20213ddy

在增材制造（3D打印）打印中，我认为金属打印是最重要也是最难的。因为它涉及到了材料学、激光、机械、包括计算机、数控一系列的技术集成，是一个系统化的过程。增材制造有比较好的优势，也存在阻碍我们去批量化生产。辽宁冠达新材料科技公司研发中心主任孙平生，从金属粉末面临的一些问题，提出我们对目前一些状态的思考。冠达新材料是一家高端金属粉末、金属材料研发生产企业，孙主任曾经带领团队开发出了一系列的高端金属粉末，并申请发明了四项专利。

用于增材制造的金属粉末种类比较少，3D打印的高温合金粉末牌号种类有上百种，应用成熟的可能就10多种、20多种。IN718、IN625是比较成熟的，很多用户和3D打印商在研究的例如IN738LC,GH3230,DD6,DZ125有的可能研究成功了，解决了开裂的问题，有的可能还处于初步阶段。粉末的种类能够成熟应用的包括现在开发的，对比传统的铸造，锻造行业还不那么完全。一方面是由于粉末并不完全适用于3D打印，另一方面是我们的技术、设备及用户并不能熟练地去做打印。各种多样的原因，导致现在粉末的种类比较少。

我们选择增材制造是为了快速成型，降本生效。以往做模具要节约成本节约时间，我们才更愿意去选择增材制造。作为粉末制造商，材料的原始成本，粉末的制造成本是我们需要去控制的，开发出质量更优、价格更低的金属粉末是我们每个粉末制造商的主要目标。把成本降下去把价格让出来，才能促进增材制造行业去做批量化大规模的发展。

增材制造专用的标准比较少，这是大环境下整个市场化不太成熟的标志。国内每家生产的粉末的粒度，成分可能都不一样，没有形成统一的标准。未来完善标准让生产规范化，市场成熟化是我们去努力的方向。

当我们接受客户要求去为客户做服务的时候，我们不仅要从粉末制造商本身去考虑，也要从打印用户角度去考虑。客户要做什么样的成型结构？想获得什么样的性能？硬度、耐蚀性需要达到怎么指标，还是需要做复杂结构件？想要达到什么样的性能？他的加工工艺是什么？是铺粉？送粉？或者热源是激光还是电子束？他打印的工艺，性能与要求决定了我要给他提供什么样的粉末。

客户要做什么样的，我们就要相应的做出调整。反过来，当我们去做调整的时候我们就要思考，获得高品质的粉我们需要去怎么做？用VIGA， EIGA，还是PREP，PA？同时，我们也要考虑粉末是不是球形，近球形或者其他特殊的要求。

材料性能能否达到，粉末流速，松装密度，耐蚀性能不能达到要求？我的成分偏析关不关键？我的杂质元素能控制什么范围？从客户需求反推我们的粉末要求，从粉末的要求反推我们的制作方法，从打印端到生产端建立一个系统的联系，用科学分析的方法制作优质粉末，对于打印也是制造高质量零件的一种思考方式。

气雾化制粉简化流程，钢液熔炼、钢液雾化、粉末筛分及产品检验，这些步骤都很关键，我们做正确的结论需要数据的支撑。在做气雾化粉末的时候，首先要了解粉末的形貌。一般来说，比较理想的气雾化粉末的形貌，球形、近球形有一些小的卫星粉也很正常，通过工艺的调整可以改善粉末表面质量，但不能完全消除各种各样的缺陷。

粉末不同的粒度段，15-45μm超细粉球形度好，缺陷是卫星粉多，它越细越容易没有流速。15-53μm打印段会出现异形粉，缺陷种类比较多，数量比较少。粗粉表面非常粗糙，光滑度非常差。因此粗粉和细粉表面一些杂质的因素状态还是不太一样，我们想获得什么样的粒度段去进行特定的分析，才能知道我们主要去规避的一些风险。

粉末形貌控制怎么去做？我认为有以下几点。第一，坩埚材质，一定要选择合适的坩埚，不同的合金有不同的坩埚选择。比如，我们一般的钢液就是中性碱性坩埚，炼铜炼银可以用石墨埚。通过我们分析，氧化钙坩埚除氧效果比较好。坩埚一方面是影响形貌，可能因为坩埚质量的问题导致钢液粘度高、球形度不好，也有可能因为坩埚造成了金属粉末含有陶瓷夹杂，所以坩埚的质量非常重要。

雾化器是整个雾化系统的心脏，我们设计雾化器后，首先要进行数值模拟，通过数值模拟对它的马赫数，速度，气体方向，包括它的回流区进行一个预测，这是很直观的，也节约成本。我们根据数值模拟获得想要的效果之后，再对设计的喷盘进行水流模拟，就是水模实验，用自来水，用低压去实验，更多是预测喷盘雾化效果，它的出气方向，出气密度和速度。数值模拟和水模实验对雾化器有初步的了解，对应用的喷盘进行生产试验，检验喷盘实际效果。每个产品本身性质不一样，雾化器的选择也是不一样的，对雾化器判断的时候一定是对应它相应的钢种，一个系统的评价。

我们对钢液进行分析，图例合金熔点范围： 240-266℃，也就是266℃以下钢液就开始凝固了。当我们选择600℃度去雾化的时候，过热度大概是340℃。我们都知道在VIGA中过热度一般选择200-300℃，一方面是钢液状态比较好，一方面是为了防止它堵嘴。熔点低选择过高的过热度，气体本身的能量对于钢液来说太大了。

我们对这个材料进行分析，发现它的表面张力和粘度，大概是我们高温合金的四分之一。它的表面张力和粘度很低，如果是同样做GH4169、IN718的工艺去做它，对于它这个材料本身来说能量过大了。我们对钢液分析，该产品合理的钢液过热度应该是100-200℃，要降低！这里面我觉得50℃的过热度也足够了，因为中间包的温度可以远远的高于266℃，不用担心它堵嘴，只要它有一定的粘度，有一定的表面张力，反而对产品更好。因此，咱们去做任何合金，通过热力学数据对钢液进行分析选择合理的过热度，能量不要过大也不要不小，才能做出比较合理的形貌。

还有一种方式就是增加辅助气流，就是增加喷盘的辅助气流。包括双喷嘴喷盘，改变雾化形貌都可以影响粉末的球形度。通过改变整个雾化室的大风场可以影响卫星球的出现，这个我是赞同的，但我认为也存在一些其它风险。比如你改变雾化室形貌，可能是为了防止粉末相互撞击，但是粉末与雾化室的碰撞，会不会产生一些其它的异形粉也是一种风险。

粉末的流动性、松装密度主要依靠生产工艺的调整，雾化器喷盘的调整，提高球形度减少空心球是根本的解决办法。在这个基础上去稳定粉末的流动性和松装密度，我们需要做真空烘干，气体保护储存，调整它的粒度，状态分布，双峰或者单峰分布，当粉末结块团聚的时候，我们可以通过升温去破坏团聚状态也是一种方法。不管是烘干还是加热，还是调粒度都是一种辅助方法，一种后处理方式，一种维持粉末流动性的方式，提高粉末的流动性还得从工艺上去做调整。

去评价粉末的流动性，不仅要评价它的霍尔流速，更要结合它的松装密度，或者一些其它的性能综合去评价。不能单看霍尔流速，因为材质本身决定了流速的范围，我们去改善粉末是可行的，但是不能无限制要求。

使用更纯净的原材料，电渣重熔，避免坩埚污染是防止夹杂物发生的主要办法。尤其对于定制化粉末新材料来说，客户只需要一炉，这一个生产设备不会只做一炉产品。去保证雾化系统的清洁度，筛分设备的清洁度是非常重要的，避免粉末之间的相互污染，是我们维持粉末质量的一个方式。

粒度分布没什么难度了，客户想要什么粒度我们去做什么。通过粒度的筛分方式去控制就可以了，因为出来的粉都是通粉。比如粗粉50微米以上的用超声波振动筛，细粉10微米以下的用气流分级机都是可以分离干净的。检测方法主要有两种，一种是干筛分法，一种是激光粒度分析仪。对于粗粉来说，用干筛分法比较合理，细粉用激光粒度分析仪，更能直观的展示粉末的粒度。

对粉末最关键的控制就是成分控制。一般成分分为三类元素，一种是主控的，如Fe Ni Co W Cr…，还有其它杂质元素如S B Pb…，不稳定元素如Si Mn N…，我们对成分控制的时候首先要明确，哪些是我想要的，哪些是我不想要的，哪些我要做到什么范围，做到准确的分析。

稳定元素的控制就比较简单了，一、稳定元素几乎没有损耗， 但是要注意其他元素的损耗对其的影响， 例如CuNi合金会存在铜的损耗，造成镍的比例升高。二、原料的纯度需要考虑， 同时要关注微量杂质元素， 做到全面检验。 也可以选择中间合金。三、钢液精炼例如W， Ta， Nb等元素， 虽然化学性质稳定， 但是其熔点较高， 因此在钢液精炼时，其溶解速度较慢，因此高钨合金要延长精炼时间。四、装料顺序，难熔合金要放在上层。

亚稳定元素会因为挥发， 反应， 氧化， 溶解度的原因会使它们在钢中有一定的收得率， 并不是我们添加多少它就是多少。我们去进行成分控制时， 就要考虑添加量，添加时机，精炼时间， 熔炼氛围等对它都会有一定的影响。还有一类就是活泼元素，稀土元素（镧， 铈， 钇） ， 镁， 锆， 氮等， 这些元素由于极其活泼或低溶解度，成分比例越大越难以控制，对于这些元素我们一定要建立它与影响因素的一些关系式。

对于杂质元素的控制，大部分的杂质元素都是从原材料带进来的，我们从原材料中去规避它的成分就可以。不管是什么合金，成分稳定性是最重要的。

案例一，汽车用TWIP钢是一种低密度高强钢，主要添加了大量的铝锰碳元素，它的抗拉强度可以达到1500MPa，拉伸率可以达到80%，强度好塑性不错。在汽车里面用保险杠之类可以吸能的一些材料，做这种粉末成分控制非常重要。当我们接到这个粉末订单的时候，我们首先要考虑粉末要求：成分，粒度，松装密度，夹杂物等基于材料本身的性质做一些分析。

对钢液进行分析我们先去计算，利用热力学软件对它进行一些预测。比如它的熔点，表面张力，钢液粘度，钢液从1360℃奥氏体相开始析出至1330℃液相消失， 包括它的密度是多少，包括它的粘度，通过分析我们对比GH4169这种比较成熟的粉末，它的密度它的粘度相对于GH4169都很低。那我们去做生产的时候，就要考虑是不是要降低它的雾化能量，不要出现能量过剩的情况。

对钢液进行分析之后我们要确定工装工艺的选择。首先指定是全新碱性坩埚，设备清理做到无尘无杂质。筛分方式选择超声波振动筛300目，500目。对于产品本身密度轻， 超细粉会很多，更应该用气流分级机。气流分级机对超细粉去除有作用，为什么我没有选择？因为这是一个定制产品，我们的气流分级机做过其它的产品，如果清理不到位可能会污染。因此用振动筛去做，我们可能会损失一些粉末收得率，但更能保证粉末的清洁度。所以我们做定制化粉末的时候，一般不会选择气流分级机，对于批量化的产品才会去选择。

原材料是越纯越好，包括工业纯铁， 电解锰。出钢温度我选择过热度200℃计算，雾化压力3Mpa，铝碳锰有固定的添加工艺。我们对出来的产品进行测试，成分几乎是满足了目标。所以在做任何产品之前进行分析预测，结合合理的工艺选择一定能达到很好的效果。

高温合金粉末的制备，IN718,IN625比较成熟，还有一些我们正在改进的，比如IN738LC，我们也研究一些单晶的高温合金，DD6，DZ125，包括其它的GH4648，GH5188都是一些比较热点的增材制造高温合金粉末。

案例二、我们和客户合作的IN738LC的粉末制备，IN738LC因为它的铝钛含量高，有很强的裂纹敏感性，也是增材制造最为关注的。我们对裂纹进行分析之后，帮助客户去做一些形貌的分析，在粉末制备中我们做了一些元素含量的调整，在不影响它力学性能的前提下，配合用户打印解决裂纹的问题。

未来，我们公司对于增材制造包括与其它一些技术的结合，如数字孪生、 工业互联、智能制造等，我们去做的时候，作为粉末制造商我们要去做一个材料的基因库，有更多打印用户产生的合作平台。霍尔榜也是一个很好的平台，从我们的用户端、销售端，生产端建立一个系统的合作，这种资源共享也是我们努力的一个方向。

来源：辽宁冠达新材料科技、霍尔榜