成果簡介：

(1)壓力-氣體霧化制粉技術及裝置

以提高微細球形金屬粉末的細粉收得率為目標，開發(fā)出壓力-氣體霧化制粉技術及裝置。在該工藝中，熔體在正壓驅動下可以通過出口孔徑較小的導流嘴，隨著導流嘴出口孔徑的減小，從導流嘴流出的射流變細，射流的特征表面能與不穩(wěn)定性增加，從而提高了后續(xù)的高壓氣流霧化效率，進而提高了細粉收得率;由于射流的維度較低，霧化過程可以在較低的霧化壓強下進行，霧化介質的消耗流量隨之降低;在壓力作用下，射流的速度較高，彌補了由于熔體維度降低而造成的熔體流量損失。向熔煉室內反充惰性氣體至正壓所消耗的氣體量很小，譬如，熔煉室的內徑為1 m，高度為1 m，向熔煉室內反充氮氣至正壓1MPa，所消耗的氣體量僅約為一個標準氣瓶的氣體量(型號：wma219-40-15，GB5099標準，容積：40L)。通過調節(jié)施加在熔體上方的正壓和導流嘴的出口孔徑，可以實現金屬熔體流量的大范圍調控，保證產量。設備結構簡單，與傳統氣體霧化設備相比，主要是將熔煉室部分改為壓力容器，且工作壓力不高于1 MPa，為第一類低壓容器，成本較低，爐蓋和爐體連接處增加了鎖緊和正壓密封裝置，安全易控。通過本項目制備方法制得的金屬粉末球形度良好、細粉收得率高、粒度分布窄，而且工藝設備簡單、連續(xù)性強，適于工業(yè)化生產并可廣泛應用。

(2)氣體霧化粉末衛(wèi)星粉控制技術

氣體霧化粉末，尤其是輕合金粉末，普遍存在衛(wèi)星粉現象，即小顆粒在大顆粒表面粘附的現象。衛(wèi)星粉在粉體表面的粘附，降低了粉體的球形度、流動性、松裝密度等，對粉體的打印工藝造成不利影響，也是造成打印件致密度低與機械性能差的重要因素之一。本項目基于減少顆粒-熔滴碰撞來源與抑制顆粒-熔滴碰撞粘接過程兩條途徑，建立多層次、多尺度的衛(wèi)星粉控制機制：在宏觀尺度上，通過向霧化室內引入輔助氣流或優(yōu)化霧化室結構，抑制霧化室內回流，減少粉塵回旋，進而降低顆粒/液滴之間的碰撞頻率;在介觀尺度上，通過霧化工藝及熔體特征控制，降低噴霧中霧滴的粒度分布寬度，即減小顆粒/液滴的尺寸差異，原則上可以減少顆粒/液滴的運動狀態(tài)差異，進而降低顆粒/液滴之間的碰撞頻率;在微觀尺度上，在顆粒與液滴之間引入排斥力，譬如施加外電場，使霧滴荷電，霧滴帶有同性電荷，庫侖排斥阻止霧滴在飛行過程中的碰撞接觸，從而抑制衛(wèi)星粉的形成。

(3)氣體霧化-顆粒共噴射制備顆粒增強金屬基復合粉末

利用3D打印技術制備復合材料，整個產品生產過程不受任何復雜結構和生產工藝限制，將極大地降低制造成本和縮短制造時間。目前，3D打印技術已用于試制纖維增強聚合物以及陶瓷基復合材料，但關于3D打印金屬基復合材料的報道較少，該領域的發(fā)展主要受制于缺少與3D打印復合材料工藝相匹配的原材料。既然微細球形金屬粉末是3D打印金屬材料的原材料，含有第二相顆粒的微細球形金屬基復合粉末應該是3D打印金屬基復合材料的一種理想原材料。該類金屬基復合粉末可以通過氣體霧化-顆粒共噴射工藝制備，其工作原理為：在氣體霧化過程中，攜帶有第二相顆粒的高速霧化氣流將金屬熔體擊碎，同時細小的第二相顆粒也會與金屬熔體以及霧化產生的金屬熔滴頻繁碰撞，具有足夠動能的第二相顆粒會嵌入甚至鉆入金屬熔滴形成復合熔滴，最終復合熔滴在高速氣流中快速凝固形成顆粒增強型金屬基復合粉末。在該工藝中，由于第二相顆粒在飛行過程中具有極高的動能，與金屬熔滴發(fā)生碰撞后，第二相顆粒會嵌入甚至鉆入金屬熔滴，與隨后凝固的金屬粉末基體以及表面建立緊密的連接。另外，該工藝屬于短流程固-液混合工藝，耗能少;省去了霧化金屬粉體與第二相顆粒的固態(tài)混合過程，降低了生產成本。

應用案例

(1)壓力-氣體霧化制備選區(qū)激光熔化用AlSi10Mg合金粉末

稱量AlSi10Mg合金10-15公斤，加入到熔煉坩堝內。爐蓋與爐體合嚴，抽真空至10-1Pa。液壓驅動金屬壓圈，使金屬壓圈上端突齒與爐蓋下端邊緣突齒對齊，使用定位螺栓將爐蓋和金屬壓圈相對位置固定，向熔煉室和霧化罐體內反充氮氣至1atm。開啟保溫爐加熱至設定溫度750°C，保溫。開啟熔煉爐中頻加熱，10 kw預熱，40 kw化料，加熱至設定的熔煉溫度750 °C，20 kw保溫與電磁攪拌。向熔煉室內反充氮氣至預設正壓，一般為0.2-0.5atm。開啟旋風分離器，關閉保溫爐加熱。傾轉熔煉坩堝，將熔體轉移至保溫坩堝，熔體從導流嘴流出，導流嘴孔徑2-4 mm。開啟霧化器，霧化氣體壓力2.0MPa。當導流嘴孔徑為2mm時，制備的AlSi10Mg合金粉末球形度高于0.92，53微米以下粉末收得率高于40%，氧含量低于300ppm，SLM成形件的拉伸力學性能達到或優(yōu)于進口粉末水平。

(2)氣體霧化粉末衛(wèi)星粉控制技術

通過向霧化室內引入輔助氣流，優(yōu)化霧化室內流場結構，抑制衛(wèi)星球的形成，提高了粉末的球形度和表面質量。調節(jié)輔助/霧化氣流流量比，隨著輔助/霧化氣流流量比的增大，由霧化氣流引起的介于霧化室中軸線與霧化室壁之間的回流被壓縮。當輔助氣流流量與霧化氣流流量相當時，霧化氣流引起的回流消失。在這種情況下，粉塵回旋得到了抑制，霧化室內氣體-液滴-顆粒三相流的紊亂程度降低，粉體表面衛(wèi)星粉的粘附大大減少。

(3)氣體霧化-顆粒共噴射制備顆粒增強金屬基復合粉末

采用轉盤式送粉器，將SiC粉體輸送進霧化器，粉體體積中值粒徑d50,3 ≈ 6.05 μm，粒度范圍2-20 μm，送粉量可以達到20 kg/h。霧化氣體與SiC粉體一同從霧化器噴孔噴出，霧化氣體壓強2MPa，形成高速顆粒負載氣流，并擊碎從導流管流出的AlSi10Mg合金熔體射流。鋁合金熔體/熔滴與SiC粉體相互作用，形成復合熔滴，最終凝固形成SiC顆粒增強AlSi10Mg合金復合粉末，粒徑范圍25-150 μm的復合粉末中SiC顆粒的融入體積分數達到15%。

研發(fā)背景 

增材制造又稱3D打印，依據三維CAD模型，通過材料逐層累加的方式成形零件，可以實現傳統工藝難以或無法加工的復雜結構的快速制造。當前，全球范圍內新一輪科技革命與產業(yè)革命正在萌發(fā)，世界各國紛紛將增材制造作為未來產業(yè)發(fā)展的新增長點。2015年國務院發(fā)布《中國制造2025》，將增材制造技術和裝備研發(fā)上升至國家戰(zhàn)略發(fā)展高度。2016年國務院發(fā)布《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，指出重點發(fā)展增材制造技術，開展高性能金屬結構件激光增材制造控形控性等基礎理論研究，將3D打印材料列為重點發(fā)展的先進結構材料之一，強調解決材料設計與結構調控的重大科學問題。金屬增材制造技術作為整個增材制造體系中最為前沿和最有潛力的技術，是增材制造技術發(fā)展的重要標志。目前，金屬增材制造技術主要發(fā)展為兩類穩(wěn)定的基于粉末原料的成形工藝：(1)基于同步送粉技術的激光熔融沉積技術(LMD)或稱激光立體成形技術(LSF);(2)基于粉床鋪粉技術的選區(qū)激光熔化技術(SLM)和電子束選區(qū)熔化技術(EBSM)。

增材制造金屬粉末有著自身獨特的特性，不僅影響工藝過程控制，也影響成形件的致密度與表面粗糙度，是金屬增材制造行業(yè)的技術難題。由于國內對增材制造金屬粉末的研發(fā)力度比較薄弱，打印粉材嚴重依賴進口;另外，國外對中國實施戰(zhàn)略封鎖，進口的打印粉材主要為低端粉末材料，對應用于航空﹑航天等領域的高性能粉末材料實施限售或禁售，嚴重制約了國內金屬增材制造技術與產業(yè)的發(fā)展。當前國內僅有少數以高校和科研院所做技術支持的企業(yè)針對金屬增材制造專用粉末進行研發(fā)，但由于起步較晚，在制粉技術創(chuàng)新、粉體性能控制以及制備工藝穩(wěn)定性等方面仍然落后于國際先進水平。因此，通過解決金屬增材制造專用粉末制備技術瓶頸背后的核心科學問題，加強金屬增材制造專用粉末特性及制備共性技術的攻關研究，對改善國產增材制造金屬粉末質量，降低原材料成本，打破國外對金屬增材制造粉體制備技術的封鎖具有重要的戰(zhàn)略意義。

本項目所開發(fā)的氣體霧化制粉技術主要圍繞如何進一步提高粉末細粉收得率、改善粉體質量、開發(fā)新型3D打印粉末材料等內容展開。

(1)細粉收得率是霧化制粉技術產業(yè)化關注的重要問題。傳統的霧化制粉設備和普遍采用的微細球形金屬粉末制備工藝流程普遍存在細粉收得率偏低的問題，提高了粉末產品的成本，降低了市場競爭力，制約了粉末冶金、噴涂、增材制造(3D 打印)等先進制造技術的產業(yè)化進程。例如，選區(qū)激光熔化(SLM)工藝用金屬粉末的粒徑區(qū)間一般 < 53微米。采用超音速真空氣體霧化技術制備的鋁合金粉末，該粒徑區(qū)間的粉末收得率一般低于35%，進口及國產粉末的價格均達到500-900元/公斤。

(2)氣體霧化粉末，尤其是輕合金粉末，普遍存在衛(wèi)星粉現象，即小顆粒在大顆粒表面粘附的現象。衛(wèi)星粉在粉體表面的粘附，降低了粉體的球形度、流動性、松裝密度等，對粉體的打印工藝造成不利影響，也是造成打印件致密度低與機械性能差的重要因素之一。在激光熔融沉積工藝(LMD)中，粉體通過送粉器的負載氣流被輸送到熔化區(qū)，粉體的流動性降低會引起粉體的輸送流量降低，形成粉體稀薄區(qū);在基于粉床鋪粉技術的選區(qū)激光熔化工藝(SLM)與電子束選區(qū)熔化工藝(EBSM)中，粉體通過鋪粉棍或刮刀在粉床鋪展，粉體的流動性降低，會導致粉末沉積層中形成分散的空隙聚集區(qū)。粉體稀薄區(qū)與空隙聚集區(qū)的存在均會促進金屬增材制造構件中孔洞的形成。

(3)利用3D打印技術制備復合材料，整個產品生產過程不受任何復雜結構和生產工藝限制，將極大地降低制造成本和縮短制造時間。目前，3D打印技術已用于試制纖維增強聚合物以及陶瓷基復合材料，但關于3D打印金屬基復合材料的報道較少，該領域的發(fā)展主要受制于缺少與3D打印復合材料工藝相匹配的原材料。美國加州大學通過靜電組裝技術將納米ZrH2顆粒與7075鋁合金粉末復合，在打印過程中產生大量形核質點，使得柱狀晶變成抗熱裂性能高的等軸晶，實現了7075鋁合金無裂紋SLM成形，但靜電組裝復合技術離實際的工程應用仍有較大的技術障礙。在目前的3D打印金屬基復合材料嘗試中，一般通過機械混合或合金化使金屬粉體和第二相顆粒復合，制備出復合粉體，作為后續(xù)成形工藝的原材料。但在機械混合過程中往往會產生分層現象，導致金屬粉體與第二相顆?；旌喜痪鶆?在機械合金化工藝中，第二相顆粒在高能球磨的作用下會固溶進金屬粉末基體，在后續(xù)的熱處理過程中原位析出，但該工藝耗能較大，成本較高。另外，在機械混合或合金化過程中可能降低粉體球形度與流動性，增加粉體氧含量，對增材制造成形工藝及產品性能帶來不利影響。

作用原理

 (1)壓力-氣體霧化制粉技術及裝置

根據Lubanska經驗公式(載于J. Metals，2卷，45-49頁，1970)：

熔體霧化后產生的液滴的體積中值粒徑(d50,3)隨著導流嘴的出口孔徑(d0)的降低而降低，Klub為經驗常數，中括號內各項從左至右依次代表了熔體/氣體運動粘度比、熔體韋伯數以及熔體/氣體質量流量比?？芍?，采用出口孔徑較小的導流嘴，可以提高金屬粉末的細粉收得率。

在傳統的氣體霧化工藝中，從霧化器噴出的高速氣流會在導流嘴前端形成負壓區(qū)，負壓值一般在10-4-10-2MPa數量級。熔體主要在該負壓以及重力作用下克服毛細作用與摩擦阻力通過導流嘴形成射流。為使熔體順利流出導流嘴，一般選擇出口孔徑較大的導流嘴。否則，熔體會由于阻力過大而流動緩慢或流不出導流嘴，進而凝固堵塞導流嘴。為了提高細粉收得率，本項目計劃采用較小出口孔徑的導流嘴。為了使熔體順利流出導流嘴形成全液態(tài)的微細射流，本項目采用在熔體上方施加壓力的方法，即向熔煉室內反充惰性氣體至一定正壓，將熔體壓出導流嘴。反充的惰性氣體一般為氮氣或氬氣。根據導流嘴出口孔徑的大小以及熔體的表面張力和粘度等物理性能，在熔體上方施加的驅動壓力范圍為0.01-0.8MPa。

在傳統的氣體霧化制粉設備中，熔煉室的爐蓋和爐體連接處不具有鎖緊和正壓密封功能，一般向熔煉室內反充惰性氣體至正壓0.01 MPa，爐蓋即可被頂起，且熔煉室不是壓力容器，承壓能力不高;另外，熔煉室和霧化罐體是相通的，向熔煉室內反充的惰性氣體會快速地進入霧化罐體，使熔煉室和霧化罐體內的氣壓達到平衡，不能在熔煉室和霧化罐體之間建立起穩(wěn)定的壓差。為了實現在熔體上方施加穩(wěn)定的正壓，本項目在爐蓋和爐體連接處采用鎖緊密封裝置，且按壓力容器標準設計熔煉室，最高承壓1 MPa;另外，將熔煉室和霧化罐體設計成兩個相互隔離的腔體，僅通過保溫坩堝底部的導流嘴相通。

(2)氣體霧化粉末衛(wèi)星粉形成機理

衛(wèi)星粉現象主要由氣霧化制粉過程中已凝固的顆粒與未凝固的熔滴相互碰撞引起的。顆粒/熔滴的碰撞主要由以下三個方面引起：1)霧化室內存在宏觀尺度的回流區(qū)，回流區(qū)通常會夾帶有大量回旋的小液滴(或粉塵)，這些小液滴已經凝固或者在隨回流上升過程中冷卻凝固成固體顆粒，這些小顆粒在回旋過程中極有可能被拖曳到兩相噴射區(qū)內，并與噴射區(qū)內的液態(tài)?半固態(tài)的液滴發(fā)生碰撞，最終以衛(wèi)星粉的形式粘附在凝固的大液滴表面;2)在噴射邊緣及內部存在介觀尺度的渦流，此類流體結構能夠卷吸顆粒/液滴，從而在渦流內部形成顆粒/液滴團簇。包含顆粒/液滴團簇的介觀尺度流體結構可以在噴射邊緣與內部轉移，可能會引起顆粒/液滴團簇與大尺寸熔滴的碰撞，導致衛(wèi)星粉的形成或粉末團聚;3)氣霧化產生的液滴粒度較分散，在噴射過程中，不同尺寸的液滴受霧化氣流的影響程度不同，小尺寸顆粒/液滴易被加速，可能會與前方的大尺寸液滴發(fā)生碰撞，導致衛(wèi)星粉的形成。

(3)氣體霧化-顆粒共噴射制備顆粒增強金屬基復合粉體

利用氣體霧化-顆粒共噴射工藝制備顆粒增強型金屬基復合粉末。在氣體霧化過程中，攜帶有陶瓷顆粒的高速霧化氣流將金屬熔體擊碎，同時細小的陶瓷顆粒也會與金屬熔體以及霧化產生的金屬液滴頻繁相互作用，具有足夠動能的陶瓷顆粒會嵌入甚至鉆入金屬液滴形成復合液滴，最終復合液滴在高速氣流中快速凝固形成顆粒增強型金屬基復合粉末。

市場分析 

隨著多年的發(fā)展，3D打印產業(yè)目前已形成基礎技術較成熟、新技術不斷創(chuàng)新的技術體系，材料部分的創(chuàng)新也層出不窮，逐漸成為航空航天、汽車、消費電子、醫(yī)療等領域的熱門技術。3D打印材料在3D打印產業(yè)中必不可少，占據著3成的份額。

(1)3D打印材料占據3D打印產業(yè)比重超3成

3D打印不僅可以一次單獨制造產品，而且還可以創(chuàng)建大量定制產品，這既可以節(jié)省大量的時間，減少浪費，還可以節(jié)約成本。以這種方式創(chuàng)建的產品也將更輕，但功能同樣強大，絲毫不遜于傳統方法創(chuàng)造的功能強度。根據市場研究機構IDC預計，2019年全球3D打印的市場規(guī)模將達到138億美元，比2018年擴大21.2%。其中，53億美元來自打印機銷售，42億美元來自打印材料銷售，38億美元來自打印服務。3D打印材料的占比達到30.43%。

(2)金屬3D打印材料發(fā)展?jié)摿Υ?br />
從3D打印材料類型來看，金屬耗材占比為39.4%，低于塑料的46.5%，主要由于金屬打印的產業(yè)化正處于快速擴張階段，設備端的增長領先于材料消耗的增長。非金屬3D打印通常使用塑料、樹脂材料等，金屬3D打印通常使用各類合金粉末和線材。相比傳統制造模式，非金屬3D打印的優(yōu)勢主要在于無?；涂啥ㄖ?，但受限于材料性能，其主要用于樣品和模具的生產，量和價都很難起來;而金屬3D打印除了具備無模化可定制優(yōu)勢外，在打印效率和打印質量上相比傳統金屬加工工藝均有較為明顯的提升，甚至能夠完成傳統工藝無法制造的高復雜度高精密度零部件的打印，具有更大的發(fā)展?jié)摿?。這點從企業(yè)材質需求也可以看出來。法國3D打印公司Sculpteo調研了全球1000多家應用3D打印的公司，從打印材質來看，2018年塑料的運用率高達65%，但卻從2017年的88%下降了23個百分點，唯一增長的材料是金屬，其需求從2017年的28%增長到了2018年的36%。以金屬3D打印產業(yè)化應用加速為契機，高價值量的工業(yè)級3D打印機的銷售規(guī)模持續(xù)擴大，3D打印正逐漸由消費級市場往高端制造市場滲透。

(3)材料成本占比不斷提高

原材料是金屬3D打印的制造成本中占比最大的一部分。DigitalAlloys以鈦合金粉末Ti6Al4V為例，對于SLM、EBM、DED、Binder Jetting、Digital Alloys等主流的金屬3D打印工藝的制備成本進行統計，發(fā)現每千克產品的打印成本中原材料成本是占比最高的(除SLM工藝外)，同時隨著成型精度、成型質量、打印時間的增長，設備、維護和人工的占比逐步提升，在打印質量最好的SLM工藝中，設備、維護和人工成本是占比最高的，其中也有專利保護因素，但是在打印效率越來越高、規(guī)模效應越來越明顯的趨勢下，材料成本占比將進一步提升。

(4)國際巨頭布局3D打印材料領域

近年來，隨著3D打印商業(yè)化應用持續(xù)推廣，打印材料的重要性愈發(fā)凸顯。目前國內的基礎3D打印材料已基本滿足國產設備的增材制造需要，但高性能金屬粉末耗材依然依賴進口，國產材料在純凈度、顆粒度、均勻度、球化度、含氧量等對打印成品性能影響較大的原料指標方面相比國外仍存在較大的差距。德國的EOS、TLS，瑞典的Arcam、Hoganas、Sandvik，比利時的Solvay等具備較強實力的金屬3D打印耗材供應商多數成立于2000年以前，在粉末冶金或金屬打印設備領域有較強的技術積淀。國內目前能提供高質量金屬粉末的公司包括中航邁特、飛而康、塞隆金屬、西安歐中、鉑力特以及新進入的鋼研高納、頂立科技等，這些公司或相關業(yè)務多數成立于2010年以后，近年來發(fā)展較快。此外，2016年以來全球大型材料制造商成立了專門的3D打印部門，如巴斯夫、杜邦等傳統材料企業(yè)紛紛開始布局專用材料領域，說明3D打印的產業(yè)應用價值已經得到廣泛認可，隨著商業(yè)化生產規(guī)模的持續(xù)擴大，更具增長彈性的材料端開始發(fā)力，尤其是處于產業(yè)化應用初期且技術難度較大的金屬專用材料領域。