末的价格甚至降至每公斤五百元以下。这是国内金属增材制造行业产学研共同努力奋斗的成果，企业起到了很好的引领作用。
不同于传统的粉末冶金产业链，国内增材制造行业的领头羊都在尝试甚至已经实现了3D打印装备、3D打印用原料、3D打印服务全产业链的融合。多家产学研单位都在同时开展气雾化、离心雾化、等离子雾化等多种雾化制粉技术的研发和产业化。在雾化制粉领域具有较深厚技术沉淀的国有企业，随着金属3D打印市场的逐步打开，也开始加大了投入。
（中国粉体网编辑整理/平安）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！
