我國3D打印鈦合金粉末材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀研究

鄭明月

1 前言

3D打印技術(shù)是以三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD/CAM）模型為基礎(chǔ)，直接將粉末或絲狀材料加工制造成形，而無需或極少附加其他工藝的先進(jìn)制造技術(shù)。金屬粉末產(chǎn)業(yè)是3D打印產(chǎn)業(yè)鏈中最重要的部分，3D打印過程中粉末材料在高能熱源作用下的冶金變化速度極快，成形過程中粉末材料與熱源直接作用，粉末材料沒有模具的約束以及外部持久壓力的作用。因此3D打印工藝對金屬粉末的粒徑、粒度分布、比表面積、粉體密度、松裝密度、粉末流動(dòng)性、振實(shí)密度等性能要求都非常高。

鈦合金具有耐高溫、高強(qiáng)度、耐腐蝕、低密度、彈性模量接近人骨以及生物相容性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，因此3D打印鈦合金被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、核工業(yè)、運(yùn)動(dòng)器材及醫(yī)療器械等領(lǐng)域。目前國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)鈦合金粉末的主要方法有電極感應(yīng)熔化起霧化法、等離子火炬霧化法和等離子旋轉(zhuǎn)電極法等。目前國內(nèi)鈦粉產(chǎn)業(yè)整體仍處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展初期，存在自主創(chuàng)新能力不足、缺乏行業(yè)龍頭企業(yè)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境有待改善等問題。

2 3D打印鈦粉的制備技術(shù)及重點(diǎn)企業(yè)

由于鈦合金熔點(diǎn)高并且高溫條件下極為活潑，易與絕大多數(shù)單質(zhì)及化合物反應(yīng)而被污染，因此3D打印技術(shù)對粉末材料要求極高，主要包括：氧含量低（<0.15，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、球形度高、純凈度高、粒徑分布窄、粉末粒徑細(xì)小、松裝密度高、可塑性和流動(dòng)性好等。制備金屬粉末的主流方法為霧化法。國內(nèi)企業(yè)正在積極進(jìn)行鈦粉產(chǎn)業(yè)布局，但總體處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期。

2.1 電極感應(yīng)熔化氣體霧化

電極感應(yīng)熔化氣體霧化法（Electrode induction melting gas atomization，EIGA）是采用無坩堝熔化技術(shù)，原料鈦合金被加工成金屬棒置于感應(yīng)線圈中加熱熔化，霧化氣流在下部對液流進(jìn)行破碎，此設(shè)計(jì)避免了鈦金屬液與坩堝和導(dǎo)流管的直接接觸，避免了冶金污染，保持粉末的高純凈度，其原理圖如圖1所示。

EIGA技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是原料無污染、加熱速率快、工藝簡單、設(shè)備清洗方便等。目前，該技術(shù)亟待解決的問題是：電極棒在霧化過程中必須穩(wěn)定停留于感應(yīng)線圈固定位置，此時(shí)鈦棒垂直送料速度和自轉(zhuǎn)速度的配合不易控制；感應(yīng)熔化后鈦液進(jìn)入霧化噴嘴是應(yīng)為連續(xù)液流，實(shí)際霧化過程出現(xiàn)間斷液滴，產(chǎn)生不穩(wěn)定熔化從而阻塞感應(yīng)線圈，所以鈦合金穩(wěn)定連續(xù)熔化是EIGA技術(shù)的難點(diǎn)。

目前國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)鈦粉的主流技術(shù)為EIGA技術(shù)。飛而康快速制造科技有限責(zé)任公司建有一條進(jìn)口電極感應(yīng)熔煉氣霧化鈦合金粉末生產(chǎn)線，并于2012年投入使用。該線年產(chǎn)鈦合金粉末90t，是國內(nèi)目前順利通過CAAC適航認(rèn)證的生產(chǎn)線，可提供批次穩(wěn)定、純凈度高、球形度高，可達(dá)到國際航空標(biāo)準(zhǔn)的鈦合金粉末。江蘇威拉里新材料科技有限公司是由徐州礦務(wù)集團(tuán)投資組建的高新技術(shù)企業(yè)，成立于2015年，技術(shù)路線采用世界一流的真空氣霧化、等離子霧化粉體制備技術(shù)，主要從事研發(fā)、生產(chǎn)、銷售鈦合金等十余種高端金屬粉體，可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制高質(zhì)量金屬粉體。中國航發(fā)北京航空材料研究院（以下簡稱“航材院”）是國內(nèi)最早從事鈦合金高純球形粉末研制的單位，擁有25年氣霧化制粉技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，從國外引進(jìn)和自主研發(fā)建設(shè)鈦合金粉末生產(chǎn)線，建設(shè)多條粉末生產(chǎn)線，研制生產(chǎn)高純鈦基、鈦鋁基合金球形粉末，可批量生產(chǎn)高純、低氧、粒度可控的鈦合金粉末，在3D打印工況下表現(xiàn)出優(yōu)異的物理性能。中航邁特粉冶科技（北京）有限公司（以下簡稱“中航邁特”）自通過主設(shè)計(jì)開發(fā)多臺(tái)先進(jìn)的EIGA制粉設(shè)備，突破并解決一系列制粉基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵工程技術(shù)問題，成功研制出符合航標(biāo)、國軍標(biāo)、美國ASTM、AMS等標(biāo)準(zhǔn)的鈦合金粉末，材料性能與進(jìn)口產(chǎn)品相當(dāng)，產(chǎn)品在我國航空航天零件熱等靜壓、3D打印等工藝技術(shù)上獲得應(yīng)用。

2.2 等離子火炬霧化法

等離子霧化（Plasma atomization，PA）熱源由若干個(gè)等離子噴槍構(gòu)成，原料設(shè)計(jì)為絲材，生產(chǎn)過程中鈦絲被等離子熱源加熱熔化進(jìn)而球化凝固成粉。PA技術(shù)中熔化和霧化同時(shí)進(jìn)行，等離子槍將電能轉(zhuǎn)化成熱能和動(dòng)能，用氬氣（Ar）防止氣體與霧化材料發(fā)生反應(yīng)。直流等離子槍的功率為20～40kW，每槍口流速為100～120L/min，與其他方法相比，等離子霧化的粉末較細(xì)，平均尺寸為40μm，尺寸分布較窄。PA裝置由加拿大Pegasus Refractory Materials發(fā)明，如圖2所示。

PA工藝的優(yōu)點(diǎn)是鈦絲熔化過程無需坩堝，因此制備的鈦粉純凈度高、粉末粒度細(xì)（D50約40μm）、霧化效率高、球形度高；PA技術(shù)的工藝難點(diǎn)是金屬絲的送絲速度、等離子噴槍的工作功率和等離子噴槍位置的實(shí)現(xiàn)最優(yōu)配合。

目前國內(nèi)真正攻克等離子火炬霧化技術(shù)的企業(yè)不多，湖南頂立科技有限公司（以下簡稱“湖南頂立”）通過借鑒美國與俄羅斯技術(shù)，經(jīng)過自主研發(fā)，成功研制等離子火炬霧化裝備，粉末球形度達(dá)到95%，細(xì)粉收得率（≤53μm）達(dá)到32%。北京環(huán)宇冠川等離子技術(shù)有限公司、山東晶鑫晶體科技有限公司、新疆天業(yè)有限公司等在相關(guān)技術(shù)研發(fā)方面取得一些進(jìn)展，成都優(yōu)材科技公司、成都天齊機(jī)械五礦進(jìn)出口公司主要引進(jìn)國外設(shè)備。

2.3 等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化

等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉法（Plasma Rotating Electrod Process，PREP）是將鈦合金制成棒狀自耗電極，其端面被電弧熔化為鈦液，通過電極自身旋轉(zhuǎn)（15 000～60 000rpm）的離心力將液體拋出進(jìn)而粉碎為細(xì)小液滴，隨之冷凝為鈦粉。1974年P(guān)REP工藝由美國核金屬公司開發(fā)成功，其工作原理如圖3所示。

PREP技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是粉末無污染、含氧量低（≤1 000ppm）、粉末球形度高、粒度分布窄、無衛(wèi)星粉；其缺點(diǎn)是：電極棒尺寸要求高（20～40mm），成本較高、電極轉(zhuǎn)速較快、轉(zhuǎn)軸容易磨損，因此保持高速旋轉(zhuǎn)電極的真空密封性和清潔度是該技術(shù)的關(guān)鍵問題。

機(jī)械科學(xué)研究總院（集團(tuán)）下屬鄭州機(jī)械研究所有限公司借鑒俄羅斯和烏克蘭技術(shù)，首先實(shí)現(xiàn)了PREP技術(shù)的國產(chǎn)化。目前國內(nèi)應(yīng)用PREP技術(shù)生產(chǎn)鈦粉的企業(yè)有十幾家。西北有色金屬研究院（集團(tuán)）（以下簡稱“西北有色院”）下屬的西安歐中材料科技有限公司通過“引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新”，組建了具備國際先進(jìn)水平的國內(nèi)首條超高轉(zhuǎn)速30 000rpm等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化SS—PREP金屬球形粉末工業(yè)化生產(chǎn)線，主要致力于鈦合金球形粉末制備，及相關(guān)產(chǎn)品的深度開發(fā)。西北有色院控股的西安賽隆金屬材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的SLPA—V型等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉設(shè)備，采用電極棒料立式放置結(jié)構(gòu)，極大地降低了設(shè)備的振動(dòng)，提高了工作轉(zhuǎn)速，研發(fā)出國際首臺(tái)立式PREP設(shè)備，創(chuàng)新的桌面級PREP設(shè)備電極棒最高轉(zhuǎn)速達(dá)60 000rpm；研發(fā)出鈦鎳（TiNi）、Ti鉭（Ta）、Ti鋁（Al）、Ti鈮（Nb）鋯（Zr）等40余種牌號的3D打印用高品質(zhì)球形金屬粉末；該公司形成了年產(chǎn)200t金屬粉末、多套PREP設(shè)備的生產(chǎn)能力。中航邁特、湖南頂立、陜西維克德科技開發(fā)有限公司等公司都為PREP鈦粉供應(yīng)商。

3 對我國3D打印鈦粉產(chǎn)業(yè)的思考

據(jù)市場研究公司ID Tech Ex報(bào)道，2017年我國3D打印材料市場規(guī)模達(dá)到29.92億元，鈦合金占比最大，達(dá)到了20.2%，即6.04億元。由于鈦合金3D打印對粉末材料各項(xiàng)指標(biāo)要求有別于傳統(tǒng)粉末冶金，國內(nèi)實(shí)際能自主生產(chǎn)3D打印用合格球形鈦合金粉末的制造商并不多，大部分剛起步，基本由傳統(tǒng)粉末冶金制粉行業(yè)轉(zhuǎn)向3D打印鈦合金粉末行業(yè)。核心技術(shù)相對欠缺使企業(yè)在轉(zhuǎn)型中遇到重重阻力，產(chǎn)品品質(zhì)難以保障。據(jù)媒體報(bào)道，目前我國70%以上的3D打印鈦合金粉末源于進(jìn)口。我國3D打印鈦粉產(chǎn)業(yè)存在起步晚、產(chǎn)業(yè)薄弱、主流工藝缺乏原創(chuàng)、專利布局不合理、創(chuàng)新能力不足、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)欠缺、骨干企業(yè)缺失等問題。針對現(xiàn)實(shí)狀況，提出以下建議。

3.1 加強(qiáng)技術(shù)自主創(chuàng)新

目前世界范圍鈦粉主要供應(yīng)商為美國卡彭特、英國LPW、山特維克（Sandvik Osprey）、吉?jiǎng)P恩（JKN Hoeganaes）、瑞典赫格納斯等，這些公司壟斷了3D打印鈦粉的60%以上的核心專利。不過，國內(nèi)企業(yè)、科研院所和高校在鈦粉研究領(lǐng)域正進(jìn)行積極攻關(guān)。有研科技集團(tuán)下屬北京康普錫威科技有限公司在國家“863”課題資助下經(jīng)過5年專項(xiàng)攻關(guān)突破國外專利封鎖，基本實(shí)現(xiàn)鈦粉產(chǎn)業(yè)化。航材院、中國鋼研科技集團(tuán)有限公司、西北有色院、中航邁特以及中南大學(xué)、北京科技大學(xué)等單位都在進(jìn)行自主創(chuàng)新，但是由于產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，生產(chǎn)研發(fā)實(shí)體的盈利能力有限，相關(guān)科研投入不足，造成我國相關(guān)核心專利布局不足，核心技術(shù)受制于人。因此，國家層面要增加相關(guān)領(lǐng)域重大專項(xiàng)課題布局，引導(dǎo)相關(guān)實(shí)體的配套自籌資金投入，降低科研院所、企業(yè)和高校的財(cái)政壓力，使科研人員能放開手腳，全身心投入科研創(chuàng)新。科研院所、企業(yè)和高校要積極合作，形成科研合力，進(jìn)行大團(tuán)隊(duì)攻關(guān)，強(qiáng)化創(chuàng)新能力，開發(fā)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的鈦粉制備工藝。

3.2 培育優(yōu)勢骨干企業(yè)

目前我國鈦粉生產(chǎn)企業(yè)沒有上市公司，中小企業(yè)占據(jù)行業(yè)主流。應(yīng)選擇一批具有核心技術(shù)的重點(diǎn)企業(yè)，以資本運(yùn)作、戰(zhàn)略合作、兼并重組核技術(shù)控股等方式，進(jìn)行整合，加快培育具有競爭力的龍頭企業(yè)；鼓勵(lì)3D打印大企業(yè)參與鈦粉等相關(guān)技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用領(lǐng)域拓展。鼓勵(lì)國有資本與風(fēng)投資本進(jìn)入3D打印鈦粉領(lǐng)域，加快重點(diǎn)企業(yè)知識產(chǎn)權(quán)布局；促進(jìn)企業(yè)核心競爭力提升；打造品牌優(yōu)勢的創(chuàng)新型企業(yè)，鼓勵(lì)下游應(yīng)用企業(yè)對上游粉末材料制備企業(yè)的兼并重組，在一段時(shí)間內(nèi)推出若干家重點(diǎn)上市企業(yè)。鼓勵(lì)大中小企業(yè)協(xié)同發(fā)展，提高材料制備企業(yè)的集中度。

3.3 優(yōu)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境

一是加快完善3D打印粉末材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。以我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展為基礎(chǔ)，借鑒國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，形成完善的3D打印粉末材料工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。二是加強(qiáng)核心專利的前瞻性布局與保護(hù)。相關(guān)部門進(jìn)行產(chǎn)業(yè)的前瞻研究，引導(dǎo)鼓勵(lì)企業(yè)、科研院所等進(jìn)行深度研究，申請核心專利，補(bǔ)齊產(chǎn)業(yè)短板。加大對3D打印粉末材料專利侵權(quán)特別是核心工藝侵權(quán)事件的懲罰力度，保護(hù)自主創(chuàng)新成果，維護(hù)行業(yè)發(fā)展競爭秩序。三是積極進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)業(yè)布局。粉末材料是3D打印的基礎(chǔ)，因此粉末材料生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該盡量靠近應(yīng)用企業(yè)，形成產(chǎn)業(yè)集群，所以相關(guān)產(chǎn)業(yè)在戰(zhàn)略布局時(shí)應(yīng)考慮產(chǎn)業(yè)鏈的完整性和市場的合理性。

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