中國(guó)粉體網(wǎng)訊 7月17日，由中國(guó)粉體網(wǎng)主辦的2025高端金屬粉體制備與應(yīng)用技術(shù)大會(huì)在湖南長(zhǎng)沙成功召開。會(huì)議期間，我們邀請(qǐng)到南方科技大學(xué)黎興剛教授做客《對(duì)話》欄目，黎教授非常詳細(xì)地為我們講解了球形金屬粉體的制備與應(yīng)用及氣霧化制粉技術(shù)的發(fā)展情況。
中國(guó)粉體網(wǎng)：請(qǐng)簡(jiǎn)要介紹一下球形金屬粉體的性能特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域及制備方法有哪些？
黎教授：
（1）球形金屬粉體的性能特點(diǎn)
球形金屬粉體具有高流動(dòng)性、高堆積密度以及優(yōu)異的燒結(jié)性能，其成型件亦具有優(yōu)異的力學(xué)性能。
高流動(dòng)性：球形結(jié)構(gòu)使其在輸送、填充等過(guò)程中阻力小，流動(dòng)性遠(yuǎn)優(yōu)于不規(guī)則形狀粉體，便于自動(dòng)化生產(chǎn)中的精準(zhǔn)計(jì)量和布料。
高堆積密度：球體緊密堆積時(shí)空隙率低，堆積密度高，能提高成型件的致密度，降低內(nèi)部缺陷風(fēng)險(xiǎn)。
均勻燒結(jié)性：球形顆粒間接觸面積均勻，燒結(jié)過(guò)程傳質(zhì)效率高，易形成均勻致密的燒結(jié)體，提升材料力學(xué)性能。
穩(wěn)定的力學(xué)性能：成型后零部件組織均勻，強(qiáng)度、韌性等指標(biāo)優(yōu)于非球形粉體制品。
（2）球形金屬粉體的應(yīng)用領(lǐng)域
球形金屬粉體的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，根據(jù)其應(yīng)用形式，可以分為以下幾類：
a.直接成型原料
3D打印核心耗材：作為金屬3D打印技術(shù)（如SLM、SLS、binder jetting等）的直接原料，粉體顆粒通過(guò)激光/電子束熔融燒結(jié)，直接成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，無(wú)需模具即可制造傳統(tǒng)工藝難以實(shí)現(xiàn)的異形件、鏤空結(jié)構(gòu)件，已用于制造航空航天復(fù)雜構(gòu)件、醫(yī)療植入物、精密模具等。
粉末冶金壓制成型原料：通過(guò)模具壓制成型，經(jīng)燒結(jié)后制成高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，已用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件、汽車精密零件、高強(qiáng)度齒輪等高精度結(jié)構(gòu)件。
b.功能性漿料/涂層原料
導(dǎo)電漿料：將球形金屬粉體（如銀、銅粉）與有機(jī)載體混合制成導(dǎo)電漿料，用于電子線路印刷、電極制造，利用其高導(dǎo)電性和分散性提升電子元件性能。
熱噴涂涂層：將粉體通過(guò)熱噴涂技術(shù)（如等離子噴涂）制備耐磨、耐腐蝕、耐高溫涂層，用于機(jī)械零件表面強(qiáng)化。
c.復(fù)合/功能材料基體
金屬基復(fù)合材料：作為基體與陶瓷顆粒、碳纖維等增強(qiáng)相復(fù)合，制備輕質(zhì)高強(qiáng)、耐磨耐蝕的復(fù)合材料，用于航空航天、高端裝備等領(lǐng)域。
生物醫(yī)用復(fù)合材料：與生物活性陶瓷等復(fù)合，制備兼具力學(xué)性能和生物相容性的植入材料，優(yōu)化醫(yī)療植入體的使用效果。
d.精密零部件修復(fù)
在航空航天、高端裝備等領(lǐng)域，利用球形金屬粉體通過(guò)3D打印技術(shù)對(duì)受損零件（如渦輪葉片、模具型腔）進(jìn)行精準(zhǔn)修復(fù)，延長(zhǎng)零件使用壽命，降低更換成本。
（3）球形金屬粉體的制備方法
一般金屬由氣態(tài)或熔融液態(tài)轉(zhuǎn)變成粉末時(shí)，粉末顆粒形狀趨于球形；由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉勰⿻r(shí)，粉末顆粒趨于不規(guī)則形狀；由水溶液電解法制備的粉末多數(shù)呈樹枝狀；采用氫化脫氫法所得粉末的外形普遍呈現(xiàn)棱角或鋸齒狀。因此，金屬熔體霧化法成為球形金屬粉末的主要制備方法。
所謂的霧化，是指液體由于外力作用或自身不穩(wěn)定性破碎形成液膜、液線、液滴等非連續(xù)相的過(guò)程。雖然霧化的英文專業(yè)術(shù)語(yǔ)Atomization中包含Atom這個(gè)單詞，但是僅在物理作用下，這些非連續(xù)相的尺寸一般在亞微米至毫米級(jí)別（10-7-10-3 m），遠(yuǎn)未達(dá)到原子尺度。這些非連續(xù)相在表面張力的作用下趨于球形，在凝固、蒸發(fā)等固化機(jī)制作用下形成球形/近球形粉末顆粒。
在金屬熔體霧化工藝中，具有一定過(guò)熱度的金屬熔體被輸送到霧化區(qū)被霧化成粉末。根據(jù)使熔體霧化過(guò)程發(fā)生所施加的外力或能量，目前比較成熟的金屬熔體霧化工藝包括氣體/水霧化（介質(zhì)動(dòng)能）、離心霧化（旋轉(zhuǎn)體離心力）、超聲霧化（振動(dòng)）、壓力霧化（勢(shì)能）等。
不同的熔煉工藝與不同的霧化工藝結(jié)合形成多種球形金屬粉末制備工藝，如美國(guó)Crucible公司開發(fā)的水冷銅坩堝熔煉–氣體霧化工藝、德國(guó)ALD公司開發(fā)的電極感應(yīng)熔煉–氣體霧化工藝（EIGA）、加拿大AP&C公司開發(fā)的等離子霧化工藝（PA）、俄羅斯的等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化工藝（Plasma Rotating Electrode Process，PREP）等多用來(lái)制備高溫難熔、高活性金屬粉末，如鈦及鈦合金粉末等；傳統(tǒng)的耐火材料坩堝熔煉–氣體霧化工藝，在真空/反沖惰性氣體工況下一般稱作真空感應(yīng)熔煉–氣體霧化（VIGA），則通常用來(lái)制備鋁合金、銅合金、不銹鋼、鎳基高溫合金等低活性金屬粉末。
中國(guó)粉體網(wǎng)：請(qǐng)簡(jiǎn)要介紹氣霧化制粉中衛(wèi)星粉、空心粉的形成機(jī)理及控制方法。
黎教授：
（1）衛(wèi)星粉形成機(jī)理及控制方法
氣霧化粉末，尤其是輕合金粉末，普遍存在衛(wèi)星粉現(xiàn)象，即小顆粒在大顆粒表面粘附的現(xiàn)象，也可泛指粉體中的顆粒粘接/團(tuán)聚現(xiàn)象。在氣體霧化過(guò)程中，霧化熔滴粒度分散，在復(fù)雜的氣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)中（可壓縮、超/跨/亞音速、湍流、宏觀/介觀尺度渦流等），具有不同動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)狀態(tài)的熔滴/顆粒發(fā)生碰撞的頻率大幅提高，導(dǎo)致氣霧化粉末中顆粒粘接/團(tuán)聚的現(xiàn)象較離心霧化等粉末更為明顯。一般來(lái)說(shuō)，小熔滴由于慣性小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更易受氣流場(chǎng)影響，且凝固速率較快，與液態(tài)/未完全凝固的大熔滴發(fā)生碰撞，隨后熔滴之間發(fā)生熔結(jié)或燒結(jié)，大熔滴凝固后，形成小顆粒粘結(jié)在大顆粒表面的衛(wèi)星粉現(xiàn)象。
衛(wèi)星粉形成的直接原因就是顆粒/熔滴發(fā)生了碰撞，因此，可以基于減少顆粒/熔滴碰撞頻率與抑制顆粒/熔滴碰撞粘接過(guò)程兩條途徑，建立多層次、多尺度的衛(wèi)星粉控制機(jī)制。譬如，在宏觀尺度上，可以通過(guò)向霧化室內(nèi)引入輔助氣流、抽吸或優(yōu)化霧化室結(jié)構(gòu)，抑制或消除霧化室內(nèi)回流，減少粉塵回旋，進(jìn)而降低顆粒/熔滴之間的碰撞頻率。在介觀尺度上，可以通過(guò)優(yōu)化噴霧中的多相流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及噴霧特征，或者降低噴霧中熔滴的粒度分布寬度從而減少顆粒/熔滴的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)差異，均可降低熔滴/顆粒之間的碰撞頻率。在微觀尺度上，可以在顆粒/熔滴之間引入排斥力，譬如施加外電場(chǎng)，使霧滴荷電，霧滴帶有同性電荷，庫(kù)侖排斥阻止霧滴在飛行過(guò)程中的碰撞接觸，從而抑制衛(wèi)星粉的形成，但是由于金屬是導(dǎo)體，其效果不如在非金屬粉體中明顯。
（2）空心粉形成機(jī)理及控制方法
空心粉是氣霧化粉末中較常見(jiàn)的另一類缺陷�？招姆壑械目锥�/孔隙一般存在兩種形態(tài)：一種是霧化氣體被束縛在粉末內(nèi)部形成的閉孔，其尺寸一般為粉末尺寸的10%~90%，在粉末的中心區(qū)域以及靠近粉末表面的區(qū)域均有分布，一般在粒度較粗的粉末中常見(jiàn)；另一種是枝晶間凝固收縮形成的孔隙，其尺寸一般小于粉末尺寸的5%，在粉末內(nèi)部與表面有分布。
在粉末的致密化過(guò)程中，如熱等靜壓、熱擠壓等，被束縛在粉末內(nèi)部的氣體會(huì)在高壓作用下收縮形成更細(xì)小的具有較高內(nèi)壓的孔洞，然而一旦將成形件置于高溫?zé)o外壓條件下，存留在粉末中的孔洞可能會(huì)繼續(xù)膨脹長(zhǎng)大，導(dǎo)致材料的致密度降低以及形成孔隙缺陷，降低材料的疲勞強(qiáng)度與斷裂韌性。在增材制造工藝中，粉末被激光、電子束等快速熔化后又快速凝固，被束縛在粉末內(nèi)部的氣體能否逸出尚不明確，空心粉對(duì)3D打印工藝以及成形件的致密度、力學(xué)性能等的影響有待進(jìn)一步研究。
一般認(rèn)為空心粉中閉孔的形成主要與液滴的膜式破碎機(jī)制有關(guān)。對(duì)于黏度較低的液滴，在膜式破碎過(guò)程中，液滴在氣動(dòng)力作用下會(huì)形成袋狀液膜，隨后液膜破碎形成大量細(xì)小的液滴；對(duì)于金屬熔滴而言，熔滴的變形破碎過(guò)程伴隨著熔滴的快速冷卻與凝固，在該過(guò)程中熔滴的黏度急速升高，袋狀液膜的破碎過(guò)程可能被抑制，變形過(guò)程增大，袋狀液膜開口處結(jié)合，導(dǎo)致袋內(nèi)的霧化氣體被包裹在熔滴內(nèi)。基于上述原理，可以通過(guò)降低或提高霧化能量使液滴避開膜式破碎機(jī)制，從而降低粉末中閉孔的形成幾率，但由于霧化過(guò)程中往往多種液滴破碎模式共存，過(guò)程控制難度較大，而且可能會(huì)影響特定粒度區(qū)間的粉體收得率。
霧化氣流與液體表面的剪切作用亦會(huì)導(dǎo)致大量的氣體被液體表面捕獲。因此，可以嘗試優(yōu)化霧化器布局，降低霧化氣流與熔體射流的剪切作用，進(jìn)而降低空心粉的形成幾率。
中國(guó)粉體網(wǎng)：制粉裝備對(duì)于氣霧化制粉技術(shù)而言是不是非常關(guān)鍵？目前裝備的國(guó)產(chǎn)化情況如何？
黎教授：氣霧化制粉裝備包括霧化系統(tǒng)、熔煉系統(tǒng)以及真空、液壓驅(qū)動(dòng)、粉末收集等附屬系統(tǒng)。制粉裝備是制粉技術(shù)的體現(xiàn)，決定了粉末的生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本以及粉末質(zhì)量，制粉裝備各系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行保證了制粉工藝與粉體性能的穩(wěn)定性。
目前我國(guó)霧化制粉裝備基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。國(guó)內(nèi)多家企業(yè)已成功研發(fā)并生產(chǎn)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氣霧化制粉裝備，部分裝備的技術(shù)水平已達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。在大容量真空氣霧化裝備方面，中機(jī)新材、河北敬業(yè)、中航邁特、威拉里等企業(yè)先后成功運(yùn)行了500公斤級(jí)VIGA制粉裝備，南通金源智能成功運(yùn)行了1000公斤級(jí)超大容量VIGA制粉設(shè)備。但在以水冷銅坩堝-氣霧化工藝為代表的大容量、高純凈高溫難熔合金粉體制備技術(shù)方面，仍有待突破，這也是我們團(tuán)隊(duì)的一個(gè)努力方向。
除了氣霧化裝備，國(guó)產(chǎn)PREP裝備也取得了巨大突破，代表企業(yè)有西安賽隆、歐中科技、中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán)鄭機(jī)所等。其中，西安賽隆開發(fā)的PREP裝備，電極棒料轉(zhuǎn)速可達(dá)50,000轉(zhuǎn)/分鐘，達(dá)到國(guó)際最高水平。
中國(guó)粉體網(wǎng)：您在氣霧化制粉技術(shù)方面有哪些進(jìn)展和突破？
黎教授：我們?cè)谛滦蜌忪F化制粉裝備及技術(shù)研發(fā)、粉體成本及質(zhì)量控制、金屬基復(fù)合粉體短流程制備技術(shù)研發(fā)等方面具有一定的工作積累。
提出了低維度熔體霧化的概念，作為第一發(fā)明人主持研發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)耦合壓力-氣體霧化制粉裝備及相關(guān)技術(shù)，在低能耗下，從優(yōu)化熔體特征入手，提高霧化效率，將3D打印用金屬粉體收得率，相比傳統(tǒng)氣體霧化工藝（20~45 vol.%），提高到（60~90 vol.%）。目前，該技術(shù)已被用于錫合金、鋅合金、鋁/鎂合金、模具鋼、鎳基高溫合金等合金粉末的中試生產(chǎn)。
深入開展了氣體霧化制粉過(guò)程中衛(wèi)星粉的形成機(jī)理與控制方法的研究。著重從多相流體力學(xué)的角度揭示了氣體霧化制粉過(guò)程中衛(wèi)星粉的形成機(jī)理，為衛(wèi)星粉控制方法的探索提供了理論依據(jù)。研發(fā)了多尺度、多層次的衛(wèi)星粉有效控制方法，包括基于氣體整流的回流/粉塵回旋控制、雙噴嘴霧化、自耗電極等離子弧熔煉氣霧化、氣流磨后處理等，實(shí)現(xiàn)了高球形度、無(wú)/少衛(wèi)星粉粘接的高品質(zhì)3D打印用粉體的低成本制備。相關(guān)技術(shù)已在中金嶺南、中機(jī)新材等企業(yè)推廣應(yīng)用。
開發(fā)了基于熔滴-顆粒共噴射、原位反應(yīng)霧化等工藝的顆粒強(qiáng)化金屬基復(fù)合粉體短流程制備技術(shù)，可以在霧化制粉階段直接實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化顆粒與金屬基體顆粒的復(fù)合，避免了傳統(tǒng)復(fù)合粉體制備工藝中的機(jī)械混合過(guò)程，保證了粉體質(zhì)量。該類復(fù)合粉體可以直接用于增材制造金屬基復(fù)合構(gòu)件或其他粉末冶金成型工藝�；诩{米顆粒彌散強(qiáng)化的高強(qiáng)鋁基/高溫鎳基復(fù)合粉體，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)鋁基/高溫鎳基難打印合金的無(wú)裂紋打印。
上述工作獲得了科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、GF科工局進(jìn)口替代項(xiàng)目、北京市科技新星計(jì)劃、深圳市科創(chuàng)局基礎(chǔ)研究項(xiàng)目以及技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目等項(xiàng)目的支持。
中國(guó)粉體網(wǎng)：在氣霧化制粉技術(shù)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)與國(guó)外相比發(fā)展得如何？
黎教授：氣霧化等霧化制粉技術(shù)并不是新技術(shù)。近年來(lái)，金屬增材制造（3D打�。┘夹g(shù)的興起推動(dòng)了國(guó)內(nèi)外包括氣霧化在內(nèi)的霧化制粉技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。在2018年的時(shí)候，國(guó)內(nèi)高端3D打印用金屬粉末仍依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)高性能粉末供應(yīng)不足，導(dǎo)致粉末價(jià)格高昂。譬如，常用的激光粉床熔融用TC4鈦合金粉末的價(jià)格不低于3000元/千克，18Ni300模具鋼粉末的價(jià)格也在2000元/千克以上。造成這種局面的原因：一方面，國(guó)外金屬3D打印設(shè)備廠商將設(shè)備與粉末原料捆綁；另一方面，國(guó)產(chǎn)霧化制粉裝備和技術(shù)落后于國(guó)外，國(guó)產(chǎn)粉末生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本、粉體質(zhì)量均處于劣勢(shì)。高端制粉裝備需要進(jìn)口，譬如從德國(guó)ALD進(jìn)口電極感應(yīng)氣霧化（EIGA）設(shè)備。
近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)金屬3D打印裝備、3D打印用金屬粉材逐步打破了國(guó)外的壟斷，國(guó)產(chǎn)粉末在成本與質(zhì)量控制方面取得了顯著的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口替代。目前，激光粉床熔融用TC4鈦合金粉末、18Ni300模具鋼粉末等常用粉末的價(jià)格甚至降至每公斤五百元以下。這是國(guó)內(nèi)金屬增材制造行業(yè)產(chǎn)學(xué)研共同努力奮斗的成果，企業(yè)起到了很好的引領(lǐng)作用。
不同于傳統(tǒng)的粉末冶金產(chǎn)業(yè)鏈，國(guó)內(nèi)增材制造行業(yè)的領(lǐng)頭羊都在嘗試甚至已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了3D打印裝備、3D打印用原料、3D打印服務(wù)全產(chǎn)業(yè)鏈的融合。多家產(chǎn)學(xué)研單位都在同時(shí)開展氣霧化、離心霧化、等離子霧化等多種霧化制粉技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。在霧化制粉領(lǐng)域具有較深厚技術(shù)沉淀的國(guó)有企業(yè)，隨著金屬3D打印市場(chǎng)的逐步打開，也開始加大了投入。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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