摘要：增材制造（3D打印）技術的快速發展對核心原材料——球形金屬粉末的性能提出了更高要求。本文系統綜述了增材制造用球形金屬粉末的制備技術、材料研究進展及應用領域。重點分析了氣霧化法（GA）、等離子旋轉電極霧化法（PREP）、等離子霧化法（PA）等主流制備工藝的技術原理與優化路徑，介紹了球形金屬粉末在航空航天、醫療、能源、消費電子等領域的應用情況，并展望了增材制造用球形金屬粉末制備技術的發展趨勢。
關鍵詞：增材制造；球形金屬粉末；霧化法；氣霧化；等離子霧化
1 引言
近年來，增材制造技術的快速發展使增材制造行業規模得到迅速擴大，也促使增材制造的產業格局逐步完善，目前增材制造已成為智能制造和先進制造的關鍵模塊。增材制造技術通過逐層堆疊材料實現復雜構件的快速成型，其核心原料球形金屬粉末需滿足高純度、高球形度、窄粒度分布等要求。增材制造產業的快速發展帶動了球形金屬粉末的巨大市場需求[1]，因此如何高效制備高品質球形金屬粉末成為增材制造技術發展與變革的關鍵。隨著氣霧化、等離子霧化等技術的突破，球形金屬粉末的工業化生產逐步成熟。本文從制備技術、發展方向、產業化應用等方面，全面解析增材制造用球形金屬粉末的研究進展。
2 氣霧化法
2.1 技術原理
氣霧化法（Gas Atomization，GA）起源于19世紀20年代，是利用高速氣流沖擊金屬熔液，將氣體動能轉化為微小金屬熔滴的表面能，最終冷卻獲得球形金屬粉末的工藝[2]。為解決活潑金屬粉末制備的難題，用惰性氣體作為霧化介質，進而形成了惰性氣體霧化法（Inert Gas Atomization，IGA）；隨后為提升金屬粉末的品質，將真空熔煉技術與惰性氣體霧化技術相結合，發展出真空氣霧化法（Vacuum Gas Atomization，VGA），可顯著降低設備內部的氧含量，有效控制合金元素的氧化燒損和夾雜，提高粉末的純凈度，并逐漸成為氣霧化制粉的主流方法[3]。在氣霧化過程中，影響霧化效率和粉末特性的重要工藝參數有霧化介質、霧化壓力、金屬熔液過熱度、金屬液流直徑和霧化噴射角度等。
氣霧化法可輕松實現規模化生產，是目前增材制造用球形金屬粉末的主要生產方式。氣霧化法制備的金屬粉末冷卻速率快、成分均勻、球形度高、粒度分布較寬，其中：15~53μm粒徑范圍的粉末收得率可達35%~45%，可用于選區激光熔化技術；53~150μm粒徑范圍的粉末則可用于同軸送粉的激光立體成型技術。
2.2 發展方向
(1) 基于De Laval超音速噴嘴的新型霧化器結構設計。將具有收縮-擴張形態的De Laval噴嘴應用于霧化器從而獲得超音速的噴射氣流，以提升霧化效率和細粉收得率，已經成為目前氣霧化生產領域中較為成熟的技術，而具有復合效果的新型霧化器結構設計將會是今后氣霧化技術的重要發展方向。對霧化器進行結構優化設計，使霧化器同時具備De Laval噴嘴形態和能形成共振效應的Hartmann振動管結構，可在霧化過程中獲得超音速噴射氣流的同時產生80~100kHz脈沖頻率的Hartmann共振，從而形成超聲霧化，進而顯著提升高速氣流的破碎效果。
(2) 熱氣體霧化技術。熱氣體霧化技術是在傳統氣霧化技術的基礎上，通過提高霧化介質溫度，使氣體在霧化器噴嘴出口處膨脹，達到提升噴射速度的目的。在相同霧化壓力和耗氣量下，提高霧化介質溫度可使霧化氣體動能顯著提高，從而提升霧化效率，有效降低粉末的平均粒徑。
(3) 空心粉的控制技術。通常認為空心粉的形成與液滴的袋式破碎機制有關。
空心是氣霧化粉末中常見的一類缺陷，空心粉的存在會導致材料成型致密度降低，對材料的疲勞強度與斷裂韌性有不利影響。在氣霧化過程中往往通過降低霧化氣體動能的方式抑制粉末內部孔隙的形成，從而減少空心粉的形成。另外，可通過霧化器的結構優化設計，降低氣流噴射與金屬液流的剪切作用，從而降低空心粉的形成概率。
(4) “衛星球”控制技術。“衛星球”的形成源于氣霧化過程中高壓氣體噴射引起的氣流反向回流，在此過程中，粒徑細小的金屬粉末隨氣流旋流向上運動，粘在未完全凝固的粗粉末顆粒表面，形成不同程度的“衛星球”，導致粉末流動性降低，影響粉末的使用性能。在霧化設備上采用外加氣流的方式對氣體旋流產生干擾，可避免“衛星球”的形成。因此如何實現對設備結構的有效改造，并設計匹配的霧化工藝，成為避免出現“衛星球”并改善金屬粉末性能的技術發展方向。
3 等離子旋轉電極霧化法（PREP）
3.1 技術原理
等離子旋轉電極霧化法（Plasma Rotating Electrode Process，PREP）是利用等離子槍產生的等離子弧作為高溫熱源，熔化高速旋轉的金屬棒料端面形成熔融金屬液膜，液膜在棒料高速旋轉離心力的作用下形成微小液滴，最終在惰性氣體（氬氣或氦氣）的冷卻作用下快速凝固形成球形金屬粉末的一種技術。PREP技術最初由KAUFMAN[4]發明，后由美國Nuclear Metals公司實現工業化裝備制造，開發出一種無坩堝高純凈金屬粉末生產方法[5]。
目前，美國、俄羅斯和烏克蘭在PREP設備制造及技術應用方面仍處于世界領先地位。美國Starmet公司（原Nuclear Metals公司）在20世紀80年代初就開發出PREP設備，采用直徑63.5mm和89mm兩種規格的電極棒料，最高工作轉速可達25000r/min，該設備已成功應用于航空發動機渦輪盤的量產。俄羅斯Granule系列設備通過提升電極轉速至30000r/min，實現D50≤60μm的超細粉末制備，顯著拓展了其在激光選區熔化（SLM）中的應用。我國西安歐中材料科技有限公司采用單獨設計與等離子槍分離的惰性氣體循環系統冷卻通道的方法，對霧化室進行高效冷卻，大幅提升了PREP設備的冷卻效果。湖南頂立科技有限公司開發出可使用直徑70~100mm的棒料，最高轉速可達18000~30000r/min的PREP設備。
等離子旋轉電極霧化法可用于鎳基高溫合金、鋁合金、不銹鋼等多種成分金屬材料的粉末制備。與氣霧化法制備的粉末相比，該技術制備的合金粉末具有較高的球形度、良好的流動性、較高的純凈度和較低的氧含量等特點，而且制備過程基本不會出現粉末碰撞的情況，避免空心粉及衛星粉的形成，這也減少了粉末缺陷的形成[6]。
3.2 發展方向
(1) 中小粒徑金屬粉末的PREP制備。PREP技術制備的金屬粉末球形度高、流動性好、表面光潔，但粉末粒徑較大，更適用于激光立體成形技術。隨著增材制造產業的發展，對優質中小粒徑金屬粉末的需求量日趨增多，如何通過裝備硬件升級和霧化工藝的匹配和調控，實現粒度可控及中小粒徑粉末收得率的大幅提升，以其自身技術優勢匹配多種增材制造成形方式，成為PREP技術的重要發展方向。
(2) 難熔金屬粉末的PREP制備。難熔金屬鈮、鉬、鎢、鉭因優良的材料特性，其粉末制品及增材制造制件在重要的工業領域有巨大的市場需求，但由于熔點高（鈮熔點2477℃、鉬熔點2623℃、鎢熔點3422℃、鉭熔點2996℃），采用氣霧化方式獲得金屬粉末難度巨大，而PREP技術具有高的熱源能量密度，可適用于高熔點金屬的霧化制備。因此，應用PREP設備實現低氧含量、高球形度、高純凈度難熔金屬粉末制備也成為PREP技術的重要發展方向。
4 等離子霧化法（PA）
4.1 技術原理
等離子霧化（Plasma Atomization，PA）技術以金屬絲材為原材料，利用等離子火炬產生的聚焦等離子射流將金屬絲材熔化，形成微小金屬熔滴，下落過程中在表面張力的作用下，冷卻凝固形成球形粉末[7]，金屬絲材的霧化及冷凝過程均處于惰性氣氛環境中，并且采用非接觸式霧化過程，因此可減少氧化，獲得高純度的金屬粉末。PA技術最初由TSANTRIZOS等[8]研發并申請專利，加拿大AP&C公司于1998年將PA技術實現了工業化。
PA技術霧化方式獨特，具有顯著的工藝優點。原材料金屬絲材依據相關國家標準進行制造和檢測，從而在原材料品質控制方面為確保金屬粉末高品質提供了必要保證；采用無坩堝非接觸式霧化方式，金屬絲材的熔化和霧化同時進行，這種霧化方式不僅霧化效率高，也避免了粉末在制備過程中混入雜質造成污染，粉末純凈度高，氧含量較低[9]；在等離子火炬的作用下，惰性霧化氣體被加熱到高溫狀態，并具有較高的噴射速度，這樣可使金屬熔滴的凝固速率減慢，金屬熔滴在表面張力的作用下充分球化從而獲得高球形度的金屬粉末。與其他霧化方法相比，PA技術制備的金屬粉末粒徑分布較窄，粒徑不大于53μm的粉末收得率極高，并且具有高球形度和低雜質含量的特性，金屬粉末成形件微觀組織均勻，力學性能優異。但是由于PA技術采用金屬絲材霧化方法制備粉末，原材料的制造成本較高；PA技術霧化金屬絲材的方式也限制了生產效率，難以實現單臺設備的快速規模化量產；由于PA技術的熱源為高功率等離子槍，能源消耗量較大，難以實現節能減排，同時會顯著增加金屬粉末的制備成本。
4.2 發展方向
伴隨球形金屬粉末市場需求不斷走高，等離子霧化技術的發展重心逐漸轉向生產效率提升。研究顯示，金屬絲材預熱能夠顯著增強霧化效果，這使得以金屬絲材預熱為基礎的等離子霧化技術極具發展潛力，有望在未來占據重要地位。然而，金屬絲材制備存在局限性，大量金屬難以加工成絲材形態，導致等離子霧化技術的應用受限。若想突破這一瓶頸，拓展技術適用的金屬種類，擺脫對金屬絲材的依賴迫在眉睫，而研發高性能的高能等離子槍則是實現這一目標的核心途徑。
5 產業化應用
5.1 航空航天領域
球形金屬粉末在航空航天領域主要用于制造高性能關鍵部件，例如航空發動機的高溫合金渦輪盤、壓氣機葉片以及火箭噴嘴、熱屏蔽系統等。其高球形度與均勻粒徑分布確保了粉末的高流動性，能夠通過激光選區熔化（SLM）、電子束熔融（EBM）等增材工藝制造復雜輕量化結構，例如鈦合金機身框架，可在保證力學強度的同時大幅減輕重量。某戰斗機采用3D打印鈦合金加強件后，材料利用率提升5倍，制造周期縮短2/3，顯著提升了設計自由度和生產效率。
5.2 醫療領域
在醫療領域，球形金屬粉末以鈦合金（如Ti-6Al-4V）、鈮等材料為主，被廣泛用于骨科植入物（髖/膝關節）和牙科修復體的定制化生產。其優異的生物相容性、高致密度和表面光潔度能夠完美匹配患者解剖結構，降低排異風險。此外，通過3D打印技術可制造多孔結構的骨植入體，促進細胞生長與骨整合。鈮粉還被用于制造精密手術器械和放射性醫療設備，滿足醫療領域對個性化和功能一體化的需求。
5.3 能源與核工業領域
球形金屬粉末在核能領域用于制造耐高溫、抗輻射的反應堆核心組件，例如鈮基合金燃料棒包殼和鈦合金冷卻管道。其高純度與化學穩定性可確保極端環境下的長期可靠性。在新能源領域，球形鈮粉作為催化劑載體應用于氫燃料電池電極，提升反應效率；鈦合金粉末則用于制造耐腐蝕的電解水制氫裝置，推動清潔能源技術的升級。
5.4 電子與超導領域
鈮基球形粉末憑借獨特的高頻介電性能和超導特性，成為高端電子元器件的關鍵材料。例如，鈮粉可制成高性能電容器，廣泛應用于5G通信基站和航天電子設備；其超導臨界溫度高的特性還支持制造超導磁體、量子計算器件等前沿科技產品。此外，納米級球形金屬粉末（如銅、銀）正推動微型傳感器和柔性電子器件的突破性發展。
5.5 增材制造專用材料領域
作為增材制造的核心耗材，球形金屬粉末（如不銹鋼316L、鎳基合金Inconel 718）需滿足粒徑分布窄、氧含量低等嚴苛要求，以確保打印件的致密度和力學性能。其適配性覆蓋激光熔覆、粉末床熔融等多種工藝，能夠實現復雜流道、鏤空拓撲等傳統技術難以加工的結構，廣泛應用于模具隨形冷卻水道、定制化工業備件的快速制造，推動制造業向小批量、高精度方向轉型。
5.6 化工與防護領域
在化工領域，球形金屬粉末通過熱噴涂或冷噴涂工藝形成耐腐蝕、耐磨損的涂層，例如鈮粉涂層用于保護酸性反應釜內壁，不銹鋼粉末強化油氣管道抗硫化氫腐蝕能力。此外，鈮基催化劑在石油裂解、合成氨等過程中顯著提升反應效率，而鈦合金粉末制造的耐壓閥門和泵體則成為化工裝備輕量化升級的關鍵材料。
6 結語
增材制造用球形金屬粉末的制備技術正朝著高純度、超細化、智能化的方向演進。氣霧化法與PREP技術的優化顯著提升了粉末性能，而高溫合金、鈦合金等材料的突破則推動了航空航天等高端領域的應用。未來，通過綠色回收、跨學科協同及標準化體系建設，球形金屬粉末將在增材制造產業鏈中發揮更核心的作用。
參考文獻：
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