從制粉到3D打印，增材制造的金屬工藝

葛志偉

近年來，3D打印已經逐漸為人們所熟知。現在多數的3D打印設備多采用樹脂、塑料等作為原材料，這類材料熔點較低，容易控制成型。而在一些對設備要求嚴苛的例如航空航天、醫療器械等關鍵領域中，必須采用金屬材質以滿足強度和熔點的需要。對于金屬的增材制造來說，粉末的球形度和大小就對最終產品的性能質量有著極大的影響。

西安賽隆金屬材料有限責任公司是西北有色金屬研究院控股的國家級高新技術企業，專業從事商業化等離子旋轉電極霧化制粉（PREP）裝備、電子束粉末床增材制造（SEBM）裝備、高品質球形金屬粉末的生產銷售以及復雜金屬構件的3D打印相關的設計、加工及后處理工作。目前已經為科研院所、產業公司提供了10余臺等離子旋轉電極霧化制粉裝備和電子束粉末床3D打印設備，同時也為航空、航天、艦船、兵器、汽車、生物醫用等領域提供配套產品和技術服務。同時作為中國增材制造產業聯盟理事單位、全國增材制造標準化技術委員會委員單位和中國機械工程學會增材制造分會委員單位，擁有增材制造及粉末冶金相關授權專利近20項，旨在為各領域提供定制化的金屬3D打印技術全套解決方案。

塞隆金屬擁有一批金屬增材制造材料與工藝技術研發和產業化的專業團隊。研發團隊自2001年起深耕增材制造領域，通過近20年的技術積淀在電子束粉末床增材制造技術和等離子旋轉電極霧化制粉技術方面已獨具特色，實現了電子束粉末床增材制造裝備的商業化。

所謂等離子旋轉電極制粉設備，原理是以金屬或合金制成自耗電極，其端面受電弧加熱而熔融為液體，通過電極高速旋轉的離心力將液體拋出并粉碎為細小液滴，冷凝過程中在表面張力的作用下最終得到球形粉末。該制粉設備具有結構緊湊、工藝參數控制簡單和生產效率高等優點，生產的粉末粒度范圍窄、粉末顆粒表面光滑潔凈、少無空心粉和衛星粉、氣體夾雜少，粉末品質高，適合噴涂、熱等靜壓和3D打印等工藝使用。可用于生產鎳基高溫合金粉末、鈦合金粉末、不銹鋼粉末及熔點2600℃以下的難熔金屬粉末等。

如此采用高純氬氣霧化及等離子旋轉電極霧化工藝制備高品質球形稀有金屬粉末，可生產的產品包括鈦合金、Ti-A1合金、Ti，A1Nb、Ti-Ta合金、Ti-Nb（-zr）合金、鈮合金、鉭合金等。粒度范圍為15～45μm、45～106μm、75～150μm，并可根據不同工藝需求進行定制化生產。且粉末氧含量低、球形率高、流動性好、性能穩定，可很好地滿足電子束鋪粉3D打印、激光鋪粉3D打印、激光同軸送粉3D打印等工藝的不同需求。

高規格的制粉設備給3D金屬打印的高標準制作創造了條件。電子束粉末床增材制造裝備一一SailongS2型粉床電子束3D打印設備是賽隆公司為滿足科學研究和批量生產的不同需求而推出的第二代EBM設備。該設備采用半公開的底層工藝設計，用戶可以自主開發新材料體系的成形工藝。且打印成形倉可更換，最大成形零件尺寸為200x200x240mm，最小成形倉的最大成形零件尺寸為100x100x150mm，滿足科研與生產在不同規格上的需求。同時，用戶可實時監控并在線更改成形工藝參數，這為產品質量監控、調校提供了便利。為了提高送粉精度、減少單次投粉量，使用機械定量送粉，一改以往常規的粉堆擠粉方式。在質量控制上，合理規劃了掃描路徑，可有效控制零件成形質量。

電子束粉床3D打印技術具有能量利用率高、加工速度快、運行成本低、成形件精度高、性能好等優點，是航空航天領域高性能復雜結構零部件的理想快速制造技術。特別適合于輕量化減重結構、復雜內腔（內流道）結構、結構功能一體化集成等方面的設計及快速制造。

電子束粉床3D打印技術可實現在真空下成形以減少雜質含量，電子束可隨形退火，消除零件內部殘余應力，因此成形的鈦合金植入物具有純凈度高、綜合力學性能優異及骨小梁結構易于設計成形等優點，是醫療器械行業的理想選擇，在頜面修復、人工關節及脊柱修復等領域有望實現批量應用。目前在歐美地區已有等多家公司相繼取得CE和FDA認證，批量生產髖臼杯、融合器等醫用植入物產品，國內也有多家知名醫療器械生產企業開展了準入取證的工作。

目前，塞隆金屬已經形成了原材料生產、產品制作、設備供給等一系列的產業鏈布局。等離子旋轉霧化制粉、電子束粉床3D打印等技術為科研工作和工業生產提供極大的便利，尤其在骨科植入物結構設計、成形以及臨床應用等醫療領域創造了更多的可能性。塞隆金屬將繼續立足于科研，提高設備性能，在工業級設備中深耕的同時向桌面級設備發展，為“中國制造2025”添磚加瓦。