气雾化法制备3D打印金属粉末的工艺研究进展.docx

3D打印又称增材制造，大多使用球形粉末作为原料，通过集中的热源选择地熔化粉末，并在随后的冷却中凝固形成打印件。金属打印件的质量和性能在很大程度上取决于金属粉末原料的特性。3D打印球形金属粉末应具有高球形度、小粒径、高振实、少或无空心粉和卫星粉、低杂质含量等特征。

气雾化法（GA）制备的金属粉末能较好地满足3D打印对金属粉末的性能需求。该方法制备的金属粉末粒径小，成分均匀，球形度高，流动性好，已实现规模化生产。采用气雾化法制备的球形金属粉末占3D打印金属粉末总产量的30%~50%，气雾化法已成为3D打印用球形金属粉末的主要制备方法。

气雾化法起源于20世纪20年代，是利用高速气流作用于金属液，将气体动能转化为熔滴表面能，进而形成微小金属液滴并冷却凝固成球形金属粉末的工艺。气雾化过程分为一次破碎、二次破碎及球化与凝固3个阶段。

气雾化制粉技术本身是一个气液两相流相互耦合作用的复杂过程。在气雾化法制备球形金属粉末过程中，金属液、雾化介质、雾化器结构等因素的改变均会对粉末特性产生一定的影响。

近年来，我国的粉末冶金工业快速发展，但粉末冶金产品的技术水平距离发达国家仍然具有一些差距，特别是在过程质量控制方面。

为了给从事3D打印用金属粉末研究的技术人员及生产研发人员提供参考，兰州金川科技园有限公司/国家镍钴新材料工程技术研究中心的研究人员从金属液、雾化介质、雾化器结构对粉末特性影响方面综述了气雾化法制备球形金属粉末的工艺研究现状。

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金属液对粉末特性的影响

过热度的影响

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金属液过热度是指雾化前金属液温度与金属熔点的差值。

刘再西等利用真空感应熔炼气雾化法制备3D打印用不锈钢粉末，研究了不同金属液过热度对粉末特性的影响，发现金属液过热度越大，金属粉末的细粉收得率越大，松装密度越高，流动性越好，确定最佳的金属液过热度为245K。

欧阳鸿武等将金属液过热度由150K分别提高至300K后，制备粉末的平均粒径相应从34.88μm下降至19.74μm；若金属液过热度过小，则金属液可能在破碎前就已经完全凝固，这会导致严重的颗粒粗化，甚至可能会堵塞喷嘴。

王轶等研究发现：当金属液过热度由150℃逐渐增加至300℃时，真空感应熔炼气雾化法制备的Pd-Ag-Cu粉末平均粒径由101μm降低至33μm，细粉收得率显著提高；但随着金属液过热度的持续增加，粉末平均粒径存在先降低后增大的趋势，且当粒径过热度超过一定值后，粉末球形度变差，卫星粉数量增加。

LUBANSKA用黏度和表面张力的变化解释了金属液过热度对颗粒尺寸的影响。根据E?tv?s定律，金属液的表面张力一般随温度的升高而降低，较低的表面张力能使金属液破碎更充分，因此粉末粒径更小。金属液的动力学黏度通常随温度的升高而减小，因此在一定温度范围内增加过热度后，金属液黏度降低，更易于被高速气流充分破碎，从而形成细小粒径的金属粉末；同时，适当增加过热度可使金属液滴在飞行过程中有足够时间进行冷却和凝固，更容易获得球形度较高的金属粉末。

综上，适当提高金属液过热度可制备出粒径小、球形度高的金属粉末，有利于提高3D打印件的综合性能，但是过大的金属液过热度会导致卫星粉增多，增加电力能源及设备负荷，从而大大增加生产成本。

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气液流量的影响

气液质量流率比（GMR）也是影响粉末粒径的主要参数之一。

MOUSAVI等通过调节雾化气体的质量流速，将GMR从0.55%增大到2.6%后，发现内部流场从复杂的气泡流变为环形流，从而降低了导液管出口处的金属液膜厚度。随着雾化气体流量的增加，喷嘴尖端的金属液膜变薄，一次破碎产生的液滴的平均尺寸减小。在一定条件下，粉末质量中值直径D50与金属液流量的平方根成正相关。

金属液流量对气流速度的衰减模式有影响。RICOU等研究发现，如果气流携带的流体密度大于其本身或流体流量较大时，气流速度均会快速衰减，致使最终粉末粗化。

由LUBANSKA总结的粉末平均粒径的经验公式可知，随着GMR的减小，所得粉末粗化趋势变得更加明显；LI等和XU等的研究也证明了这一点，同时还发现增大GMR不仅有利于获得小粒径粉末，还有利于提高目标细粉的收得率。

ZHENG等通过将直径70mm左右的棒材替换为直径2~5mm的丝材进行电极感应熔炼气雾化制粉，以此来降低进入雾化室的金属液流量，发现在雾化压力为4.0MPa和金属液过热度为350℃条件下，制备的粉末D50为40.2μm，其中粒径为0~53μm的细粉收得率达到了78%，远高于同等雾化条件下的棒材感应熔炼气雾化工艺。

通过增加气体流量或降低金属液流量来提高GMR可制备出粒径较小的金属粉末；然而过高的气体流量或过低的金属液流量会导致粒径小于15μm的超细粉占比增加，使得金属熔融后发生球化的程度增加，进而影响工件的表面质量；同时当金