粉末冶金產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟平韶波：粉末冶金助力金屬增材制造快速發(fā)展

2020年8月20日-21日，中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇暨2020年中國增材制造產(chǎn)業(yè)年會在安徽蕪湖市舉行，此次年會由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心、安徽省經(jīng)濟(jì)和信息化廳、蕪湖市人民政府指導(dǎo)，中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟主辦，繁昌縣人民政府協(xié)辦，南極熊作為支持媒體對本次會議進(jìn)行了直播。

△粉末冶金產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟副秘書長平韶波

在“中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇”上，粉末冶金產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟副秘書長平韶波發(fā)表主題演講，題目是《粉末冶金助力金屬增材制造快速發(fā)展》，以下是本場演講的現(xiàn)場速記，經(jīng)大會組委會授權(quán)發(fā)布。
△視頻：粉末冶金助力金屬增材制造快速發(fā)展 演講

平韶波：各位領(lǐng)導(dǎo)、專家及來賓朋友們，大家下午好。就像剛才左處長說的，增材制造領(lǐng)域有材料、有服務(wù)，有裝備三大塊，其中材料占了24%，這是一個非常重要的部分。就此，我從粉末冶金角度談一下如何助力金屬增材制造快速發(fā)展，一方面是粉末冶金工藝及產(chǎn)業(yè)概述，另一方面是粉末冶金與金屬增材制造協(xié)同發(fā)展思考。

我們知道粉末冶金是以金屬粉末為原料，經(jīng)過成形和固結(jié)制造金屬材料、復(fù)合材料及制品的一種綠色、可持續(xù)性制造技術(shù)。主要工藝包括制粉、混料、成形、燒結(jié)以及后續(xù)的后處理等一系列工藝。而粉末冶金技術(shù)之所以有它的優(yōu)勢，主要在于它的材料利用率比較高，而且零件的能耗又較低。右上角的兩幅圖上面那一個是美國金屬粉末工業(yè)聯(lián)合會的標(biāo)識，下面是日本粉末冶金工業(yè)會的，它們都顯現(xiàn)出了綠色環(huán)保的標(biāo)識，也證明粉末冶金技術(shù)是21世紀(jì)首選的節(jié)能節(jié)材、綠色環(huán)保的金屬成形解決方案。同時，粉末冶金技術(shù)也是新材料領(lǐng)域的朝陽技術(shù)，也是最關(guān)鍵的共性技術(shù)之一，可生產(chǎn)其他工藝無法制造的高硬度、耐高溫、過濾分離等結(jié)構(gòu)性、功能性、復(fù)合性的材料及制品。

這是粉末冶金制品的種類，我們可以看出種類非常豐富，而且覆蓋領(lǐng)域非常廣，從家電、汽車制造到金屬行業(yè)、石油化工、航空航天都得到了廣泛應(yīng)用，比如摩擦材料、高溫合金、硬質(zhì)合金、金剛石工模具鋼等都屬于粉末冶金領(lǐng)域以及它的制品。同時，粉末冶金在國防軍工關(guān)鍵戰(zhàn)略領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用，諸如航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵零部件、核電、兵器等方面的多種產(chǎn)品都屬于粉末冶金的應(yīng)用范圍。

我們國家對粉末冶金非常重視，從《中國制造2025》當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，五項重點(diǎn)工程和十個重點(diǎn)領(lǐng)域中各有多個工程和領(lǐng)域與粉末冶金相關(guān)，諸如高溫合金、3D打印以及鈦合金等。而且從國家的《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》中，我們也把關(guān)鍵戰(zhàn)略材料列為三大發(fā)展方向之一，而且到今年為止要實(shí)現(xiàn)30多種以上的關(guān)鍵材料產(chǎn)業(yè)化以及它的應(yīng)用示范，同時從這30多種當(dāng)中，有多種重點(diǎn)發(fā)展的材料與粉末冶金相關(guān)。譬如，高端裝備用的特種合金以及稀土功能材料。保守估計，目前國內(nèi)的粉末冶金全行業(yè)整體產(chǎn)值達(dá)到1500億元，已經(jīng)是全球前三。像圖中展示的鐵基粉末、銅基粉末等已居全球首位，相關(guān)同行也可以發(fā)現(xiàn)粉末冶金類企業(yè)現(xiàn)在已有千余家。

粉末冶金與增材制造有什么關(guān)系？如何助力增材制造的發(fā)展呢？

粉末冶金的原料與金屬增材制造的原料有非常相似之處。粉末冶金的主要原料有如鐵基、銅基、高溫及難熔合金等粉末，而它的工藝采用霧化法、還原法、旋轉(zhuǎn)電極法等。同時，我們知道粉末冶金的原料粉末粒度范圍大概在1微米到100微米之間，而且有不同的形狀，如球形以及不規(guī)則形狀，還有一些其他的要求，純凈度高、氧含量低等。

這是我國選取的幾種比較特殊的主要金屬粉末的生產(chǎn)技術(shù)以及產(chǎn)品情況和發(fā)展趨勢，可以看到鐵基、銅基、高溫合金、鋁合金、鈦合金這些大多與增材制造的原料相似，而且它的趨勢逐漸在向球形化以及可靠性、低成本發(fā)展。

可以看出金屬增材制造工藝的原材料當(dāng)下最主要有不銹鋼、鋁合金、鈦合金、高溫合金這些粉末，基本涵蓋在粉末冶金的原材料中。而且，金屬增材制造的這五種工藝基本是粉末冶金制造工藝的延伸。我們可以發(fā)現(xiàn)金屬增材制造現(xiàn)在最主要用的原料粉末粒度范圍在25-45微米，但是要求形貌、球形度必須非常好，而且其他要求也與粉末冶金的其他要求基本相似。所以，目前粉末冶金工藝的主要原料已經(jīng)覆蓋了金屬增材制造工藝的粉末原料，這從很大程度上可以節(jié)約金屬增材制造粉末的成本。而且現(xiàn)有的金屬增材制造工藝均為粉末冶金的主要制備工藝。如果我們金屬增材制造工藝下產(chǎn)生了粉末有一部分達(dá)不到它所需要的25-45微米的要求，剩下過小或者過大的包括以及非球形粉末都可以重新應(yīng)用在粉末冶金工藝當(dāng)中，增加它的綜合利用率和綜合收益。

這張是當(dāng)下世界各地與中國主要典型的制粉企業(yè)。傳統(tǒng)的粉末巨頭如美國、瑞典、德國、法國等還是以它們?yōu)橹髟谧鲈霾闹圃祛I(lǐng)域的粉末，而專業(yè)性的金屬增材制造粉末廠商也有英國、加拿大、日本和德國的TLS。中國企業(yè)也有一部分涉足，如中國航發(fā)北京航空材料研究院、鋼研高納、中航邁特等，但是國內(nèi)廠商的市場份額非常小。就像剛才所講的金屬增材制造材料占一部分，裝備也占一部分，由于粉末要與打印機(jī)以及工藝相匹配，所以市場上目前為止金屬增材制造粉末主要是由傳統(tǒng)金屬粉末巨頭生產(chǎn)，由打印設(shè)備廠家捆綁銷售并同時提供一些工藝參數(shù)。

目前國內(nèi)金屬增材制造行業(yè)的打印設(shè)備和原材料粉末處于跟蹤模仿階段，與國際先進(jìn)水平尤其是國外領(lǐng)軍企業(yè)差距明顯。2018年底美國商務(wù)部出臺了一份針對關(guān)鍵技術(shù)與相關(guān)產(chǎn)品的出口管制提案預(yù)告，涉及到3D打印工藝技術(shù)以及相關(guān)粉末生產(chǎn)裝備、大規(guī)格熱等靜壓裝備等均在擬限制出口之列，所以有可能造成國產(chǎn)的金屬增材制造出現(xiàn)“斷奶”情況。當(dāng)前，雖然國內(nèi)外的經(jīng)濟(jì)政治形勢比較嚴(yán)峻，但是有得必有失，在“卡脖子”技術(shù)產(chǎn)生的同時，面對重大挑戰(zhàn)的同時也是給國內(nèi)產(chǎn)業(yè)的相關(guān)企業(yè)、科研院所提供了機(jī)遇，促使我們開發(fā)創(chuàng)新，走上自主創(chuàng)新的道路。這是國際權(quán)威機(jī)構(gòu)曾經(jīng)預(yù)測在2025年，我們的金屬增材制造工藝原材料粉末，全球市場份額可以達(dá)到50億美金的市場規(guī)模，而且年增長率在39.5%。中國2025年的工藝原料粉末市場規(guī)模達(dá)到12億，而且在《中國制造2025》當(dāng)中，從技術(shù)路線圖可以發(fā)現(xiàn)，未來十年對于金屬增材制造的原材料粉末需求量也是非�？捎^的，年均增長基本在30%左右，今年需求量預(yù)估達(dá)到800噸，到2025年預(yù)計達(dá)到2000噸，所以市場其實(shí)是很可觀的。

這是2014年麥肯錫做的一份報告，當(dāng)時就預(yù)測增材制造與金屬注射成形是接下來未來五年的頂尖技術(shù)。到2018年麥肯錫又重新做了一份報告，發(fā)現(xiàn)在十大先進(jìn)制造技術(shù)當(dāng)中，增材制造技術(shù)以及金屬粉末注射成形技術(shù)位列最具潛力的技術(shù)前兩名。因此我們可以發(fā)現(xiàn)增材制造技術(shù)確實(shí)是接下來一個時期的重點(diǎn)攻關(guān)技術(shù)。

然而我們怎么樣把傳統(tǒng)的粉末冶金工藝技術(shù)和增材制造技術(shù)協(xié)同發(fā)展？讓它產(chǎn)生“1+1＞2”的良好趨勢呢？傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)有它的優(yōu)勢，但也有它的缺點(diǎn)，開發(fā)成本高、周期長；然而，增材制造可以縮短開發(fā)周期，但是它所帶來的原材料和成本比較高，加工成本也比較高。因此，我們?nèi)绻�通過將增材制造以及傳統(tǒng)的注射成形技術(shù)相互融合，既可以克服原有產(chǎn)品的開發(fā)周期，同時可以把增材制造的材料成本降下來，這將是我們協(xié)同發(fā)展的思路。美國Desktop Metal公司就研制出了3D打印+MIM技術(shù)和裝備，他們已經(jīng)獲得了4.38億美元的融資，而且估值非常高，達(dá)到3倍以上超過了15億美元。但是相關(guān)的技術(shù)在國內(nèi)還處于起步階段，這張圖是國外廠商采用的復(fù)合工藝技術(shù)。

另外，我們通過金屬增材制造的產(chǎn)品還可以添加后處理工序如熱等靜壓技術(shù)，來減少增材制造當(dāng)中產(chǎn)品產(chǎn)生的缺陷，可以使它進(jìn)行致密化。這張圖就是對于增材制造通過熱等靜壓技術(shù)明顯改善產(chǎn)品表面和內(nèi)部缺陷的實(shí)例。這是我們做了的實(shí)驗，通過兩種增材制造技術(shù)，一種是EBM，一種是DMLS，對比兩種結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過熱等靜壓技術(shù)后處理之后，它們的性能均會有大幅度提升。

接下來我簡單講一下中國鋼研科技集團(tuán)在這方面的布局。正如剛才潘書記說的，鋼研院也進(jìn)駐了繁昌，在此成立了鋼鐵研究院華東分院。中國鋼研集團(tuán)在粉末冶金領(lǐng)域有巨大的優(yōu)勢，而鋼鐵研究總院、安泰科技、鋼研高納、鋼研納克、和鋼研新冶在增材制造領(lǐng)域都有一定的優(yōu)勢和布局，不管是材料還是工藝方面。所以我們也是想把這種優(yōu)勢相結(jié)合，通過相關(guān)的同行企業(yè)加強(qiáng)合作，產(chǎn)生“1+1＞2”的良好效果。

中國鋼研在金屬增材制造工藝平臺的建設(shè)上包括前處理、燒結(jié)成形等制造工藝搭建了相關(guān)的設(shè)備平臺。目前，中國鋼研開發(fā)的金屬粉末大概有鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金和鎢等幾種，通過開發(fā)不同的系列以及不同的應(yīng)用場景需要不同的粉末粒度。目前我們所制備的純鎢產(chǎn)品相比行業(yè)純鎢的性能已有一定的優(yōu)勢。

這是我們旗下的熱等靜壓后處理平臺�？梢钥闯�，從大尺寸的直徑1.6×3.2米一直到小尺寸直徑80×100mm都有相應(yīng)的平臺支撐我們的后處理工藝。所以對于增材制造與粉末冶金相結(jié)合，如何結(jié)合能實(shí)現(xiàn)它的效益最大化？這也是我們協(xié)同發(fā)展的思考。

因為這次是代表粉末冶金產(chǎn)業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟作的報告。在這里簡單介紹一下，粉末冶金產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（CPMA）是2010年8月成立，發(fā)起單位一共有33家，含有冶金企業(yè)骨干、高等院校和科研機(jī)構(gòu)等。當(dāng)時，有幸請到了師昌緒師老在聯(lián)盟成立大會進(jìn)行了致辭。

CPMA主要是通過將制粉骨干企業(yè)、裝備制造骨干企業(yè)和機(jī)械零部件的骨干企業(yè)以及主流用戶，和高校院所加上一些投資、情報機(jī)構(gòu)綜合服務(wù)產(chǎn)生的聯(lián)盟機(jī)構(gòu)。主要目標(biāo)就是集中全行業(yè)資源力量全面提高行業(yè)創(chuàng)新能力，同時促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，滿足國家戰(zhàn)略需求，形成產(chǎn)業(yè)鏈間持續(xù)穩(wěn)定的戰(zhàn)略合作關(guān)系。目前為止已經(jīng)達(dá)到100多家。我們的名譽(yù)理事長有干勇院士，專家委員會主任為黃伯云院士。從2013年10月份已經(jīng)上升為國家試點(diǎn)聯(lián)盟，我們在2017年《產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟活躍度評價報告》中，聯(lián)盟以滿分100分的成績連續(xù)3年位列第一名，入圍“創(chuàng)新中國年度服務(wù)平臺”名單。而且2018年我們在北京成功主辦了世界粉末冶金大會暨展覽會，這也是世界粉末冶金大會60年來首次在中國舉辦。

2015年國家標(biāo)準(zhǔn)化改革有一個國務(wù)院的文件，而且要建立政府主導(dǎo)制定的標(biāo)準(zhǔn)與市場自主制定的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同發(fā)展、協(xié)調(diào)配套的新型標(biāo)準(zhǔn)體系，打破政府單一制定的格局。聯(lián)盟從2017年底成立了標(biāo)委會。我們對于增材制造方面已經(jīng)有《3D打印醫(yī)療植入物用鈦金屬粉末》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，因為今年疫情有一些耽擱，但現(xiàn)在已基本恢復(fù)，稍過段時間團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)也將會完成發(fā)布。

最后借用歐洲粉末冶金協(xié)會的倡議，金屬增材制造與傳統(tǒng)的粉末冶金技術(shù)不是誰強(qiáng)誰弱的問題，而是互為補(bǔ)充，是優(yōu)勢相結(jié)合，協(xié)同發(fā)展的趨勢。金屬增材制造有它的優(yōu)勢，適合幾公斤的小型或中型零件，而熱等靜壓可以制造幾百公斤的大型近終形零件，相信兩者的技術(shù)結(jié)合將達(dá)到“1+1＞2”的效果。

我們也相信在各行業(yè)的共同努力下，通過材料的融合、工藝的結(jié)合以及應(yīng)用組合、聯(lián)盟合作的方式，突破增材制造新技術(shù)以及抓住當(dāng)前增材制造發(fā)展新機(jī)遇，共創(chuàng)粉末冶金、增材制造協(xié)同發(fā)展的新局面。

謝謝大家，我的報告到此結(jié)束。