中國粉體網訊 球形金屬粉體作為一種優質的冶金原材料，具有形狀規則、性質穩定、致密度高、流動性極好等特點，不僅適用于傳統粉末冶金領域的高端產品制造，還適用于金屬基增材制造、熱噴涂、金屬注射成形和微電子封裝以及復合粉體制備、磁粉芯材料制備等領域。可以說，球形金屬粉體在高端制造業蓬勃發展的時代將具有巨大的潛力。
世界各國高度重視優質球形金屬粉體巨大的市場需求，紛紛投入大量資金開展制粉技術的研究。我國冶金工業經過近些年的發展，粉體種類已經明顯增多，但還是無法滿足市場需求，在球形粉體制造工藝方面與國外傳統優勢企業相比差距明顯。國內使用的很多高性能球形金屬粉體仍依賴國外進口，尤其是增材制造領域的優質球形金屬粉體原料，高昂的價格使生產成本增加，也制約了這些先進技術的發展與推廣，因而加快開發具有我國自主知識產權的創新制粉工藝具有十分重要的意義。
球形金屬粉體的應用領域
金屬基增材制造
增材制造被譽為第三次工業革命的標志性技術，這項技術顯著提高了材料利用率與生產效率。金屬具有良好的力學性能與電磁特性，應用廣泛，金屬基增材制造逐漸成為技術發展的重點。高性能的球形金屬粉體是其關鍵性原材料，粉體的品質和價格直接影響了成型零件的綜合力學性能和生產成本。
高品質、低成本的球形金屬粉體材料作為增材制造的重要一環，已經成為德國EOS公司、美國Stratasys公司、美國GE公司、美國3D Systems等知名增材制造企業的產業布局重點。
金屬注射成形
金屬注射成形技術是由注射成型、粉末冶金工藝結合發展而來的一種新型成型技術，可提供比壓鑄更高的強度、比熔模或型砂鑄造更好的公差，適用于高密度、高精度金屬零件的生產，以及結構復雜的小型金屬零件的批量生產。
球形粉體松裝密度高、流動特性好，是具有優勢的金屬注射成形原料。通過將不同粒徑的球形粉體配比使用，能夠實現更高的臨界固體載荷，可將更多的粉體裝入聚合物中，減少粘合劑的使用，降低燒結過程中的收縮和變形。此外，球形顆粒沒有明確的擇優取向，保證了生坯在燒結脫脂過程中具有更好的各向同性收縮。
熱噴涂
熱噴涂技術是一種迅速發展的表面強化技術，該工藝使用高溫火焰或等離子體將金屬粉末或線材熔化為液滴，然后由高壓氣體將液滴噴射到處理表面，形成具有特殊性質的涂層。熱噴涂工藝操作便捷，制備的涂層性能良好，可有效強化金屬的表面性能，增強耐蝕性、耐磨性、導電性等，在軍事、航空、航天、機械、電力、生物工程等領域都有所應用。
熱噴涂材料種類很多，按原料形狀可分為粉體、金屬絲、金屬棒。使用粉體噴涂時，應具有良好的流動性，以獲得平整均勻的涂層。球形金屬粉體流動性優良，形狀規則，在噴涂過程中送粉更加流暢，可極大程度上避免粉體團聚，恰好能滿足熱噴涂的工藝要求。
微電子封裝
電子封裝的實現方式是靠“芯片-基板”、“芯片-芯片”的互連，互連焊接凸點通常由導電性優良的純金屬或錫基釬料以及上述材料組成的多層結構所構成。為滿足封裝質量，需要控制凸點的尺寸、球形度、表面形貌、微觀組織結構等，對原料粉體的質量要求相應提高。
一般而言，不同的電子器件和使用場所，所選用的封裝粉體成分不同。其中，單粒度的球形銅錫基金屬微粉因其強度高、導熱快、導電能力強等特點而具有較大潛力。
磁粉芯
磁粉芯是中高頻變壓器磁芯、高頻開關電源、高精度變壓器和抗電磁干擾器件中的重要組成元件。有研究發現，磁粉芯的性能除取決于原料合金成分外，還受粉體形貌的影響。球形度高的金屬磁粉在絕緣包覆過程中易于形成均勻完整的絕緣層，可顯著提高磁粉芯的電阻率；且單個磁粉顆粒之間隔離良好，有利于減少渦流損失，提高磁粉芯的綜合軟磁性能。此外，球形粉體中的孔洞很少，通過合理搭配粒徑，能夠制備出高密度磁粉芯產品，提升磁導率。
從制備原理看各種工藝的缺陷
球形金屬粉體的制備原理
球形金屬粉體的制備技術根據原理大致可為兩類：一類基于液相破碎原理，例如GA工藝、PA工藝、PREP工藝；另一類基于微粒重熔原理，例如PS、液/固界面去潤濕法、切絲重熔法。
在基于液相破碎法工藝中，無論是利用高速等離子體沖擊分散金屬液流的GA工藝、PA工藝，還是利用高速旋轉的離心力剝離金屬液膜的PREP工藝，都需要借助外力克服液體的表面張力，使微液滴從金屬母液中分離并飛出。在飛行過程中，微液滴在表面張力的作用下收縮成球，隨后在下落過程中迅速冷卻凝固。而基于微粒重熔法的工藝中，由顆粒在高溫介質中加熱熔化形成微小液滴，而后微液滴在表面張力作用下迅速收縮成球，隨后凝固冷卻。
總體來看，主流的球形金屬粉體的制備工藝可以概括成微液滴形成、收縮成球、快速凝固的關鍵物理過程，而深入了解這些工藝的物理過程對開發或改進球形金屬粉體制備技術極有意義。
各種主流制備方法的缺陷
目前，制備球形金屬粉體的方法眾多，各有優勢，但也存在諸多問題。霧化法是目前應用最廣的球形粉體商業制備方法，結合不同的工藝形式衍生出多種類型，包括真空感應熔煉霧化、電極感應熔煉氣霧化、等離子體霧化。
霧化法的特征在于使用高壓氣體分散金屬液流，強烈的氣流沖擊會在霧化腔內形成氣體回流，凝固的細顆粒會被氣流裹挾流回霧化腔中部，與半凝固的顆粒碰撞，形成衛星球顆粒。衛星球增多會顯著影響粉體的流動性。
此外，霧化工藝的另一個問題在于，用于霧化的高壓氣體會被包裹在液態金屬中，而霧化過程液滴在高速氣流中冷卻極快，殘留的氣泡仍會在凝固的粉末中形成氣孔。這些氣孔對最終成型零件的機械性能，尤其是疲勞性能損害很大，即使通過熱等靜壓(HIP)也無法消除。到目前為止，仍然缺乏避免這兩種霧化工藝中的固有缺陷形成的手段。
等離子旋轉電極霧化，衛星球缺陷存在較少。在等離子旋轉電極霧化中，液滴由離心力作用下徑向飛離金屬母材表面；也就是說，微液滴是有序飛出的，液滴和凝固顆粒碰撞形成衛星球的可能性極低。然而，正是因為離心剝離液滴的霧化方法，等離子旋轉電極霧化的粉體尺寸粒度較大，生產效率較低。
等離子體球化工藝可有效避免霧化工藝中普遍存在的衛星球和空心球缺陷，特別適用于高熔點金屬、難熔合金的制備，對于低熔點金屬，無法避免成分燒損，造成成分的不穩定性。高溫下燒損揮發的合金元素會重新冷凝形成超微細粉，附著在大顆粒表面，影響顆粒光潔度，降低粉體流動性。
小結
隨著金屬基增材制造、熱噴涂、金屬注射成形和微電子封裝等先進制造技術的涌現與快速發展，新的制造工藝對金屬粉體提出了新的性能要求。大量新興先進制造技術都需要粒度分布合適、無空心球、衛星球等缺陷，致密性、流動性好，雜質含量低的優質球形金屬粉體作為原料支持。然而，目前幾種主流的球形粉體的制備工藝仍存在一些缺陷問題，制備性能優良的球形金屬粉體引起了國內外的廣泛關注。我國球形金屬粉體的種類、產量在近幾年有了顯著增長，但與國外傳統優勢企業差距較大，高端產品仍不能滿足市場需求。因此，研究具有自主知識產權的高端球形粉體的制備工藝，具有重要的戰略意義和現實意義。
參考來源：
鮑其鵬博士：金屬微粒下落熔融球化原理及其應用，北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室
（中國粉體網編輯整理/平安）
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