IPB上海粉体展巡展在北京举行，交流金属3D打印粉末制备检测技术

2018年4月20日，IPB上海粉体展北京巡展（中国颗粒学会、纽伦堡会展（上海）有限公司主办）在北京拉开帷幕，据悉，活动邀请全国增材制造标准化技术委员会秘书李海斌先生、西北有色金属研究院朱纪磊教授等专家为我们就3D打印工艺对球形金属粉末制备要求、检测、筛分等话题进行专家解析、行业交流。

与传统的减材制造方式相比，3D打印几乎不会造成金属材料浪费，而且这种“增材制造”直接成形的特点使得产品在生产过程中的设备问题大大减少。金属粉体材料是金属3D打印的原材料，其粉体的基本性能对最终的成型的产品品质有着很大的关系。金属3D打印对于粉体的要求主要在化学成分、颗粒形状、粒度及粒度分布、流动性、循环使用性等这几个方面，其粉体制备工艺成为3D打印近年来关注的热点。本次活动对于3D打印与粉体制备间的技术解析具有重要意义。

金属粉末是粉床增材制造的唯一原料，其性能决定增材制造工艺和制品的性能优劣。针对航空航天、国防军工和生物医疗领域的粉床增材制造技术对粉末的物理化学性能要求较为严苛，目前所用的球形金属粉末原料大量进口。粉床增材制造对金属粉末原料的要求、国内技术和产业发展情况是我们着重探讨的课题。

论坛邀请到西北有色金属研究院朱纪磊教授出席本次活动，解析旋转电极雾化制粉（PREP）技术制备球形金属粉末的性能以及PREP工艺参数对粉末性能的影响，针对增材制造对孔隙粉末的控制要求，对比分析了气雾化法、旋转电极雾化法和等离子体熔丝雾化法等三种典型工艺球形钛合金粉末的内部孔隙特性，结果表明旋转电极雾化法制备的球形钛合金粉末具有较低的孔隙率，通过控制棒料直径和棒料转速能够获得低氧含量和低孔隙率的高品质球形金属粉末。

虽然实现增材制造的技术方法有多种，但加工机理基本一致，即材料在高能热源作用下快速融化，由于作用时间极短，熔融的金属在基体的冷却作用下发生快速凝固，从而实现在特定的扫描区域成型。增材制造制品的性能由热源量属性、材料特性及工艺参数所决定，而热源类型及送粉方式是区分各种增材制造技术的最根本因素。
增材制造工艺的主要影响因素
①热源
在金属增材制造领域，应用最为成熟的热源是激光和高能电子束。电子束与激光的工作原理不同，电子束的加热方式是高能电子穿过靶材的表面进入到距表面一定深度后，再传给靶材原子能量，从而使靶材原子的振动加剧，把电子的动能转换为热能；激光的加热方式则为靶材表面吸收光子能量，激光并未穿过靶材表面。材料制造加工过程中，热源的功率及扫描速度一般是恒定的，即作用于材料的能量密度是恒定的， 热源作用效果由材料对热源的吸收性能直接决定。材料对热源能量的吸收由两者的作用机理、材料表面状态等因素所决定。对于最常用的激光热源， 激光光能的吸收与波长、被照材料的反射率以及能量密度相关，在成型过程中，材料的表面状态、 尺寸等因素对激光都有明显的制约作用。电子束由于其作用机理的不同，在增材制造过程中表现出较激光更加良好的适配性。


②材料
粉末材料是目前最为常用的金属类增材制造用材料。金属粉末作为金属制件增材制造产业链中最重要的一环， 也是最大的价值所在。金属粉体材料一般用于粉末冶金工业， 粉末冶金成型是将粉末预成型后利用高压高温条件进行最终的定型，整个过程中，材料发生的物理冶金变化相对缓慢，材料有比较充分的时间进行融合、 扩散、反应。由于受粉末冶金加工时温度及压力的限制， 为了保证工件的致密性，要求使用的粉体材料尽可能地将成型腔体填充完全。针对粉末冶金工艺的技术特点，已经发展出了一套比较完善的粉末评价方法及标准， 有相对比较完善的指标可用来恒量粉体材料的性能，如粒径、比表面积、粒度分布、粉体密度、流速、松装密度、孔隙率等。对于粉末冶金而言， 粉末的流动性、振实密度等指标是衡量粉末冶金用粉末材料的重要指标。

增材制造工艺与粉末冶金工艺相比有明显的区别，粉末材料在热源作用下的冶金变化是极速的，成型过程中粉体材料与热源直接作用，粉体材料没有模具的约束以及外部持久压力的作用。一般认为直径小于１ｍｍ的粉体材料适用于增材制造， 粒径在５０μｍ左右的粉体材料具有较好的成型性能 。与 粉末冶金工业相比， 目前国内还没有形成成熟的评价方法或标准来判定粉末材料与增材制造工艺的适用性，增材制造用粉末的相关评价方法及指标需要进一步深入的研究与思考。

③工艺过程
用铺粉方式时， 热源优先作用于粉末，为保证粉末与已成型区的冶金结合充分， 需要确保加工过程中熔池的深度及尺寸在一个合理范围内。当采用同步送粉方式时，无论是同轴送粉还是侧向送粉方式，热源对材料的作用分成作用于已成型区及作用于粉末材料两部分。粉末在运动途中被热源加热到一定温度后，在自身动能的作用下打入已成型区域，整个成型过程相当于相对高能的粉末材料轰击熔合区域的过程，这种方式较铺粉方式更有利于提高制品的致密度。

本次会议中，来自德国新帕泰克有限公司的耿建芳博士、弗尔德科学仪器有限公司的叶上游先生和英国富瑞曼科技有限公司的张志俊先生也就3D打印应用领域的粉体技术为大家带来了精彩的报告。

南极熊在现场有个重要感受，我们3D打印领域对粉末材料的表征体系，还不够完善。通过仪器检测可以看出，除了球形度、颗粒度因素外，表面凸起形状、氧氢元素含量等因素，也会大大影响金属3D打印的质量和性能。

IPB上海国际粉体展会每年秋季在上海举办，主要致力于为中外粉体行业相互交流与合作、企业与协会的交流与沟通搭建平台，为企业拓展新业务、开发新市场提供丰富的信息和商机，至今已成功举办15届，第16届将于2018 年 10 月 17-19 日在上海世博展览馆（上海市浦东新区博成路850号）举办。