摘要：3D打印技術(shù)是快速原型制造技術(shù)的一種,也被稱為增材制造技術(shù),被譽為"第三次工業(yè)革命"的核心技術(shù),其中金屬3D打印被認為是將來制造業(yè)的主導(dǎo)方向.金屬粉末材料是金屬打印的物質(zhì)基礎(chǔ),同時也是3D打印技術(shù)發(fā)展的突破點.綜述了3D打印金屬粉體材料的研究現(xiàn)狀,重點介紹了鈦合金、鋁合金、不銹鋼、高溫合金和鎂合金等5種金屬粉體材料在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用,并對金屬粉體材料的運用進行總結(jié)和展望.

  3D打印對原材料的要求比較苛刻，滿足激光工藝的適用性要求所選的材料需要以粉末或絲棒狀形態(tài)提供。材料融化后在軟件程序驅(qū)動下，自動按設(shè)計工藝完成各切片的凝固，使材料重新結(jié)合起來，完成成型。由于整個過程涉及材料的快速融化和凝固等物態(tài)變化，對適用的材料性能要求極高，從而材料成本居高不下。比如，即使打印一個手機大小的產(chǎn)品，整個耗材價格至少要150元以上?；诖?，未來3D打印產(chǎn)業(yè)需要不懈追求的目標(biāo)仍將是：“研發(fā)出更多種類的材料”、“使材料獲得與工藝更匹配的性能”、“實現(xiàn)更高的制備工藝精度和更廉的原材料價格”以及“將3D打印的直接制造技術(shù)應(yīng)用到更多更廣的領(lǐng)域”。  

  3D打印技術(shù)包括“快速原型制造技術(shù)”和“金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)”2大類。目前公眾所了解的3D打印成果和案例大多屬于“快速原型制造技術(shù)”范疇。其實快速原型制造的范疇比較廣，除了3D打印還有“熔融沉積造型”、“選擇性激光燒結(jié)”、“立體印刷”、“疊層實體造型”等多種方式。因此，3D打印并不能完全涵蓋“快速原型制造”，而只是實現(xiàn)快速原型制造的路徑之一。另外一個分支是高性能的金屬零件直接制造，這一領(lǐng)域可謂意義重大，但難度也更大，對材料和設(shè)備的要求極其苛刻，是3D打印技術(shù)的制高點。（1）快速原型制造用材料  快速原型制造即通常所說的快速成型，近年來應(yīng)用不斷拓展，發(fā)展極為迅速，已成為工業(yè)模型設(shè)計與制作中的一項關(guān)鍵技術(shù)。最早主要是做樹脂、石蠟、紙等原型件，用途集中在新產(chǎn)品的快速設(shè)計方面，通過該技術(shù)可以簡便、快速地實現(xiàn)設(shè)計的優(yōu)化和產(chǎn)品的評估，由于其“所見即所造”的特點，能夠省去大量生產(chǎn)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，從而顯著縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，最終使新產(chǎn)品的研發(fā)成本顯著降低。我國3D打印目前2億元/a的產(chǎn)值基本來源于此。近年快速成型加入選擇性激光燒結(jié)工藝，使3D打印在保持高效率的同時，制造精度也得到顯著提升。

   目前3D打印快速成型用特種粉體材料大多是設(shè)備工藝廠商針對各自設(shè)備特點定制的，優(yōu)點是與專屬設(shè)備的適用性好、研制難度相對小，缺點是材料的產(chǎn)業(yè)通用性差、產(chǎn)品成型過程的精度有待提高、產(chǎn)品成型后的強度較低?？梢姡破繁砻婢仁芊勰┰奶匦缘闹萍s明顯，工藝對材料依賴性不容忽視。（2）高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)用材料  高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)起步于20世紀90年代初，工藝難度比較大，主要采用高功率的能量束如激光或電子束作為熱源，使粉末材料進行選區(qū)熔化，冷卻結(jié)晶后形成嚴格按設(shè)計制造的堆積層，堆積層連續(xù)成型，形成最終產(chǎn)品。到目前為止，工業(yè)上的小型金屬構(gòu)件直接制造相對容易，體積較大的金屬構(gòu)件的直接制造難度非常大，對材料和工藝控制的要求很高。這將是增材制造產(chǎn)業(yè)推動相關(guān)工業(yè)發(fā)展的重點方向，也將是一項關(guān)鍵技術(shù)。其最大的難度在于材料和成型工藝。以鈦合金為例，激光熔化后的材料凝固會造成鈦合金體積收縮，造成巨大的材料熱應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力對小型構(gòu)件影響不大，但隨著零件尺寸的增加，成型變得非常困難，即使能夠成型也會由于大的內(nèi)應(yīng)力嚴重影響材料強度。第二個難題是材料冷卻結(jié)晶過程復(fù)雜，材料結(jié)晶過程很難定量控制，一旦出現(xiàn)晶體粗大、枝晶等必將造成材料成型后的力學(xué)性能不佳等問題，最終結(jié)果就是關(guān)鍵構(gòu)件沒辦法獲得實際應(yīng)用。   

   高性能金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)自問世伊始，就與配套材料的發(fā)展密不可分。近年來，金屬構(gòu)件直接制造所使用的高性能特種粉體材料備受關(guān)注。歐美等國已經(jīng)比較成熟地實現(xiàn)了小尺寸不銹鋼、高溫合金等零件的激光直接成形，未來高溫合金、鈦合金材質(zhì)大型金屬構(gòu)件的激光快速成形作將成為主要技術(shù)的攻關(guān)方向。我國北京航空航天大學(xué)團隊在這一領(lǐng)域走在了世界前列，他們通過激光直接制造成套裝備的研制和對大型鈦合金金屬結(jié)構(gòu)件成形原理的探究，已掌握高性能金屬構(gòu)件直接制造核心技術(shù)，其成果已應(yīng)用于多種型號飛機的研制中。但國內(nèi)用于金屬構(gòu)件直接制造的材料主要依賴進口，國產(chǎn)化的同類材料。目前還存在著氧含量高、球形度差、成分均勻性差以及粒度分布不佳等問題，這在一定程度上限制著我國高端3D打印產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。 

   合金粉末內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)對3D打印最終產(chǎn)品的影響較大，組織粗大的粉末熔覆性能較差。高性能金屬構(gòu)件直接制造用特種粉末要求低氧含量和高球形度，行業(yè)內(nèi)主要由氣霧化和真空氣霧化工藝制備。合金粉末的制備方法主要有水霧化、氣霧化和真空霧化等，其中真空霧化制備的粉末具有氧含量低、球形度高、成分均勻等特點，應(yīng)用效果最佳。 

   高性能金屬構(gòu)件直接制造所用材料主要是鈦及鈦合金粉末材料和鎳基或鈷基的高溫合金類粉末材料。鈦及鈦合金粉末材料采用粉末冶金法制造零部件是少切削或無切削的近凈成型工藝，金屬的利用率接近100%，是降低鈦及鈦合金零件使用成本的最佳方式。目前鈦及鈦合金粉末制備方法主要有等離子旋轉(zhuǎn)電極、單棍快淬、霧化法等，其中旋轉(zhuǎn)電極法因其動平衡問題，主要制備20目左右的粗粉；單棍快淬法制備的粉末多為不規(guī)則形狀、雜質(zhì)含量高，而氣體霧化法制備的粉末具有氧及其他雜質(zhì)含量低、球形度好、粒度可控、冷卻速度快、細粉收得率高等優(yōu)點，是高品質(zhì)鈦及鈦合金粉末的主要制備工藝。   

   國外鈦及鈦合金粉末的研究由來已久，技術(shù)相對成熟，美國在1985年發(fā)表了水冷銅坩堝惰氣霧化法的zhuanli，在1988年建立起年產(chǎn)11t的粉末研制線；而日本在1990年已建立年產(chǎn)60t的惰氣霧化粉末生產(chǎn)線，并實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)；而國內(nèi)在霧化設(shè)備及粉末制備工藝方面，主要為移植和仿研，高性能制粉設(shè)備仍以進口為主，在水冷銅坩堝制備技術(shù)、底注式霧化方式等方面仍和國外差距較大；在粉末制備方面，目前粉末的粒度主要集中于：40～300目之間，雜質(zhì)元素如鈣、氫、氧等也高于國外同類產(chǎn)品水平，如國內(nèi)制備的真空鈦合金釬焊料由于雜質(zhì)含量高，在使用過程中存在潤濕性差、焊縫質(zhì)量不均勻、焊接強度低等問題。

  鎳基或鈷基的高溫合金粉末的制備方法主要有霧化法、旋轉(zhuǎn)電極法、還原法等。霧化法主要有二流霧化、離心霧化等方法。氣霧化（含真空霧化）屬于二流霧化，具有環(huán)境污染小、粉末球形度高、氧含量低以及冷卻速率大等優(yōu)點。經(jīng)歷近200年的發(fā)展,氣霧化已經(jīng)成為生產(chǎn)高性能金屬及合金粉末的主要方法。不過，霧化合金粉末易也出現(xiàn)一些缺陷，例如夾雜物、熱誘導(dǎo)孔洞、原始粉末顆粒邊界物。對于3D打印技術(shù)來說，粉體材料中夾雜物和熱誘導(dǎo)孔洞都會對成型部件產(chǎn)生影響。二、我國3D打印及其專用材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀    3D打印技術(shù)在我國還處于發(fā)展初期，產(chǎn)業(yè)體量相對較小。同時，中國制造業(yè)各個環(huán)節(jié)對3D打印技術(shù)的認識還存在很多不足。從實際發(fā)展情況來看，截至目前3D打印并沒有實現(xiàn)成熟的產(chǎn)業(yè)化，從設(shè)備到產(chǎn)品再到服務(wù)仍停留在“高級玩具”階段。但是，國內(nèi)從政府到企業(yè)，普遍認可3D打印技術(shù)的發(fā)展前景，政府和社會普遍關(guān)注未來3D打印技術(shù)將對我國現(xiàn)有的生產(chǎn)、經(jīng)濟、制造模式等造成的影響。  根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，目前，我國對3D打印技術(shù)的需求并非集中在設(shè)備上，而是體現(xiàn)在對3D打印用耗材種類多樣性和對代理加工服務(wù)的需求上。工業(yè)客戶是我國采購3D打印設(shè)備的主力軍，他們所購買的設(shè)備主要用于航空、航天、電子產(chǎn)品、交通工具、設(shè)計、醫(yī)療、文化創(chuàng)意等行業(yè)。目前，3D打印機在中國企業(yè)的裝機量約500臺，年增速為60%左右。即使這樣，目前的市場規(guī)模也僅為1億元/年左右。而3D打印用材料的研發(fā)和生產(chǎn)潛在需求規(guī)模已近10億元/年，隨著設(shè)備工藝的普及和進步，規(guī)模還將迅速增長；同時3D打印相關(guān)委托加工服務(wù)非常火爆，多家代理3D打印設(shè)備的公司對激光燒結(jié)工藝和設(shè)備應(yīng)用已非常成熟，可對外進行加工服務(wù)，由于單臺設(shè)備價格一般在500萬元以上，市場接受度不高，但代理加工服務(wù)卻非?；鸨?。   

   目前，我國3D打印用材料大都由快速成型廠家直接提供，尚未實現(xiàn)第三方供應(yīng)通用材料的模式，導(dǎo)致材料的成本非常高。同時，國內(nèi)尚無針對專用于3D打印的粉末制備研究，對粒度分布、氧含量要求嚴格，有些單位采用常規(guī)的噴涂粉末替代使用，存在著很多的不適用性。  在3D打印快速成型方面，研發(fā)和生產(chǎn)通用性更強的材料是技術(shù)提升的關(guān)鍵。解決好材料的性能和成本問題，將更好地推動我國的快速成型技術(shù)的發(fā)展。目前，我國3D打印快速成型技術(shù)使用的材料大多需從國外進口，或設(shè)備廠家自己投入巨大精力和經(jīng)費研制，價格昂貴，致使生產(chǎn)成本提高，而國內(nèi)該機器使用的材料其強度、精度都較低。3D打印材料國產(chǎn)化已勢在必行。  在高性能金屬構(gòu)件直接制造方面，需要低氧含量、細粒徑、高球形度的鈦及鈦合金粉末或鎳基、鈷基高溫合金粉末，粉末粒度以-500目為主，氧含量宜低于0.1%，且粒徑均勻，目前高端的合金粉末和制造設(shè)備還主要依靠進口。而國外常將原材料與設(shè)備捆綁銷售，賺取大量的利潤。以鎳基粉末為例，原材料成本約200元/kg，國產(chǎn)產(chǎn)品售價一般為300～400元/kg，而進口粉末售價常在800元/kg以上。    近年來，我國3D打印技術(shù)發(fā)展較快，但3D打印材料一直是國內(nèi)3D打印業(yè)發(fā)展的“短板”。3D打印最重要的材料———金屬粉末主要依靠進口，價格十分昂貴。頂立科技攻克了此類技術(shù)的難題，開發(fā)出球形鈦粉等金屬基3D打印材料，解決了3D打印企業(yè)無米下炊的困境，填補了該類材料的國內(nèi)空白。這類材料具有球形度、流動性好等特點，是金屬基3D打印技術(shù)的首選材料，將主要應(yīng)用于制造航天結(jié)構(gòu)件、承重件、航空發(fā)動機高溫合金渦輪盤、火力發(fā)電機渦輪等耐高溫、耐沖蝕等惡劣環(huán)境下的零部件。下階段頂立科技計劃與北航、國防科大等單位進行深入合作，在2014年將形成批量生產(chǎn)，將產(chǎn)品推向市場，實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化。