3D打印用特种粉体材料产业发展现状与趋势

    3D打印（增材制造）技术目前已经成为全球最关注的新兴技术之一，其专用材料尤其是高性能金属构件激光直接制造用特种粉体材料产业发展前景很好。本文对3D打印用特种粉体材料产业国内外发展现状及未来趋势进行了阐述。一、国际3D打印产业及其专用材料研发现状1.全球3D打印产业发展现状
　　
　 世界各国正在不断加强3D打印技术的研发及应用。欧盟和美国引领着世界3D打印技术的发展，并在该技术的应用和推广领域获得先机。美国将“3D打印”研 发中心作为新建的15个国家制造创新中心之首，政府直接投资3000万美元进行支持；近日，美国国家航空航天局和洛克达因公司共同完成了3D打印火箭发动 机喷射器的测试，工时和成本骤降，全尺寸3D打印零件将是未来美国开发的重点方向；欧洲也十分重视对3D打印技术的研发应用，英国《经济学 人》杂志是最早将3D打印称为“第三次工业革命的引擎”的媒体；2013年10月份，欧洲航天局公布了“将3D打印带入金属时代”的计划，旨在为宇宙飞 船、飞机和聚变项目制造零部件，最终的目标是采用3D打印技术实现由一整块金属构成、不需要焊接或熔合的整颗卫星的整体制造；澳大利亚在2013年制定了 金属3D打印技术路线，并于2013年6月揭牌成立“中澳轻金属联合研究中心（3D打印）；德国将“选择性激光熔结技术”列入“德国光子学研究”；日本着 力推动3D打印产业链后端，不断尝试将本国已取得的技术成果在工业中进行推广和应用；南非政府将目光投向大型3D打印机设备的研制和开发，将核心激光设备 研制与扶持激光技术协同发展；我国地方政府也非常重视3D打印产业，珠海、青岛、四川双流、南京等地先后建立了多个3D打印技术产业创新中心和科技园。
　　
　  全球3D打印产业的权威研究机构——美国沃勒斯公司发布的全球3D打印产业报告显示，2012年全球3D打印市场总收入为22亿美元，其中包括设备和服 务。美国的产业收入一马当先，大约占全球总收入的60%，传统的制造业强国——德国和日本比较重视制造技术的革新，3D打印产业收入各约占全球的10%， 中国作为未来巨大的应用市场，产业收入已约占全球总收入的10%，有望成为世界3D打印产业的一极。据美国消费者电子协会最新发布的年度报告显示，3D打 印服务的社会需求量将逐年增长，其产值到2017年有望增长至50亿美元。2.3D打印用材料发展现状
　　
　有专家指出，3D打印的核心是它对传统制造模式的颠覆，因此，从某种意义上说，3D打印最关键的不是机械制造，而是材料研发。
　　
　  3D打印对原材料的要求比较苛刻，满足激光工艺的适用性要求所选的材料需要以粉末或丝棒状形态提供。材料融化后在软件程序驱动下，自动按设计工艺完成各 切片的凝固，使材料重新结合起来，完成成型。由于整个过程涉及材料的快速融化和凝固等物态变化，对适用的材料性能要求极高，从而材料成本居高不下。比如， 即使打印一个手机大小的产品，整个耗材价格至少要150元以上。基于此，未来3D打印产业需要不懈追求的目标仍将是：“研发出更多种类的材料”、“使材料 获得与工艺更匹配的性能”、“实现更高的制备工艺精度和更廉的原材料价格”以及“将3D打印的直接制造技术应用到更多更广的领域”。
　　
　  3D打印技术包括“快速原型制造技术”和“金属构件直接制造技术”2大类。目前公众所了解的3D打印成果和案例大多属于“快速原型制造技术”范畴。其实 快速原型制造的范畴比较广，除了3D打印还有“熔融沉积造型”、“选择性激光烧结”、“立体印刷”、“叠层实体造型”等多种方式。因此，3D打印并不能完 全涵盖“快速原型制造”，而只是实现快速原型制造的路径之一。另外一个分支是高性能的金属零件直接制造，这一领域可谓意义重大，但难度也更大，对材料和设 备的要求极其苛刻，是3D打印技术的制高点。（1）快速原型制造用材料
　　
　 快速原型制造即通常所说的快速成型，近年来应用不断拓展， 发展极为迅速，已成为工业模型设计与制作中的一项关键技术。最早主要是做树脂、石蜡、纸等原型件，用途集中在新产品的快速设计方面，通过该技术可以简便、 快速地实现设计的优化和产品的评估，由于其“所见即所造”的特点，能够省去大量生产准备环节，从而显著缩短新产品的研发周期，最终使新产品的研发成本显著 降低。我国3D打印目前2亿元/a的产值基本来源于此。近年快速成型加入选择性激光烧结工艺，使3D打印在保持高效率的同时，制造精度也得到显著提升。
　　
　  目前3D打印快速成型用特种粉体材料大多是设备工艺厂商针对各自设备特点定制的，优点是与专属设备的适用性好、研制难度相对小，缺点是材料的产业通用性 差、产品成型过程的精度有待提高、产品成型后的强度较低。可见，制品表面精度受粉末原材特性的制约明显，工艺对材料依赖性不容忽视。（2）高性能金属构件 直接制造技术用材料
　　
　  高性能金属构件直接制造技术起步于20世纪90年代初，工艺难度比较大，主要采用高功率的能量束如激光或电子 束作为热源，使粉末材料进行选区熔化，冷却结晶后形成严格按设计制造的堆积层，堆积层连续成型，形成最终产品。到目前为止，工业上的小型金属构件直接制造 相对容易，体积较大的金属构件的直接制造难度非常大，对材料和工艺控制的要求很高。这将是增材制造产业推动相关工业发展的重点方向，也将是一项关键技术。 其最大的难度在于材料和成型工艺。以钛合金为例，激光熔化后的材料凝固会造成钛合金体积收缩，造成巨大的材料热应力，内应力对小型构件影响不大，但随着零 件尺寸的增加，成型变得非常困难，即使能够成型也会由于大的内应力严重影响材料强度。第二个难题是材料冷却结晶过程复杂，材料结晶过程很难定量控制，一旦 出现晶体粗大、枝晶等必将造成材料成型后的力学性能不佳等问题，最终结果就是关键构件没办法获得实际应用。
　　
　 高性能金属构件直接制 造技术自问世伊始，就与配套材料的发展密不可分。近年来，金属构件直接制造所使用的高性能特种粉体材料备受关注。欧美等国已经比较成熟地实现了小尺寸不锈 钢、高温合金等零件的激光直接成形，未来高温合金、钛合金材质大型金属构件的激光快速成形作将成为主要技术的攻关方向。我国北京航 空航天大学团队在这一领域走在了世界前列，他们通过激光直接制造成套装备的研制和对大型钛合金金属结构件成形原理的探究，已掌握高性能金属构件直接制造核 心技术，其成果已应用于多种型号飞机的研制中。但国内用于金属构件直接制造的材料主要依赖进口，国产化的同类材料。目前还存在着氧含量高、球形度差、成分 均匀性差以及粒度分布不佳等问题，这在一定程度上限制着我国高端3D打印产业的进一步发展。
　　
　　合金粉末内部的组织结构对3D打印最终产品的影响较大，组织粗大的粉末熔覆性能较差。高性能金属构件直接制造用特种粉末要求低氧含量和高球形度，行业内主要由气雾化和真空气雾化工艺制备。合金粉末的制备方法主要有水雾化、气雾化和真空雾化等，其中真空雾化制备的粉末具有氧含量低、球形度高、成分均匀等特点，应用效果最佳。
　　
　　高性能金属构件直接制造所用材料主要是钛及钛合金粉末材料和镍基或钴基的高温合金类粉末材料。钛及钛合金粉末材料采用粉末冶金法 制造零部件是少切削或无切削的近净成型工艺，金属的利用率接近100%，是降低钛及钛合金零件使用成本的最佳方式。目前钛及钛合金粉末制备方法主要有等离 子旋转电极、单棍快淬、雾化法等，其中旋转电极法因其动平衡问题，主要制备20目左右的粗粉；单棍快淬法制备的粉末多为不规则形状、杂质含量高，而气体雾 化法制备的粉末具有氧及其他杂质含量低、球形度好、粒度可控、冷却速度快、细粉收得率高等优点，是高品质钛及钛合金粉末的主要制备工艺。
　　
　 　国外钛及钛合金粉末的研究由来已久，技术相对成熟，美国在1985年发表了水冷铜坩埚惰气雾化法的专利，在1988年建立起年产11t的粉末研制线；而 日本在1990年已建立年产60t的惰气雾化粉末生产线，并实现规模化生产；而国内在雾化设备及粉末制备工艺方面，主要为移植和仿研，高性能制粉设备仍以 进口为主，在水冷铜坩埚制备技术、底注式雾化方式等方面仍和国外差距较大；在粉末制备方面，目前粉末的粒度主要集中于：40～300目之间，杂质元素如 钙、氢、氧等也高于国外同类产品水平，如国内制备的真空钛合金钎焊料由于杂质含量高，在使用过程中存在润湿性差、焊缝质量不均匀、焊接强度低等问题。
　　
　 　镍基或钴基的高温合金粉末的制备方法主要有雾化法、旋转电极法、还原法等。雾化法主要有二流雾化、离心雾化等方法。气雾化（含真空雾化）属于二流雾化， 具有环境污染小、粉末球形度高、氧含量低以及冷却速率大等优点。经历近200年的发展,气雾化已经成为生产高性能金属及合金粉末的主要方法。不过，雾化合 金粉末易也出现一些缺陷，例如夹杂物、热诱导孔洞、原始粉末颗粒边界物。对于3D打印技术来说，粉体材料中夹杂物和热诱导孔洞都会对成型部件产生影响。 二、我国3D打印及其专用材料产业现状
　　
　　1.国内3D打印产业现况
　　
　　3D打印技术在我国还处于发展初期，产 业体量相对较小。同时，中国制造业各个环节对3D打印技术的认识还存在很多不足。从实际发展情况来看，截至目前3D打印并没有实现成熟的产业化，从设备到 产品再到服务仍停留在“高级玩具”阶段。但是，国内从政府到企业，普遍认可3D打印技术的发展前景，政府和社会普遍关注未来3D打印技术将对我国现有的生 产、经济、制造模式等造成的影响。
　　
　　根据调研数据，目前，我国对3D打印技术的需求并非集中在设备上，而是体现在对3D打印用耗材 种类多样性和对代理加工服务的需求上。工业客户是我国采购3D打印设备的主力军，他们所购买的设备主要用于航空、航天、电子产品、交通工具、设计、医疗、 文化创意等行业。目前，3D打印机在中国企业的装机量约500台，年增速为60%左右。即使这样，目前的市场规模也仅为1亿元/年左右。而3D打印用材料 的研发和生产潜在需求规模已近10亿元/年，随着设备工艺的普及和进步，规模还将迅速增长；同时3D打印相关委托加工服务非常火爆，多家代理3D打印设备 的公司对激光烧结工艺和设备应用已非常成熟，可对外进行加工服务，由于单台设备价格一般在500万元以上，市场接受度不高，但代理加工服务却非常火爆。 2.国内3D打印用材料现状
　　
　　目前，我国3D打印用材料大都由快速成型厂家直接提供，尚未实现第三方供应通用材料的模式，导致材料的成本非常高。同时，国内尚无针对专用于3D打印的粉末制备研究，对粒度分布、氧含量要求严格，有些单位采用常规的喷涂粉末替代使用，存在着很多的不适用性。
　　
　 　在3D打印快速成型方面，研发和生产通用性更强的材料是技术提升的关键。解决好材料的性能和成本问题，将更好地推动我国的快速成型技术的发展。目前，我 国3D打印快速成型技术使用的材料大多需从国外进口，或设备厂家自己投入巨大精力和经费研制，价格昂贵，致使生产成本提高，而国内该机器使用的材料其强 度、精度都较低。3D打印材料国产化已势在必行。
　　
　　在高性能金属构件直接制造方面，需要低氧含量、细粒径、高球形度的钛及钛合金粉 末或镍基、钴基高温合金粉末，粉末粒度以-500目为主，氧含量宜低于0.1%，且粒径均匀，目前高端的合金粉末和制造设备还主要依靠进口。而国外常将原 材料与设备捆绑销售，赚取大量的利润。以镍基粉末为例，原材料成本约200元/kg，国产产品售价一般为300～400元/kg，而进口粉末售价常在 800元/kg以上。
　　
　　国内尚未针对3D打印技术用粉末开展相应的研究。如粉末成分、夹杂、物理性能对3D打印相关技术的影响及适 应性。因此针对低氧含量、细粒径粉末的使用要求，尚需开展钛及钛合金粉末成分设计、细粒径粉末气雾化制粉技术、粉末特性对制品性能的影响等研究工作。国内 受制粉技术所限，目前细粒径粉末制备困难，粉末收得率低、氧及其他杂质含量高等，在使用过程中易出现粉末熔化状态不均匀，导致制品中氧化物夹杂含量高、致 密性差、强度低、结构不均匀等问题，国内合金粉末存在的主要问题集中在产品质量和批次稳定性等方面，包括：①粉末成分的稳定性（夹杂数量、成分均匀 性）；②粉末物理性能的稳定性（粒度分布、粉末形貌、流动性、松装比等）；③成品率问题（窄粒度段粉末成品率低）等。