我國3D打印鈦合金粉末材料產業(yè)發(fā)展現狀研究

鄭明月

1 前言

3D打印技術是以三維計算機輔助設計（CAD/CAM）模型為基礎，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制造技術。金屬粉末產業(yè)是3D打印產業(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、粉末流動性、振實密度等性能要求都非常高。

鈦合金具有耐高溫、高強度、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，因此3D打印鈦合金被廣泛應用于航空航天、化工、核工業(yè)、運動器材及醫(yī)療器械等領域。目前國內企業(yè)生產鈦合金粉末的主要方法有電極感應熔化起霧化法、等離子火炬霧化法和等離子旋轉電極法等。目前國內鈦粉產業(yè)整體仍處于產業(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及重點企業(yè)

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

2.1 電極感應熔化氣體霧化

電極感應熔化氣體霧化法（Electrode induction melting gas atomization，EIGA）是采用無坩堝熔化技術，原料鈦合金被加工成金屬棒置于感應線圈中加熱熔化，霧化氣流在下部對液流進行破碎，此設計避免了鈦金屬液與坩堝和導流管的直接接觸，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技術的優(yōu)點是原料無污染、加熱速率快、工藝簡單、設備清洗方便等。目前，該技術亟待解決的問題是：電極棒在霧化過程中必須穩(wěn)定停留于感應線圈固定位置，此時鈦棒垂直送料速度和自轉速度的配合不易控制；感應熔化后鈦液進入霧化噴嘴是應為連續(xù)液流，實際霧化過程出現間斷液滴，產生不穩(wěn)定熔化從而阻塞感應線圈，所以鈦合金穩(wěn)定連續(xù)熔化是EIGA技術的難點。

目前國內企業(yè)生產鈦粉的主流技術為EIGA技術。飛而康快速制造科技有限責任公司建有一條進口電極感應熔煉氣霧化鈦合金粉末生產線，并于2012年投入使用。該線年產鈦合金粉末90t，是國內目前順利通過CAAC適航認證的生產線，可提供批次穩(wěn)定、純凈度高、球形度高，可達到國際航空標準的鈦合金粉末。江蘇威拉里新材料科技有限公司是由徐州礦務集團投資組建的高新技術企業(yè)，成立于2015年，技術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，主要從事研發(fā)、生產、銷售鈦合金等十余種高端金屬粉體，可實現個性化定制高質量金屬粉體。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年氣霧化制粉技術經驗，從國外引進和自主研發(fā)建設鈦合金粉末生產線，建設多條粉末生產線，研制生產高純鈦基、鈦鋁基合金球形粉末，可批量生產高純、低氧、粒度可控的鈦合金粉末，在3D打印工況下表現出優(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”）自通過主設計開發(fā)多臺先進的EIGA制粉設備，突破并解決一系列制粉基礎科學和關鍵工程技術問題，成功研制出符合航標、國軍標、美國ASTM、AMS等標準的鈦合金粉末，材料性能與進口產品相當，產品在我國航空航天零件熱等靜壓、3D打印等工藝技術上獲得應用。

2.2 等離子火炬霧化法

等離子霧化（Plasma atomization，PA）熱源由若干個等離子噴槍構成，原料設計為絲材，生產過程中鈦絲被等離子熱源加熱熔化進而球化凝固成粉。PA技術中熔化和霧化同時進行，等離子槍將電能轉化成熱能和動能，用氬氣（Ar）防止氣體與霧化材料發(fā)生反應。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，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（D50約40μm）、霧化效率高、球形度高；PA技術的工藝難點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現最優(yōu)配合。

目前國內真正攻克等離子火炬霧化技術的企業(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，經過自主研發(fā)，成功研制等離子火炬霧化裝備，粉末球形度達到95%，細粉收得率（≤53μm）達到32%。北京環(huán)宇冠川等離子技術有限公司、山東晶鑫晶體科技有限公司、新疆天業(yè)有限公司等在相關技術研發(fā)方面取得一些進展，成都優(yōu)材科技公司、成都天齊機械五礦進出口公司主要引進國外設備。

2.3 等離子旋轉電極霧化

等離子旋轉電極霧化制粉法（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（15 000～60 000rpm）的離心力將液體拋出進而粉碎為細小液滴，隨之冷凝為鈦粉。1974年PREP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技術的優(yōu)點是粉末無污染、含氧量低（≤1 000ppm）、粉末球形度高、粒度分布窄、無衛(wèi)星粉；其缺點是：電極棒尺寸要求高（20～40mm），成本較高、電極轉速較快、轉軸容易磨損，因此保持高速旋轉電極的真空密封性和清潔度是該技術的關鍵問題。

機械科學研究總院（集團）下屬鄭州機械研究所有限公司借鑒俄羅斯和烏克蘭技術，首先實現了PREP技術的國產化。目前國內應用PREP技術生產鈦粉的企業(yè)有十幾家。西北有色金屬研究院（集團）（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“引進消化吸收再創(chuàng)新”，組建了具備國際先進水平的國內首條超高轉速30 000rpm等離子旋轉電極霧化SS—PREP金屬球形粉末工業(yè)化生產線，主要致力于鈦合金球形粉末制備，及相關產品的深度開發(fā)。西北有色院控股的西安賽隆金屬材料有限責任公司生產的SLPA—V型等離子旋轉電極霧化制粉設備，采用電極棒料立式放置結構，極大地降低了設備的振動，提高了工作轉速，研發(fā)出國際首臺立式PREP設備，創(chuàng)新的桌面級PREP設備電極棒最高轉速達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打印用高品質球形金屬粉末；該公司形成了年產200t金屬粉末、多套PREP設備的生產能力。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鈦粉供應商。

3 對我國3D打印鈦粉產業(yè)的思考

據市場研究公司ID Tech Ex報道，2017年我國3D打印材料市場規(guī)模達到29.92億元，鈦合金占比最大，達到了20.2%，即6.04億元。由于鈦合金3D打印對粉末材料各項指標要求有別于傳統(tǒng)粉末冶金，國內實際能自主生產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)轉向3D打印鈦合金粉末行業(yè)。核心技術相對欠缺使企業(yè)在轉型中遇到重重阻力，產品品質難以保障。據媒體報道，目前我國70%以上的3D打印鈦合金粉末源于進口。我國3D打印鈦粉產業(yè)存在起步晚、產業(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)標準欠缺、骨干企業(yè)缺失等問題。針對現實狀況，提出以下建議。

3.1 加強技術自主創(chuàng)新

目前世界范圍鈦粉主要供應商為美國卡彭特、英國LPW、山特維克（Sandvik Osprey）、吉凱恩（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，國內企業(yè)、科研院所和高校在鈦粉研究領域正進行積極攻關。有研科技集團下屬北京康普錫威科技有限公司在國家“863”課題資助下經過5年專項攻關突破國外專利封鎖，基本實現鈦粉產業(yè)化。航材院、中國鋼研科技集團有限公司、西北有色院、中航邁特以及中南大學、北京科技大學等單位都在進行自主創(chuàng)新，但是由于產業(yè)基礎薄弱，生產研發(fā)實體的盈利能力有限，相關科研投入不足，造成我國相關核心專利布局不足，核心技術受制于人。因此，國家層面要增加相關領域重大專項課題布局，引導相關實體的配套自籌資金投入，降低科研院所、企業(yè)和高校的財政壓力，使科研人員能放開手腳，全身心投入科研創(chuàng)新?？蒲性核⑵髽I(yè)和高校要積極合作，形成科研合力，進行大團隊攻關，強化創(chuàng)新能力，開發(fā)具有完全自主知識產權的鈦粉制備工藝。

3.2 培育優(yōu)勢骨干企業(yè)

目前我國鈦粉生產企業(yè)沒有上市公司，中小企業(yè)占據行業(yè)主流。應選擇一批具有核心技術的重點企業(yè)，以資本運作、戰(zhàn)略合作、兼并重組核技術控股等方式，進行整合，加快培育具有競爭力的龍頭企業(yè)；鼓勵3D打印大企業(yè)參與鈦粉等相關技術研發(fā)及應用領域拓展。鼓勵國有資本與風投資本進入3D打印鈦粉領域，加快重點企業(yè)知識產權布局；促進企業(yè)核心競爭力提升；打造品牌優(yōu)勢的創(chuàng)新型企業(yè)，鼓勵下游應用企業(yè)對上游粉末材料制備企業(yè)的兼并重組，在一段時間內推出若干家重點上市企業(yè)。鼓勵大中小企業(yè)協同發(fā)展，提高材料制備企業(yè)的集中度。

3.3 優(yōu)化產業(yè)發(fā)展環(huán)境

一是加快完善3D打印粉末材料相關標準。以我國相關產業(yè)發(fā)展為基礎，借鑒國外相關標準，形成完善的3D打印粉末材料工業(yè)標準體系。二是加強核心專利的前瞻性布局與保護。相關部門進行產業(yè)的前瞻研究，引導鼓勵企業(yè)、科研院所等進行深度研究，申請核心專利，補齊產業(yè)短板。加大對3D打印粉末材料專利侵權特別是核心工藝侵權事件的懲罰力度，保護自主創(chuàng)新成果，維護行業(yè)發(fā)展競爭秩序。三是積極進行相關產業(yè)布局。粉末材料是3D打印的基礎，因此粉末材料生產企業(yè)應該盡量靠近應用企業(yè)，形成產業(yè)集群，所以相關產業(yè)在戰(zhàn)略布局時應考慮產業(yè)鏈的完整性和市場的合理性。

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