快速成型制造也被称为 3D 打印，正在彻底改变各行各业的生产方式。金属粉末是实现这一目标的关键材料之一。随着增材制造的持续快速发展，了解金属粉末至关重要。
说到金属三维打印，我们很容易把注意力集中在令人叹为观止的打印机上。然而，没有高质量的金属粉末，一切都无从谈起！这种粉末是一层一层打印复杂金属部件的 "墨水"。
但怎样才能制造出好的金属粉末？如今使用的是哪种类型？这有什么关系？本指南将深入探讨您需要了解的一切。
金属粉末 101
首先，金属粉末到底是什么？简单地说，它是粉末状的精细金属材料，用作 3D 打印金属部件的基础原料。
我知道你在想什么......金属粉末听起来更像是化学实验，而不是工程材料！但粒度和一致性在这里并非偶然。用于 AM 的金属粉末是按照严格的规格精心制作而成的。
这为打印出坚固耐用的实际部件提供了所需的材料完整性。现在，让我们来解读优质金属打印粉的关键特性。
快速成型制造 金属粉末类型
许多金属和合金都可以转化为用于快速成型制造的均匀细粉。但迄今为止，只有某些金属和合金被广泛使用。
以下是当今 3D 打印中最常见的金属粉末的分类：
| 材料 | 主要特性 |
|---|---|
| 钛 | 高强度重量比、生物相容性 |
| 铝质 | 重量轻、耐腐蚀 |
| 不锈钢 | 高强度、耐腐蚀/耐热 |
| 钴铬合金 | 生物相容性、高硬度 |
| 镍合金 | 耐热/耐腐蚀、韧性 |
| 工具钢 | 可热处理，硬度高 |
钛和铝大量用于航空航天和汽车部件，因为它们对减轻重量非常重要。不锈钢广泛应用于需要良好物理性能的领域。钴铬合金和镍合金等特殊合金可用于专门的医疗或高温用途。工具钢则是热处理后需要高耐磨性的工业工具、模具和冲模的理想材料。
现在，让我们来详细分析一下粉末冶金的具体情况！
金属粉末成分
如前所述，金属粉末含有纯贱金属或金属合金，为非常细小的球形颗粒。颗粒成分如何？一般来说，粉末可分为以下几类：
- 预合金： 每个粉末颗粒内部化学成分均匀一致
- 混合合金： 不同纯金属粉末按特定比例的物理混合物，以在印刷后获得所需的块状化学成分
- 混合合金： 每个粉末颗粒中都有一部分金属或合金与另一种成分混合在一起
预合金可确保一致性，因为每个颗粒都具有相同的特性。而混合合金则可以更灵活地制造定制材料。实际上，目前使用的大多数金属打印粉都是预合金。但混合粉末和混合粉末增加了独特的功能。
主要金属粉末特性
现在进入正题！究竟是什么让金属粉末适合 3D 打印？事实证明，无论是粉末床熔融还是定向能沉积打印，粉末的特性都非常重要。以下是关键特性：
颗粒大小： 原始金属粉末的粒度从 1-100 微米左右开始，然后进一步划分为 45 微米以下的粒度范围，以保证 AM 的兼容性。常见的范围为 0-10、10-45 或 10-30 微米。
颗粒形状 球形、流动的颗粒与锯齿状的薄片相比，印刷效果最好。粉末应具有良好的流动性，不会粘在一起。
粒径分布： 分布窄，卫星和细粒最少，确保印花均匀。标准要求 95% 的高斯曲线介于指定的最小和最大尺寸之间。
表观密度 由于粉末床的物理特性，密度高于 50% 的材料固体密度印刷效果更好。但根据成分不同，数值范围很广，从 30-80% 不等。
水龙头密度 测试测量振动下的密度变化。65% 以上的敲击密度高，表明包装和铺展性更好。
流量： 粉末铺展性的关键指标从 1（非常粘稠）到 10（自由流动）。大多数金属 AM 粉介于 3-6 之间，越高越好。
还有一些更先进的指标，如豪斯纳比率、卡尔指数和斯科特密度，用于描述流动性和颗粒间相互作用对质量的影响。但我们该如何理解这些神秘的粉末统计数据呢？接下来，让我们来阐明这些特性如何转化为更好的实际金属印刷效果。
金属粉末性能为何重要
乍一看，这些颗粒粉末特性的重要性可能并不明显。毕竟，闪闪发光的新型打印机不是在做所有真正的工作吗？
简而言之，粉末比你想象的更重要！原因就在这里：
- 粉末在打印机内的铺展取决于流动动力学和堆积行为。扩散性好、堆积密度高的粉末能使打印层更薄，从而获得更高的精度和表面光洁度。
- 颗粒大小直接影响最小特征分辨率。10 微米左右的小颗粒能更好地处理复杂的细节。1 微米以下的超细纳米粉体可以产生极高的分辨率。
- 均匀的粒度分布可防止因颗粒偏析而产生气孔或裂纹等缺陷，从而影响致密印刷。
- 球形颗粒能更好地在印刷层之间融合，因为在印刷过程中，激光或电子束照射到它们时，它们会紧紧包裹并均匀熔化。
- 表观密度表示一定粉末体积中含有多少固体材料。密度越高，印刷过程中的实际金属含量就越多。
换句话说，高质量的粉末就意味着高质量的打印！现在，让我们来看看粉末究竟是如何生产出来的，其特性又是如何针对增材制造进行有意调整的。
金属粉末生产
将原材料转化为精密的 45 微米以下球形粉末本身就是一门艺术和科学。金属 AM 的专业粉末生产技术包括
- 气体雾化 用高压惰性气体喷射熔融金属合金流，使其破碎成细小液滴，然后凝固成粉末。最常见的方法是产生小球形颗粒，非常适合打印。
- 水雾化 使用水射流将熔融金属雾化成粉末。成本较低，但对钛或铝等活性材料有限制。
- 等离子雾化 使用等离子割炬雾化熔点极高、超出气体雾化能力的合金。
- 电极感应熔化 在惰性气氛下反复熔化和蒸发金属棒末端，使液滴凝固成粉末。成本较低的特殊合金来源。
- 机械损耗： 通过球磨或其他粉碎方法将金属原料研磨成粉末状。由于颗粒形状为非球形，因此最不可取。
- 电解 将纯活性金属（如钛）从熔盐中电萃取成粉末状。特种活性印刷粉末的来源。
- 化学还原： 通过化学反应和从水溶液中沉淀，生产镍等金属粉末。
下图是每种现代粉末生产技术的比较一览：
| 方法 | 成本水平 | 材料 | 粒子形态学 | 常见用途 |
|---|---|---|---|---|
| 气体雾化 | 高 | 大多数合金 | 球形 | 主流 AM 粉 |
| 水雾化 | 低 | 有限合金 | 不规则 | 小众应用 |
| 等离子体雾化 | 非常高 | 反应金属 | 球形 | 航空合金 |
| 电极熔化 | 低度/中度 | 大多数合金 | 球形 | 定制合金 |
| 机械损耗 | 低 | 任何金属 | 片状 | 传统粉末 |
| 电解 | 高 | 反应金属 | 可变 | 特种粉末 |
| 化学还原 | 中度 | 某些纯金属 | 可变 | 利基粉 |
在概述了粉末制造方法之后，现在让我们来了解一下专为增材制造设计的商用金属粉末。
金属粉末供应商
如今，许多专业供应商都在提供种类繁多的专用金属 AM 粉。不过，不同供应商的产品质量可能会有很大差异。
在评估金属粉末来源时，除基本规格外，还需考虑以下优点：
- 内部垂直整合粉末生产，以确保质量控制
- 可用材料范围包括定制合金
- 研发其他地方没有的新型合金
- 按比例定制批量生产与按需混合
- 粉末测试服务和取样能力
- 安全的存储和运输选择
- 回购或回收计划
考虑到这些买家提示，以下是全球领先的专业级 AM 金属粉末供应商：
| 金属粉末制造商 | 提供的材料 | 显著亮点 |
|---|---|---|
| AP&C | 钛、钽、铌、合金 | 航空航天焦点，等离子雾化 |
| Arconic | 铝、钛、镍合金 | 垂直整合，材料范围广 |
| 木匠添加剂 | 不锈钢、钴铬合金等 | 定制合金，注重质量 |
| Erasteel | 工具钢、不锈钢 | 多种钢材等级和处理方法 |
| 通用电气添加剂 | 钛、铝、钴铬等 | OEM 衍生产品，广泛的材料组合 |
| 霍加纳斯 | 不锈钢、工具钢 | 行业经验、规模 |
| LPW 技术 | 钛、铝、镍等 | 金属粉末研发、质量检测 |
| 普莱克斯 | 钛、镍、钴合金 | 工业气体和粉末遗产 |
| 山特维克 | 不锈钢、超级合金，更多 | 久负盛名的粉末金属领导者 |
在全球领先供应商的覆盖范围内，规模较小的专业粉末公司也在不断涌现。这些公司通常专注于使用大供应商无法提供的特殊制造技术的特殊合金。
Aubert & Duval、吉凯恩粉末冶金、力拓金属粉末等大型材料公司也支持 AM。也可在当地进行查询，因为地区性商店正在不断扩大。金属粉末供应链可满足每个人的需求！
金属粉末成本
我们已经调查了一系列专门用于打印的先进金属粉末。但是，优质 AM 级粉末的实际成本是多少呢？以下是大致数字：
- 不锈钢 316L： 每公斤 $50-120
- 铝 AlSi10Mg： 每公斤 $70-150
- 钛合金 Ti64： 每公斤 $200-500
- 铬镍铁合金 718： 每公斤 $80-220
- 钴铬合金： $130-350 每公斤
- 工具钢 H13： 每公斤 $50-150
当然，市场价格会随着供求关系而波动。但与传统的冲压烧结粉末冶金工艺中使用的金属粉末原料相比，印刷一致性需要支付一定的溢价。一分钱一分货！
金属粉末标准
增材制造需要大量关键粉末特性，因此标准发挥着重要作用。ASTM International、ISO 和 ASME 等组织发布了越来越多的金属粉末规范：
- ASTM F3049： 表征 AM 用金属粉末的标准指南
- ASTM F3056： 增材制造镍合金粉末规范
- ASTM F3301： 增材制造不锈钢粉末规范
- ISO/ASTM 52921： AM 粉末床融合的标准术语
- ISO/ASTM TS 52900： 快速成型制造 - 一般原则 - 对外购快速成型部件的要求
- ASME MSFC-Spec-3717： 气体雾化钛合金粉规范
这些文件为关键粉末特性提供了一致的测试方法和验收标准。随着更多材料和工艺的出现，标准也在不断发展。但它们已经为质量和一致性建立了基准。
金属粉末的储存和处理
金属粉末可能会产生反应，因此适当的储存和处理可防止在印刷前发生降解。一些关键措施包括
- 在惰性氩气或氮气环境下密封保存
- 使用不锈钢等非反应性容器和塑料容器
- 限制运输和储存过程中的极端温度
- 确保集装箱有接地装置
- 避免可见湿气导致结块和氧化
- 在手套箱等无氧环境中处理
- 使用危险控制措施，因为粉末可与空气燃烧
静电消散手套、服装和口罩等针对特定任务的防护装备可确保处理人员的安全。符合危险生产材料 (HPM) 标准的房间或容器可在装载打印机之前提供安全的现场粉末储存区。
精心处理金属粉末可确保高重复利用率和减少浪费！
金属粉末回收
印刷后废粉的再利用具有巨大的经济和环境优势。收集系统可将废粉过滤并与新粉混合，然后再次投入生产。
由于金属粉末在 AM 中占零件成本的比例高达 30-50%，因此回收利用可节省大量成本。一些最佳做法包括
- 在打印机上使用集成真空系统收集过喷
- 对使用过的粉末进行筛分，以去除飞溅物等大块杂质
- 以可控比例将回收粉末与原浆混合
- 对回收的混合物进行质量检查，以确保再利用的可行性
- 在多次重复使用后查看产量是否下降
- 必要时对降解粉末进行化学精制或重新雾化
由于 快速成型制造 随着三维打印技术的持续爆炸式发展，金属粉末的回收利用对增长至关重要。这是未来 3D 打印行业可持续发展的关键支柱。
金属粉末开发的未来
金属粉末推动了 3D 打印革命。粉末技术的不断进步也将为下一代应用提供支持。目前活跃的研发领域包括
- 新型合金： 新的化学成分使材料性能超越了传统冶金学的范畴
- 纳米粉末： 超细亚微米颗粒，分辨率极高
- 混合粉末： 提高质量的金属/陶瓷/聚合物复合混合物
- 粉末改性： 涂层和处理，以提高流动性或反应性
- 特征描述： 改进质量控制的计量和测试
- 回收： 提高再利用和回收能力
从小型初创公司到最大的材料公司，大量投资都在不断改进 AM 粉末。这意味着更多利用这些粉末的打印应用即将问世！
常见问题
与传统金属粉末相比，金属 AM 粉末的主要优点是什么？
AM 粉末注重颗粒形状、尺寸分布和流动性能等特性，以实现印刷，而不仅仅是用于压制和烧结的成分。
如何将金属 AM 粉末制成具有紧密尺寸分布的球形？
在严格控制的条件下对熔融合金进行气体和等离子雾化，可确保颗粒的精确一致性。
快速成型金属零件在使用前是否总是需要进行后处理？这涉及到什么？
热等静压（HIP）和热处理等后处理工序可通过改变微观结构使印刷品致密化并提高机械性能。通常还需要进行表面处理。
生物医学打印应用中常用的金属合金粉末有哪些？
由于钛和钴铬粉具有良好的生物相容性，因此非常普遍。不锈钢也可用于外科手术器械等成本较高的领域。
一箱普通金属印刷粉（如 AlSi10Mg 或 316L 不锈钢）的重量是多少？如何运输？
集装箱通常在氩气等保护气氛下用托盘装运 10-30 公斤的货物。少量样品可使用真空密封袋。但一定要遵守安全预防措施！