熊江英 楊金龍 張建庭 郭建政?

（1中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2深圳市萬(wàn)澤中南研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

1 增材制造技術(shù)

增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing, AM）又稱(chēng)3D打印（3D Printing），是一種以數(shù)字三維建模為基礎(chǔ)，融合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料加工、材料成形技術(shù)，使用金屬材料、非金屬材料及醫(yī)用生物材料，按照層層疊加、分層制造的離散-堆積原理，自下而上快速制備出形狀復(fù)雜工件的成型技術(shù)[1]。增材制造技術(shù)在過(guò)去短短30年里受到了全世界的高度關(guān)注，被譽(yù)為人類(lèi)歷史上“第三次工業(yè)技術(shù)革命”。與傳統(tǒng)的減材制造、粉末冶金制造技術(shù)相比，增材制造技術(shù)由于具有輕量化減重，無(wú)需多余的夾具、模具，無(wú)需大型熱加工設(shè)備，可制造復(fù)雜內(nèi)腔的工件，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制，降低制造成本，易于修復(fù)與再制造等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防、汽車(chē)、生物、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

增材制造的兩大研究方向?yàn)榉勰┐踩诨夹g(shù)和直接能量沉積技術(shù)，兩種技術(shù)根據(jù)熱源的不同可進(jìn)行細(xì)分，其技術(shù)特點(diǎn)見(jiàn)表1[2]。原材料作為增材制造的基礎(chǔ)，可分為金屬打印與非金屬打印技術(shù)兩大類(lèi)，常見(jiàn)的增材制造用原材料及應(yīng)用范圍對(duì)比見(jiàn)表2[3]。

表1 增材制造技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比[2]

表2 增材制造用原料對(duì)比[3]

2 金屬增材制造原材料

金屬增材制造應(yīng)用范圍非常廣，具有很好的工程應(yīng)用前景，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。工作原理及制造成本等因素決定了不同打印技術(shù)所用的金屬材料有所不同。選區(qū)激光熔融技術(shù)（SLM）加工空間封閉，加工條件優(yōu)良，工藝可控性高，因此具有更廣泛的金屬材料選擇性、更高的性?xún)r(jià)比及更高的加工精度和質(zhì)量[4]。

金屬原材料主要分兩類(lèi)：金屬粉末及金屬絲材。絲材制備一般需要經(jīng)過(guò)冶煉、拉拔等工藝，由于加工工藝的局限性，對(duì)于高硬度和特殊合金成分的絲材制備難度較高，因此種類(lèi)受到很大的限制[5]。相比而言，金屬粉末的制備則更靈活，途徑也更豐富。基于增材制造技術(shù)的特點(diǎn)，要求金屬粉體材料具有好的流動(dòng)性，粉末粒徑控制在一定范圍內(nèi)（一般要求粒徑分布較窄），氧含量低，球形度高，衛(wèi)星粉及粘接粉少，松裝密度高，空心粉含量低等。圖1[6]展示了理想的SLM增材制造專(zhuān)用金屬粉體的形貌。

圖1 理想SLM增材制造用金屬粉體形貌[6]

金屬增材制造技術(shù)的提升離不開(kāi)金屬原材料、打印裝備、成型工藝的開(kāi)發(fā)與進(jìn)步，作為原材料的金屬粉末是增材制造技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。增材制造用金屬材料主要包括以TC4為代表的鈦基合金、316L為代表的鐵基合金、IN718和IN625為代表的鎳基合金、CoCrMo為代表的鈷基合金、AlSi10Mg為代表鋁合金等，見(jiàn)表3所示[19-20]。

表3 國(guó)內(nèi)外常用金屬粉末材料對(duì)比

金屬粉末作為原材料是增材制造技術(shù)發(fā)展中非常關(guān)鍵的一環(huán)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球增材制造金屬粉末材料的銷(xiāo)售額2015年為0.881億美元，2016年增長(zhǎng)至1.268億美元，2017年上升到了1.834億美元[7]，高品質(zhì)打印專(zhuān)用金屬粉末市場(chǎng)需求旺盛。我國(guó)在粉末冶金、增材制造方面起步均晚于國(guó)外，且受限于粉末生產(chǎn)裝備的不足及基礎(chǔ)研究薄弱等多因素，大部分高質(zhì)量的金屬粉體主要依賴(lài)進(jìn)口，因此，高品質(zhì)金屬粉末制備已成為制約我國(guó)增材制造技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸[5]。2015年5月國(guó)務(wù)院發(fā)布了《中國(guó)制造2025》，將增材制造用材料、成套裝備及關(guān)鍵技術(shù)等作為重點(diǎn)發(fā)展的方向。2017年，工信部等部委聯(lián)合印發(fā)了“增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017-2020年)”，提出提升增材制造專(zhuān)用材料質(zhì)量[8]。

3 增材制造用金屬粉末制備方法

金屬粉末的制備按照原理可分為兩類(lèi)：機(jī)械法和物理化學(xué)法。機(jī)械法包括研磨法、氣霧化法、水霧化法、旋轉(zhuǎn)盤(pán)霧化法、旋轉(zhuǎn)電極霧化法等；物理化學(xué)法包括還原法、沉積法、電解法等[9]。霧化法由于生產(chǎn)效率高，可以獲得球形度較高、流動(dòng)性較好的粉末，成為增材制造用金屬粉末的主要制備方法[10]。

等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法（Plasma Rotation Electrode Process, PREP）是俄羅斯發(fā)明的一種金屬粉末制備方法，通過(guò)該方法制備的粉末已經(jīng)成功應(yīng)用于傳統(tǒng)粉末冶金制件中[11]，其制粉示意圖見(jiàn)圖2。PREP法制備的粉末具有氧含量低、球形度好、流動(dòng)性好、衛(wèi)星粉少、空心粉少等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是受限于電極棒料轉(zhuǎn)速及直徑，PREP法制粉生產(chǎn)效率較低，粉末粒徑較粗，因此合金整體利用率偏低，使得PREP法在增材制造中的運(yùn)用受限。對(duì)于等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化裝備和霧化工藝方案，俄羅斯投入了極大的研發(fā)力量，目前已成功開(kāi)發(fā)ПУP-9型PREP設(shè)備，其電極棒直徑在Φ50-80mm之間，最高工作轉(zhuǎn)速28000r/min，生產(chǎn)的鈦合金粉末粒徑D50≤80μm[12]?；诩?xì)粒徑球形金屬粉末的迫切需求，西安塞隆金屬材料有限責(zé)任公司[13]用TC4鈦合金作原料，研究了直徑為60mm和75mm兩種尺寸的電極棒分別在12000r/min、13000r/min、135000r/min三種工作轉(zhuǎn)速下的粉末粒徑，并提出了細(xì)化PREP粉末的三種途徑：提高電極棒料加工精度、采用柔性聯(lián)軸器以及采用浮動(dòng)輥動(dòng)密封支撐單元。但是，傳統(tǒng)PREP粉末粒徑僅能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)激光熔覆沉積技術(shù)（LMD）需求，很難滿(mǎn)足國(guó)外先進(jìn)高速激光熔覆技術(shù)、電子束選區(qū)熔化技術(shù)、激光選區(qū)熔化技術(shù)對(duì)粉末的需求[14]。

圖2 等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化（PREP）制粉原理圖

氣霧化技術(shù)制備的粉末氧含量和粉末球形度雖然不及PREP法有優(yōu)勢(shì)，但是能獲得粒徑分布較窄、整體球形度可接受的粉末，且生產(chǎn)效率高，合金利用率高，成為增材制造金屬粉末的主流技術(shù)[15]。氣霧化技術(shù)是利用高壓、高速氣流沖擊金屬熔體，熔體在碰撞過(guò)程中破裂成細(xì)小液滴，經(jīng)過(guò)快速球化、冷卻凝固成金屬顆粒的過(guò)程[16]，原理圖如圖3所示。氣霧化技術(shù)涉及的工藝非常多，想要獲得高品質(zhì)金屬粉末，需要對(duì)工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制，如充氣壓力、熔體溫度、噴盤(pán)錐角、噴嘴長(zhǎng)度等。前期的研究針對(duì)霧化工藝和原理做了很多工作[17-18]，為氣霧化技術(shù)的快速發(fā)展起到了關(guān)鍵性作用。

圖3 惰性氣體霧化制粉原理圖

4 增材制造金屬材料的研究進(jìn)展

鈦合金由于比強(qiáng)度高、生物相容性強(qiáng)、耐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于飛機(jī)、汽車(chē)、軍工裝備、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，成為尖端科學(xué)和高技術(shù)領(lǐng)域無(wú)可取代的材料。但是鈦合金具有導(dǎo)熱性差、塑性低、比熱低等特點(diǎn)，大大限制了鈦合金的發(fā)展與應(yīng)用。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)解決了鈦合金成型難的問(wèn)題。當(dāng)前，鈦合金粉末最主要制備方式為霧化法，又細(xì)分為離心霧化法、等離子霧化法及氣霧化法等。

瑞典Arcam公司在2019年報(bào)道稱(chēng)，由于增材制造高端鈦粉需求量劇增，旗下金屬粉末制造子公司AP&C三臺(tái)新型等離子霧化器投產(chǎn)，產(chǎn)能擴(kuò)大三倍。等離子霧化生產(chǎn)的鈦粉具有純凈度高、球形度好和衛(wèi)星粉含量少等特點(diǎn)。

郭快快等[21]通過(guò)自主設(shè)計(jì)的電極感應(yīng)熔煉氣霧化（EIGA）設(shè)備研究了不同功率參數(shù)對(duì)TC4鈦合金粉末特性的影響，包括粒度分布、組織形貌、空心粉等。研究表明，該方法制備的合金粉末整體球形度高、空心粉少。隨著功率的升高，粉末平均粒徑減小，如圖4所示，粉末中的氧含量也隨之升高；功率為56kW時(shí)，粉末松裝密度最好，且符合激光增材制造用TC4鈦合金粉末松裝密度比要求。金瑩等[22]研究了不同霧化壓力對(duì)電極感應(yīng)熔煉TC4粉末性能的影響，發(fā)現(xiàn)在3.5～6.0MPa范圍，霧化壓力越大，粉末平均粒徑越小。

圖4 不同功率參數(shù)的粉末粒徑分布

據(jù)報(bào)道，中航邁特公司通過(guò)吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，研發(fā)制造了多條EIGA、VIGA金屬粉末制備裝置[23]。目前，鈦基合金粉末細(xì)粉（≤45μm）收得率為30%～55%，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。生產(chǎn)的鈦合金粉末可滿(mǎn)足SLM、LSF等增材制造工藝的使用標(biāo)準(zhǔn)和要求。

俞俊鐘[8]對(duì)國(guó)內(nèi)外增材制造SLM用TC4金屬粉末從六個(gè)維度即流動(dòng)性、松裝密度、顆粒粒形、粉徑分布、空心粉和夾雜、微量元素進(jìn)行了對(duì)比分析。國(guó)內(nèi)粉末數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家增材制造產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心近年來(lái)對(duì)增材制造SLM用TC4金屬粉末的抽查和委托性檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)TC4流動(dòng)性略差于國(guó)外，分別為26.8（s/50g）、35.1（s/50g），國(guó)產(chǎn)粉末一致性差，鋪粉均勻性存在較大問(wèn)題；國(guó)產(chǎn)粉末松裝密度低于國(guó)外同類(lèi)TC4，可能影響打印件致密度；國(guó)產(chǎn)TC4和國(guó)外粉末球形度分別為0.89和0.91；國(guó)產(chǎn)粉末粒徑數(shù)值波動(dòng)大，一致性差于國(guó)外同類(lèi)型粉末，粒徑分布寬不利于激光融化成形；國(guó)產(chǎn)TC4粉末空心粉含量與國(guó)外粉相差無(wú)幾，但夾雜明顯高于國(guó)外粉末；國(guó)產(chǎn)粉末氧含量和氮含量波動(dòng)較大，一致性不如國(guó)外粉末。從以上六個(gè)維度可知，國(guó)產(chǎn)粉末與國(guó)外粉末還有很大差距，國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)看到差距，針對(duì)各個(gè)性能指標(biāo)提升技術(shù)水平。

高溫合金是一種可以用在600℃以上使用的合金材料，是制造航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的關(guān)鍵材料。增材制造技術(shù)可以滿(mǎn)足航空航天高端產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜的需求，因此近年來(lái)在該領(lǐng)域取得了快速發(fā)展。國(guó)內(nèi)外對(duì)高溫合金在增材制造中的應(yīng)用做了很多相關(guān)研究。趙衛(wèi)衛(wèi)等[24]研究了不同熱處理制度對(duì)Inconel 718（激光立體成形）的顯微組織和機(jī)械性能的影響規(guī)律。Trosch等[25]研究了IN718（選區(qū)激光熔化成型）的微觀組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能，并與鑄造和鍛造件作對(duì)比。王文強(qiáng)等[26]以增材制造用GH3625金屬粉末為對(duì)象，通過(guò)顯微CT表征粉末樣品的三維結(jié)構(gòu)，對(duì)粉末的球形度、粒度等特性進(jìn)行定量分析，該方法為增材制造用金屬粉末質(zhì)量的表征提供了新的思路，有助于對(duì)粉末進(jìn)行全方位立體解析。

深圳市萬(wàn)澤中南研究院有限公司致力于高溫合金材料的研發(fā)與相關(guān)構(gòu)件的生產(chǎn)，自主研發(fā)了多款可運(yùn)用于高端航空零部件的單晶高溫合金和粉末高溫合金材料。在增材制造高溫領(lǐng)域，萬(wàn)澤中南設(shè)計(jì)了一款承溫可達(dá)850℃的粉末合金，該合金Co含量較高，達(dá)到26%，W略大于Mo，總量不少于5%（wt），wTi/wAl接近1，wAl+wTi不小于6%，γ′含量較高的同時(shí)兼顧成形性能，確保有優(yōu)異的打印性能及抗裂紋擴(kuò)展能力[27]。該合金粉末球形度好，易鋪粉，3D打印成形組織缺陷少，高溫力學(xué)性能優(yōu)越。該合金經(jīng)過(guò)SLM+HIP成型，750℃/650MPa下持久性能壽命可達(dá)45.6h；室溫和850℃屈服強(qiáng)度分別為1199MPa和852MPa，高于相同工藝下IN718、Rene88DT、IN738LC等合金。該合金的優(yōu)異性能表明其可用于打印發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件或其他熱端承力結(jié)構(gòu)件，為高溫領(lǐng)域增材制造提供了全新的金屬原材料選擇。

鐵基合金是增材制造研究較早、較深的一類(lèi)合金，增材制造技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了模具制造技術(shù)的發(fā)展，其中鋼是應(yīng)用最廣泛的材料。從模具鋼粉末材料設(shè)計(jì)到粉末材料制備，已有大量研究。針對(duì)模具鋼的工藝特點(diǎn)，學(xué)者提出了兩種成分設(shè)計(jì)思路以提升模具鋼性能：調(diào)控模具鋼的元素配比和第二相顆粒強(qiáng)化合金。

季憲泰等[28]研究了不同Cr含量對(duì)激光選區(qū)熔化技術(shù)制備的S136模具鋼組織和性能的影響。結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)腃r元素使試樣表面生成致密的氧化膜，可提升材料的抗蝕性，但過(guò)量的Cr元素會(huì)導(dǎo)致S136模具鋼內(nèi)部孔洞和裂紋等缺陷，致密度變差，嚴(yán)重降低模具鋼的強(qiáng)度與硬度。增材制造專(zhuān)用模具鋼粉末需求逐年提升，國(guó)內(nèi)多家粉末生產(chǎn)制備廠商開(kāi)始進(jìn)入該領(lǐng)域，例如西安塞隆金屬材料有限責(zé)任公司利用研發(fā)改進(jìn)的PREP設(shè)備制備出不銹鋼粉末等先進(jìn)粉末，中航邁特采用氣霧法開(kāi)展了模具鋼用等一系列合金粉末的制備工藝研發(fā)。

鋁合金具有輕量化的特點(diǎn)，日常運(yùn)用非常廣泛，在工業(yè)制造領(lǐng)域也占有一席之地。據(jù)報(bào)道，鋁合金在金屬增材制造技術(shù)中的粉末消耗量從2014年的5.1%預(yù)計(jì)會(huì)提高到2026年的11.7%，在汽車(chē)領(lǐng)域增材制造中10年增長(zhǎng)率為51.2%。圖5是利用鋁合金打印的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，Scalmalloy鋁合金已成功應(yīng)用于空中客車(chē)公司的增材制造中。美國(guó)QuesTek公司2020年1月21日?qǐng)?bào)道，QuesTek Innovations LLC和德國(guó)航空中心將開(kāi)發(fā)可打印鋁合金，該合金具有良好的高溫強(qiáng)度，可替代鈦合金實(shí)現(xiàn)減重。

圖5 鋁合金打印的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）

5 結(jié)語(yǔ)

全球增材制造技術(shù)正處于高速發(fā)展階段，我國(guó)增材制造技術(shù)研發(fā)主要集中在打印成型方面，對(duì)合金材料和粉末制造裝備等基礎(chǔ)研究的投入明顯不足，這嚴(yán)重限制了我國(guó)增材制造的發(fā)展。我國(guó)急需在新合金材料的開(kāi)發(fā)、金屬粉末制造裝備等方面加大投入，形成有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的材料體系及制造技術(shù)。