粉末冶金产业联盟平韶波：粉末冶金助力金属增材制造快速发展

2020年8月20日-21日，中国增材制造产业发展芜湖（繁昌）高峰论坛暨2020年中国增材制造产业年会在安徽芜湖市举行，此次年会由工业和信息化部装备工业发展中心、安徽省经济和信息化厅、芜湖市人民政府指导，中国增材制造产业联盟主办，繁昌县人民政府协办，南极熊作为支持媒体对本次会议进行了直播。

△粉末冶金产业技术创新战略联盟副秘书长平韶波

在“中国增材制造产业发展芜湖（繁昌）高峰论坛”上，粉末冶金产业技术创新战略联盟副秘书长平韶波发表主题演讲，题目是《粉末冶金助力金属增材制造快速发展》，以下是本场演讲的现场速记，经大会组委会授权发布。
△视频：粉末冶金助力金属增材制造快速发展 演讲

平韶波：各位领导、专家及来宾朋友们，大家下午好。就像刚才左处长说的，增材制造领域有材料、有服务，有装备三大块，其中材料占了24%，这是一个非常重要的部分。就此，我从粉末冶金角度谈一下如何助力金属增材制造快速发展，一方面是粉末冶金工艺及产业概述，另一方面是粉末冶金与金属增材制造协同发展思考。

我们知道粉末冶金是以金属粉末为原料，经过成形和固结制造金属材料、复合材料及制品的一种绿色、可持续性制造技术。主要工艺包括制粉、混料、成形、烧结以及后续的后处理等一系列工艺。而粉末冶金技术之所以有它的优势，主要在于它的材料利用率比较高，而且零件的能耗又较低。右上角的两幅图上面那一个是美国金属粉末工业联合会的标识，下面是日本粉末冶金工业会的，它们都显现出了绿色环保的标识，也证明粉末冶金技术是21世纪首选的节能节材、绿色环保的金属成形解决方案。同时，粉末冶金技术也是新材料领域的朝阳技术，也是最关键的共性技术之一，可生产其他工艺无法制造的高硬度、耐高温、过滤分离等结构性、功能性、复合性的材料及制品。

这是粉末冶金制品的种类，我们可以看出种类非常丰富，而且覆盖领域非常广，从家电、汽车制造到金属行业、石油化工、航空航天都得到了广泛应用，比如摩擦材料、高温合金、硬质合金、金刚石工模具钢等都属于粉末冶金领域以及它的制品。同时，粉末冶金在国防军工关键战略领域也得到广泛应用，诸如航空航天领域的关键零部件、核电、兵器等方面的多种产品都属于粉末冶金的应用范围。

我们国家对粉末冶金非常重视，从《中国制造2025》当中发现，五项重点工程和十个重点领域中各有多个工程和领域与粉末冶金相关，诸如高温合金、3D打印以及钛合金等。而且从国家的《新材料产业发展指南》中，我们也把关键战略材料列为三大发展方向之一，而且到今年为止要实现30多种以上的关键材料产业化以及它的应用示范，同时从这30多种当中，有多种重点发展的材料与粉末冶金相关。譬如，高端装备用的特种合金以及稀土功能材料。保守估计，目前国内的粉末冶金全行业整体产值达到1500亿元，已经是全球前三。像图中展示的铁基粉末、铜基粉末等已居全球首位，相关同行也可以发现粉末冶金类企业现在已有千余家。

粉末冶金与增材制造有什么关系？如何助力增材制造的发展呢？

粉末冶金的原料与金属增材制造的原料有非常相似之处。粉末冶金的主要原料有如铁基、铜基、高温及难熔合金等粉末，而它的工艺采用雾化法、还原法、旋转电极法等。同时，我们知道粉末冶金的原料粉末粒度范围大概在1微米到100微米之间，而且有不同的形状，如球形以及不规则形状，还有一些其他的要求，纯净度高、氧含量低等。

这是我国选取的几种比较特殊的主要金属粉末的生产技术以及产品情况和发展趋势，可以看到铁基、铜基、高温合金、铝合金、钛合金这些大多与增材制造的原料相似，而且它的趋势逐渐在向球形化以及可靠性、低成本发展。

可以看出金属增材制造工艺的原材料当下最主要有不锈钢、铝合金、钛合金、高温合金这些粉末，基本涵盖在粉末冶金的原材料中。而且，金属增材制造的这五种工艺基本是粉末冶金制造工艺的延伸。我们可以发现金属增材制造现在最主要用的原料粉末粒度范围在25-45微米，但是要求形貌、球形度必须非常好，而且其他要求也与粉末冶金的其他要求基本相似。所以，目前粉末冶金工艺的主要原料已经覆盖了金属增材制造工艺的粉末原料，这从很大程度上可以节约金属增材制造粉末的成本。而且现有的金属增材制造工艺均为粉末冶金的主要制备工艺。如果我们金属增材制造工艺下产生了粉末有一部分达不到它所需要的25-45微米的要求，剩下过小或者过大的包括以及非球形粉末都可以重新应用在粉末冶金工艺当中，增加它的综合利用率和综合收益。

这张是当下世界各地与中国主要典型的制粉企业。传统的粉末巨头如美国、瑞典、德国、法国等还是以它们为主在做增材制造领域的粉末，而专业性的金属增材制造粉末厂商也有英国、加拿大、日本和德国的TLS。中国企业也有一部分涉足，如中国航发北京航空材料研究院、钢研高纳、中航迈特等，但是国内厂商的市场份额非常小。就像刚才所讲的金属增材制造材料占一部分，装备也占一部分，由于粉末要与打印机以及工艺相匹配，所以市场上目前为止金属增材制造粉末主要是由传统金属粉末巨头生产，由打印设备厂家捆绑销售并同时提供一些工艺参数。

目前国内金属增材制造行业的打印设备和原材料粉末处于跟踪模仿阶段，与国际先进水平尤其是国外领军企业差距明显。2018年底美国商务部出台了一份针对关键技术与相关产品的出口管制提案预告，涉及到3D打印工艺技术以及相关粉末生产装备、大规格热等静压装备等均在拟限制出口之列，所以有可能造成国产的金属增材制造出现“断奶”情况。当前，虽然国内外的经济政治形势比较严峻，但是有得必有失，在“卡脖子”技术产生的同时，面对重大挑战的同时也是给国内产业的相关企业、科研院所提供了机遇，促使我们开发创新，走上自主创新的道路。这是国际权威机构曾经预测在2025年，我们的金属增材制造工艺原材料粉末，全球市场份额可以达到50亿美金的市场规模，而且年增长率在39.5%。中国2025年的工艺原料粉末市场规模达到12亿，而且在《中国制造2025》当中，从技术路线图可以发现，未来十年对于金属增材制造的原材料粉末需求量也是非常可观的，年均增长基本在30%左右，今年需求量预估达到800吨，到2025年预计达到2000吨，所以市场其实是很可观的。

这是2014年麦肯锡做的一份报告，当时就预测增材制造与金属注射成形是接下来未来五年的顶尖技术。到2018年麦肯锡又重新做了一份报告，发现在十大先进制造技术当中，增材制造技术以及金属粉末注射成形技术位列最具潜力的技术前两名。因此我们可以发现增材制造技术确实是接下来一个时期的重点攻关技术。

然而我们怎么样把传统的粉末冶金工艺技术和增材制造技术协同发展？让它产生“1+1＞2”的良好趋势呢？传统粉末冶金技术有它的优势，但也有它的缺点，开发成本高、周期长；然而，增材制造可以缩短开发周期，但是它所带来的原材料和成本比较高，加工成本也比较高。因此，我们如果通过将增材制造以及传统的注射成形技术相互融合，既可以克服原有产品的开发周期，同时可以把增材制造的材料成本降下来，这将是我们协同发展的思路。美国Desktop Metal公司就研制出了3D打印+MIM技术和装备，他们已经获得了4.38亿美元的融资，而且估值非常高，达到3倍以上超过了15亿美元。但是相关的技术在国内还处于起步阶段，这张图是国外厂商采用的复合工艺技术。

另外，我们通过金属增材制造的产品还可以添加后处理工序如热等静压技术，来减少增材制造当中产品产生的缺陷，可以使它进行致密化。这张图就是对于增材制造通过热等静压技术明显改善产品表面和内部缺陷的实例。这是我们做了的实验，通过两种增材制造技术，一种是EBM，一种是DMLS，对比两种结果可以发现经过热等静压技术后处理之后，它们的性能均会有大幅度提升。

接下来我简单讲一下中国钢研科技集团在这方面的布局。正如刚才潘书记说的，钢研院也进驻了繁昌，在此成立了钢铁研究院华东分院。中国钢研集团在粉末冶金领域有巨大的优势，而钢铁研究总院、安泰科技、钢研高纳、钢研纳克、和钢研新冶在增材制造领域都有一定的优势和布局，不管是材料还是工艺方面。所以我们也是想把这种优势相结合，通过相关的同行企业加强合作，产生“1+1＞2”的良好效果。

中国钢研在金属增材制造工艺平台的建设上包括前处理、烧结成形等制造工艺搭建了相关的设备平台。目前，中国钢研开发的金属粉末大概有铁基合金、镍基合金、钴基合金和钨等几种，通过开发不同的系列以及不同的应用场景需要不同的粉末粒度。目前我们所制备的纯钨产品相比行业纯钨的性能已有一定的优势。

这是我们旗下的热等静压后处理平台。可以看出，从大尺寸的直径1.6×3.2米一直到小尺寸直径80×100mm都有相应的平台支撑我们的后处理工艺。所以对于增材制造与粉末冶金相结合，如何结合能实现它的效益最大化？这也是我们协同发展的思考。

因为这次是代表粉末冶金产业技术战略联盟作的报告。在这里简单介绍一下，粉末冶金产业技术创新战略联盟（CPMA）是2010年8月成立，发起单位一共有33家，含有冶金企业骨干、高等院校和科研机构等。当时，有幸请到了师昌绪师老在联盟成立大会进行了致辞。

CPMA主要是通过将制粉骨干企业、装备制造骨干企业和机械零部件的骨干企业以及主流用户，和高校院所加上一些投资、情报机构综合服务产生的联盟机构。主要目标就是集中全行业资源力量全面提高行业创新能力，同时促进相关产业结构升级，满足国家战略需求，形成产业链间持续稳定的战略合作关系。目前为止已经达到100多家。我们的名誉理事长有干勇院士，专家委员会主任为黄伯云院士。从2013年10月份已经上升为国家试点联盟，我们在2017年《产业技术创新联盟活跃度评价报告》中，联盟以满分100分的成绩连续3年位列第一名，入围“创新中国年度服务平台”名单。而且2018年我们在北京成功主办了世界粉末冶金大会暨展览会，这也是世界粉末冶金大会60年来首次在中国举办。

2015年国家标准化改革有一个国务院的文件，而且要建立政府主导制定的标准与市场自主制定的标准协同发展、协调配套的新型标准体系，打破政府单一制定的格局。联盟从2017年底成立了标委会。我们对于增材制造方面已经有《3D打印医疗植入物用钛金属粉末》团体标准，因为今年疫情有一些耽搁，但现在已基本恢复，稍过段时间团体标准也将会完成发布。

最后借用欧洲粉末冶金协会的倡议，金属增材制造与传统的粉末冶金技术不是谁强谁弱的问题，而是互为补充，是优势相结合，协同发展的趋势。金属增材制造有它的优势，适合几公斤的小型或中型零件，而热等静压可以制造几百公斤的大型近终形零件，相信两者的技术结合将达到“1+1＞2”的效果。

我们也相信在各行业的共同努力下，通过材料的融合、工艺的结合以及应用组合、联盟合作的方式，突破增材制造新技术以及抓住当前增材制造发展新机遇，共创粉末冶金、增材制造协同发展的新局面。

谢谢大家，我的报告到此结束。