​金屬3D打印成為航天航空零件先進成形技術(shù)

來源：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)成為這項技術(shù)的最大應(yīng)用市場,。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空中客車和賽峰集團提供了先進的Ariane6號火箭噴嘴（SWAN）。該火箭噴嘴通過激光焊接和激光能量沉積工藝對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零部件進行加工,，使得噴嘴的零部件數(shù)量減少了90％,，從約1000個零部件減少到約100個零部件，可以降低40%的成本和30%的交貨時間,。

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

（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

可見,，近些年蓬勃發(fā)展的金屬3D打印技術(shù),，已經(jīng)開始占據(jù)高端航天航空領(lǐng)域的市場。金屬粉體,，作為3D打印的主要耗材,，對打印產(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高,，難以燒結(jié)成形,，會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）,，部分場合下可放寬至105～150μm（粗粉）,。這是因為不同能量源的金屬打印機對粉末粒度要求不同。

激光能量源的打印機,，適合使用15～53μm的粉末作為耗材,，粉末補給方式為逐層鋪粉,；電子束作為能量源的鋪粉打印機，更適于熔化粗粉,，適合使用53～105μm的粗粉為主；對于同軸送粉型打印機可采用粒度為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,，這樣打印時鋪粉及送粉更容易進行。表1為不同粉體制備方法及對應(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,，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,。松裝密度對于金屬打印最終產(chǎn)品的密度影響尚無定論,，但松裝密度增加，可改善粉末的流動性,。粉末流動性直接影響打印過程中鋪粉的均勻性和送粉過程的穩(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,，金屬熔體要接觸坩堝,，耐火材料受到侵蝕可能會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，金屬會與耐火材料發(fā)生反應(yīng),，不僅增加夾雜物,，還會使粉體成分發(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有耐火材料的污染,，潔凈度更高,。不過，PREP法中電極棒的直徑小,、轉(zhuǎn)速低,，存在粉末粒度粗大、效率低的問題,。

針對金屬粉體制備中的諸多問題,，國內(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，中航邁特針對傳統(tǒng)氬氣霧化法,，采用改進的真空感應(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，因此無耐火材料夾雜且能耗�,�,；針對PREP法，中航邁特開發(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大多依賴進口,，中航邁特的高品質(zhì)粉末產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)部分替代進口,。

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)域的一項關(guān)鍵技術(shù),，因為它的優(yōu)勢與該行業(yè)的主要需求保持一致,，包括減輕重量、節(jié)省燃料,、提高運營效率,、部件整合、加速上市時間和減少對零部件的存儲要求,。其中，金屬粉末是金屬3D打印的重要耗材,，目前中國已擁有多套先進制粉設(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)上開發(fā)出的無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,，高端粉體的國產(chǎn)替代進口,，正在成為現(xiàn)實。

不過,，在具體的工程化應(yīng)用方面,，我國高品質(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)，國內(nèi)還不具備開發(fā)噸級大容量真空感應(yīng)氣霧化制粉設(shè)備的能力,，仍依賴于高價引進成套設(shè)備,。未來，金屬3D打印仍將在很長一段時間代表著航天航空領(lǐng)域的先進制造技術(shù),，其中,，更經(jīng)濟、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,。

來源：粉體圈