​金屬3D打印成為航天航空零件先進(jìn)成形技術(shù)

來(lái)源：粉體圈

隨著金屬3D打印技術(shù)的蓬勃發(fā)展，航天航空已經(jīng)成為這項(xiàng)技術(shù)的最大應(yīng)用市場(chǎng)。其中，鎳基高溫合金、鈷鉻合金、鈦合金、鋁合金的3D打印發(fā)展最為迅速。2017年，GKN航空航天公司向法國(guó)空中客車和賽峰集團(tuán)提供了先進(jìn)的Ariane6號(hào)火箭噴嘴（SWAN）。該火箭噴嘴通過(guò)激光焊接和激光能量沉積工藝對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零部件進(jìn)行加工，使得噴嘴的零部件數(shù)量減少了90％，從約1000個(gè)零部件減少到約100個(gè)零部件，可以降低40%的成本和30%的交貨時(shí)間。

圖1Arian6火箭構(gòu)形圖，歐洲航天工業(yè)對(duì)Arian6火箭報(bào)以厚望，希望以此占據(jù)巨大的航天發(fā)射市場(chǎng)

（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

可見(jiàn)，近些年蓬勃發(fā)展的金屬3D打印技術(shù)，已經(jīng)開(kāi)始占據(jù)高端航天航空領(lǐng)域的市場(chǎng)。金屬粉體，作為3D打印的主要耗材，對(duì)打印產(chǎn)品的質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，其具體要求包括以下幾個(gè)方面。

純凈度
首先，金屬粉體中不能有陶瓷夾雜物，由于陶瓷夾雜物熔點(diǎn)高，難以燒結(jié)成形，會(huì)顯著降低最終制件的性能。

除此之外，氧、氮含量也需要嚴(yán)格控制。目前用于金屬3D打印的粉末制備技術(shù)主要以霧化法為主（包括氣霧化和旋轉(zhuǎn)電極霧化等技術(shù)），粉末具有大的比表面積，容易氧化。在航空航天等特殊應(yīng)用領(lǐng)域，客戶對(duì)此指標(biāo)的要求更為嚴(yán)格，如高溫合金粉末氧含量0.006%～0.018%，鈦合金粉末氧含量為0.007%～0.013%，不銹鋼粉末氧含量為0.010%～0.025%（均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

因此，航天航空用高質(zhì)量3D打印零件對(duì)粉體純凈度有高要求。

粒度分布
通常，金屬3D打印使用的粉末粒度范圍是15～53μm（細(xì)粉）、53～105μm（粗粉），部分場(chǎng)合下可放寬至105～150μm（粗粉）。這是因?yàn)椴煌�能量源的金屬打印機(jī)對(duì)粉末粒度要求不同。

激光能量源的打印機(jī)，適合使用15～53μm的粉末作為耗材，粉末補(bǔ)給方式為逐層鋪粉；電子束作為能量源的鋪粉打印機(jī)，更適于熔化粗粉，適合使用53～105μm的粗粉為主；對(duì)于同軸送粉型打印機(jī)可采用粒度為105～150μm的粉末作為耗材。圖2為兩種高品質(zhì)金屬3D打印設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖，這是目前應(yīng)用最為廣泛的兩種3D打印設(shè)備。

圖2兩種高品質(zhì)金屬3D打印設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

上圖為鋪粉型，下圖為同軸松粉型

（圖片來(lái)源：航空航天用高品質(zhì)3D打印金屬粉末的研究與應(yīng)用）

形貌
一般而言，球形度越高，粉末顆粒的流動(dòng)性也越好。3D打印金屬粉末要求球形度在98%以上，這樣打印時(shí)鋪粉及送粉更容易進(jìn)行。表1為不同粉體制備方法及對(duì)應(yīng)形貌特征。

松裝密度
松裝密度是指粉末試樣自然地充滿規(guī)定容器時(shí)，單位容積的粉末質(zhì)量。一般情況下，粉末粒度越粗，松裝密度越大，粗細(xì)搭配的粉末能夠獲得更高的松裝密度。松裝密度對(duì)于金屬打印最終產(chǎn)品的密度影響尚無(wú)定論，但松裝密度增加，可改善粉末的流動(dòng)性。粉末流動(dòng)性直接影響打印過(guò)程中鋪粉的均勻性和送粉過(guò)程的穩(wěn)定性。

綜上所述，純凈度、粒度分布、形貌、松裝密度是金屬3D粉體的幾個(gè)重要性能指標(biāo)。制備方法的優(yōu)劣直接影響了粉體的性能指標(biāo)，進(jìn)而影響最終成形零件的最終質(zhì)量。目前，在金屬3D打印粉體制備方法上，氬氣霧化法（AA法）和等離子旋轉(zhuǎn)電極法（PREP法）及其基礎(chǔ)上發(fā)展的變體獲得了廣泛應(yīng)用。

AA法制粉是利用快速流動(dòng)的氬氣流沖擊金屬液體，將其破碎為細(xì)小顆粒，繼而冷凝成為固體粉末的制粉方法。AA法在制粉時(shí)，金屬熔體要接觸坩堝，耐火材料受到侵蝕可能會(huì)增加金屬粉末中的陶瓷夾雜，尤其是制備較為活潑的鈦合金粉末時(shí)，金屬會(huì)與耐火材料發(fā)生反應(yīng)，不僅增加夾雜物，還會(huì)使粉體成分發(fā)生改變。

圖3AA法制粉和PREP法制粉設(shè)備示意圖，上圖為AA法，下圖為PREP法

（圖片來(lái)源：航空航天用高品質(zhì)3D打印金屬粉末的研究與應(yīng)用）

PREP法是將制粉的合金制成電極，采用等離子弧使其局部熔化，合金電極在惰性氣體中高速旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下熔化的金屬形成球狀合金粉末。這種方法制得的球形金屬粉末沒(méi)有耐火材料的污染，潔凈度更高。不過(guò)，PREP法中電極棒的直徑小、轉(zhuǎn)速低，存在粉末粒度粗大、效率低的問(wèn)題。

針對(duì)金屬粉體制備中的諸多問(wèn)題，國(guó)內(nèi)眾多諸如中航邁特一樣的企業(yè)一直在努力。作為專業(yè)3D打印金屬制粉裝備及工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)的高新技術(shù)企業(yè)，中航邁特始終致力于研發(fā)世界一流的制粉工藝。據(jù)悉，中航邁特針對(duì)傳統(tǒng)氬氣霧化法，采用改進(jìn)的真空感應(yīng)氣霧化（VIGA）和電極感應(yīng)氣霧化（EIGA），新的氣霧化方法不需要坩堝，因此無(wú)耐火材料夾雜且能耗��；針對(duì)PREP法，中航邁特開(kāi)發(fā)了新一代等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉技術(shù)及裝備（N-PREP），逐步克服直徑小、轉(zhuǎn)速低、不能連續(xù)性生產(chǎn)等問(wèn)題。

目前，中航邁特主推五大核心系列粉末材料，分別是鈦合金粉末、鎳基合金粉末、鈷鉻合金粉末、鋁合金粉末和鐵基合金粉末。這幾種3D打印粉末材料目前我國(guó)大多依賴進(jìn)口，中航邁特的高品質(zhì)粉末產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)部分替代進(jìn)口。

圖4中航邁特是航天航空球形金屬粉末材料領(lǐng)航者，專業(yè)的粉末材料裝備一體化服務(wù)商

（圖片來(lái)源：中航邁特）

小結(jié)
金屬3D打印已經(jīng)成為航空和航空航天領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，因?yàn)樗�的�?yōu)勢(shì)與該行業(yè)的主要需求保持一致，包括減輕重量、節(jié)省燃料、提高運(yùn)營(yíng)效率、部件整合、加速上市時(shí)間和減少對(duì)零部件的存儲(chǔ)要求。其中，金屬粉末是金屬3D打印的重要耗材，目前中國(guó)已擁有多套先進(jìn)制粉設(shè)備投入應(yīng)用，其中AA法和PREP法已經(jīng)取得較大發(fā)展，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出的無(wú)坩堝新型氣霧化方法以及新的等離子旋轉(zhuǎn)電極裝備在逐步投入應(yīng)用，高端粉體的國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)口，正在成為現(xiàn)實(shí)。

不過(guò)，在具體的工程化應(yīng)用方面，我國(guó)高品質(zhì)合金材料用大容量真空感應(yīng)熔煉和氣霧化制粉成套裝備技術(shù)還面臨較多技術(shù)壁壘和挑戰(zhàn)，國(guó)內(nèi)還不具備開(kāi)發(fā)噸級(jí)大容量真空感應(yīng)氣霧化制粉設(shè)備的能力，仍依賴于高價(jià)引進(jìn)成套設(shè)備。未來(lái)，金屬3D打印仍將在很長(zhǎng)一段時(shí)間代表著航天航空領(lǐng)域的先進(jìn)制造技術(shù)，其中，更經(jīng)濟(jì)、更科學(xué)、更高效的金屬粉體制備技術(shù)仍將是金屬3D打印的主戰(zhàn)場(chǎng)。

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