成果簡介：
本單位以3D打印金屬粉末耗材產(chǎn)業(yè)化制備技術開發(fā)為主導，目前已利用此項技術，開發(fā)出10余種鈦合金、鎳基高溫合金、模具鋼、不銹鋼等3D打印金屬粉末耗材，成功應用于航空、航天、模具、醫(yī)療等領域。
(1)鈦合金粉末
引進德國ALD公司最新一代無坩堝感應電極熔煉氣霧化制粉設備，主要制備適用于航空、航天等高端增材制造應用市場及具有廣泛應用前景的生物醫(yī)療領域的鈦合金粉末產(chǎn)品，生產(chǎn)的鈦合金粉末產(chǎn)品具有以下特點：①成分均勻無夾雜，氧含量低(≤1000ppm)，氮含量低(≤100ppm)，痕量元素含量可控;②球形度高(≥0.9)、流動性好(小于4s/50g);③打印制件力學性能優(yōu)良，抗拉強度1100-1200MPa，延伸率5-15%。④粉末粒度范圍可定制。
目前成熟在售鈦合金牌號有：TA0、TA2、TA7、TA12、TA19、TC4ELI、TC4、TC11、TC17、TC18、TC21、TC19等鈦合金;TiAl金屬化合物、NiTi形狀記憶合金等。
圖1 現(xiàn)階段所生產(chǎn)和銷售的增材制造用鈦合金金粉末
(2)高溫合金粉末
所研發(fā)的超音速緊耦合氣霧化技術，主要制備應用于制造渦輪盤、壓氣機盤、鼓筒軸、渦輪盤高壓擋板等發(fā)動機與燃氣輪機等熱端高溫承力轉動關鍵部件所需的鎳基高溫合粉末，使之即可應用于增材制造，也可應用于傳統(tǒng)
粉末冶金領域。其主要技術指標：①成分均勻無夾雜，氧含量低(≤150ppm)，氮含量低(≤100ppm);②粉末尺寸細小均勻且球形度高(≥0.9)、流動性好(小于20s/50g);③部分合金打印件力學性能優(yōu)良，抗拉強度1100-1200MPa，延伸率≥15%。④粉末粒度范圍可定制，生產(chǎn)成本低。
目前成熟在售鎳基高溫合金牌號有：GH4169、GH3536、K418、K477、GH3625、GH738、GH5188等。
圖2 現(xiàn)階段所生產(chǎn)和銷售的增材制造用高溫合金金粉末
(3)鐵基合金粉末
采用真空熔煉惰性氣體霧化技術制備不銹鋼等鐵基合金粉末，并形成以316L不銹鋼粉末、18Ni300模具鋼粉末為此類產(chǎn)品的典型代表，保證滿足國內(nèi)機械、化工、船舶、汽車、
儀器儀表、模具等行業(yè)需求的產(chǎn)能及粉末性能。鐵基合金粉末特性如下：①氧含量低(≤200ppm)，氮含量低(≤150ppm);②粉末尺寸細小均勻、球形度高(≥0.9)、流動性好(小于20s/50g);③力學性能優(yōu)良，抗拉強度500-600MPa，延伸率≥15%。④粉末粒度范圍可定制，生產(chǎn)成本低。
目前成熟在售鐵基合金牌號有：316L、304、17-4PH、15-5PH、18Ni300、H13、S136、Invar36、A100、300M、M2等。
圖3 基于本項目所研發(fā)的超音速緊耦合氣霧化技術生產(chǎn)的增材制造用不銹鋼粉末
(4)其他材料
包括以上提到的不銹鋼、模具鋼、高溫合金及成分改進后的品種，也包括上文中未提到的其他一些材料，如：鈷鉻鉬合金、
鋁合金、高速鋼等。
應用案例
上海材料研究所近年來以高品質增材制造金屬粉末耗材作為新材料領域技術創(chuàng)新的戰(zhàn)略布局重點，實現(xiàn)了一系列技術突破，開發(fā)出多項具有自主知識產(chǎn)權的高球形度氣霧化粉末制備技術，技術水平達到國內(nèi)領先。工程中心積極探索與中天科技集團合作新模式，已于2018年與中天科技集團合資成立了中天上材增材制造有限公司，完成了2000萬元產(chǎn)業(yè)化技術的重大成果轉讓，積極推動的增材制造材料的工程化和產(chǎn)業(yè)化進程。中天上材增材制造有限公司依托于上海材料研究所領先的增材制造技術和重大科技成果，借助中天科技集團的雄厚資本和優(yōu)秀管理運營模式，實現(xiàn)技術和資源的對接，優(yōu)勢與潛力的互補，用技術創(chuàng)新來驅動產(chǎn)業(yè)發(fā)展，用產(chǎn)業(yè)發(fā)展來帶動技術創(chuàng)新的新型發(fā)展模式，打造成國內(nèi)增材制造金屬材料領域的領導者與龍頭企業(yè)，進一步推動高品質增材制造用金屬粉末耗材及技術服務的發(fā)展，現(xiàn)已實現(xiàn)大批量的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，為中國增材制造金屬材料領域事業(yè)做出更大的努力。
研發(fā)背景
金屬材料3D打印技術是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬材料，使用選擇性激光燒結(SLS)、選擇性激光熔化(SLM)以及電子束熔融(EBM)等技術，通過逐層打印的方式來構造物體的快速成形技術。國外在3D打印金屬粉末的發(fā)展非常迅速，目前3D打印金屬粉末材料的市場主要被國外產(chǎn)品所占據(jù)。目前國內(nèi)市場上的金屬粉末主要面向于粉末冶金制品加工，與3D打印的技術要求尚有距離。
我國正在高速發(fā)展的快速成型制造行業(yè)對耗材的制備提出了迫切需求。目前，國外的耗材成本較我們的材料成本高2倍以上，國內(nèi)長期依賴進口耗材，訂購時間長，費用高，而我們的產(chǎn)品避免了這些缺點。本所研制出的耗材改變了我國高品質球形金屬粉末受制于人的現(xiàn)狀，推動和引領了高品質球形金屬粉末及制品的發(fā)展。
作用原理
本項目所用合金粉末制備的工藝路線是：合金原料→熔化→氣霧化→粉末收集→粉末分級→粒度配比→粉末后處理→包裝。生產(chǎn)出多種適用于SLM、EBM和LENS等3D打印技術的金屬粉末耗材。
市場分析
從全球增材制造金屬粉末需求趨勢來看，未來3-5年將迎來3D金屬粉末市場的快速發(fā)展。市場研究機構Markets發(fā)布了一份關于增材制造粉末市場預測的研究報告《增材制造粉末市場的全球預測2020(3D Printing Powder Market- Global Forecast to 2020)》，該報告稱，因基于粉末材料打印的技術關鍵專利到期以及技術進步、新產(chǎn)品開發(fā)等因素的刺激，全球增材制造粉末材料的市場銷售額在五年內(nèi)將達到6.369億美元，折合人民幣約41億，2015年到2020年間的年復合增長率為24.4%。
按當前增材制造金屬粉末市場份額統(tǒng)計，北美地區(qū)約占全球金屬粉末市場的40.4%，其次分別為歐洲和亞洲太平洋地區(qū)。有報告預計2015—2020 年中國和印度等發(fā)展中國家金屬粉末市場的發(fā)展速度較快，由于國內(nèi)快速發(fā)展的行業(yè)需求和城市化進程，中國金屬粉末市場的發(fā)展速度將較其他國家更快。同時中國作為未來先進制造業(yè)轉型升級的大國，有望在短期內(nèi)成為世界增材制造產(chǎn)業(yè)的重要市場。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)工業(yè)級增材制造設備裝機量已突破700套，其中金屬增材制造設備裝機量超過400，預計未來3-5年內(nèi)裝機量將呈倍數(shù)增長。按照每年每臺打印機年需求量1-2噸，按此估算，未來3-5年內(nèi)國內(nèi)金屬增材制造粉末材料需求總量將超過12000噸。
綜上所述，無論是在國際市場，還是在國內(nèi)市場，增材制造都存在著巨大的增長潛力，市場前景可觀，可想而知，作為金屬增材制造原材料的金屬粉末的市場需求前景極其廣闊。與此同時，由于標準與規(guī)范的缺失，增材制造材料與制品的檢測與評價技術服務目前在國內(nèi)基本處于空白階段，市場前景潛力巨大。
聲明：
“3D打印用高品質球形金屬粉末” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術網(wǎng)
來源：上海材料研究所
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2024年12月27日 ~ 29日 
