3D打印用金屬粉末是金屬零件3D打印產業鏈的最重要一環，也是最大的價值所在。在2013 年世界3D打印技術產業大會上，世界3D打印行業的權威專家對3D打印金屬粉末給予明確定義：即指尺寸小于1 mm的金屬顆粒群，包括純金屬粉末、合金粉末以及具有金屬性質的某些難熔化合物粉末。

目前3D打印金屬粉末材料包括鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼、工具鋼、青銅合金和鋁合金等。3D打印用金屬粉末除需具備良好的可塑性外，還必須滿足粉末純度高、粉末粒徑細小、粒度分布窄、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求。頒布于 2014 年6月的ASTM F3049-14 標準中規定了3D打印用金屬粉末性能研究的范圍和表征方法。綜合來說，3D打印用金屬粉末對粉末特性有幾個方面的基本要求，包括：粉末純度、粉末顆粒形狀、粉末粒度及其分布、粉末的循環使用等。

1 粉末純度

在金屬粉末的制備過程中，由于制粉工藝的缺陷，會帶入一些雜質。這些雜質的存在會改變所制備零件的特性甚至致使打印無法進行。金屬粉末的純凈度直接影響到3D打印的成形質量。一般來說，粉末中的夾雜物會提高顆粒硬度，降低粉末成形性能，對材料韌性造成不良影響。夾雜物在粉末中的分布狀態以及夾雜物本身的形狀對零件的力學性能影響機制不同，在SLM和EBSM工藝中，若粉末中含有雜質，則在燒結成形過程中雜質可能會與基體金屬粉末發生化學反應，使得3D打印無法進行或者改變成形零件的屬性。比如：研究發現，Ti-6Al-4V合金粉末在熱力學方面不穩定，在制備過程中容易吸附N、O、H等雜質元素。其中O在Ti合金中有很高的溶解度，能形成間隙固溶相，使得Ti 晶格嚴重扭曲，強度硬度提高，塑性韌性下降；N與Ti 在高溫下形成脆硬的TiN，對Ti 合金的塑性影響很大；由于H的存在，析出的TiH2相也會使得Ti合金塑性韌性降低。因此，必須嚴格控制3D打印成形氣氛中雜質元素的含量，以滿足3D打印工藝的要求和成形件的力學性能要求。但是，在選區激光燒結（SLS）中，若對Al2O3陶瓷粉末進行燒結，則純度越高對應燒結溫度越高，可能會使燒結變得困難。Al2O3中的雜質實際上間接起到了活化劑的作用，適當的雜質反而有利于燒結。

2 粉末顆粒形狀

在金屬粉末制備過程中，粉末顆粒會隨著制備方法的不同而呈現不同形狀，如球形、近球形、多角形、多孔海綿狀、樹枝狀等。粉末的顆粒形狀直接影響到粉末的流動性、松裝密度，進而對所制備金屬零件的性能產生影響。在LENS成形過程中，粉末顆粒由載粉氣流輸送進入激光熔池。連續穩定的輸送需要流動性良好的粉末，才能保證成形零件的均勻致密。在SLM和EBSM工藝中，粉末顆粒首先在鋪粉機構的作用下鋪展成粉末層，粉末良好的流動性對獲得均勻平整的粉末層至關重要。一般來說，球形或者近球形粉末具有良好的流動性，在打印過程中不易堵塞供粉系統，能鋪成薄層，進而提高3D打印零件的尺寸精度、表面質量，以及零件的密度和組織均勻性，是作為3D打印的首選原料形狀類型。但是，球形粉末的顆粒堆積密度小，空隙大，使得零件的致密度小，也會影響成形質量。

近年來，國內外制粉公司在3D打印金屬粉末制備領域投入了大量的資金和技術力量，取得了很大的進展。圖1 為加拿大某公司運用等離子霧化工藝制備的TC4粉末產品，該粉末球形度高、粒度分布均勻，粒徑為15～45 μm，D50 為33 μm，成形性能優異。圖2 為該公司制備出的粒徑為5.0～25.0 μm、球形度良好的純Ti 粉，D50 為14.3 μm，振實密度為2.81 g/cm3。該公司于2015 年11 月16 日申請了一個具有戰略意義的專利，主要涉及如何更好地解決粉末流動性問題。該專利的發明能使其生產出具備最高級別流動性，且適用于所有3D打印的金屬精細球形粉末；同時該專利還涉及所有主要活性金屬粉末的生產方法，包括等離子霧化工藝、其他氣體霧化工藝、等離子球化工藝和等離子旋轉電極法等。

3 粉末粒度及其分布

粉末粒度的大小直接影響到鋪粉層的厚度，一般來說，鋪粉層厚度為 50～100 μm。要想鋪出均勻密實的粉層，鋪粉層厚度必須是粉末顆粒直徑的兩倍以上。3D打印用金屬粉末粒度的選取根據熱源的不同也有所不同，一般來說，激光成形的粉末粒度在30～50 μm，而電子束成形的粉末粒度在50～90 μm。

從理論上來講，粉末粒度越小，比表面積越大，進而使得燒結驅動力增大。因此，粒度小的粉末有利于燒結的順利進行；此外，細小的粉末顆粒之間空隙小，相鄰兩鋪粉層之間連接緊密，有利于提高燒結致密化和燒結強度。細顆粒填充到大顆粒的空隙中，提高了粉末的堆積密度，以及打印零件的強度和表面質量。但是，如果細顆粒過多，易造成鋪粉厚度不均勻，在燒結過程中容易出現“球化”現象。

實驗研究發現，在激光凈成形技術中，粉末粒徑過大時，噴嘴處粉末輸送流的發散角顯著增大，反彈飛濺嚴重，且粉末利用率降低；此外，粒徑過小的超細粉由于直徑太小，粉末容易團聚，導致輸送性能差，影響 3D 打印的持續進行。大量實驗表明，粗細粉末顆粒以恰當的配比混合，才能得到良好的 3D 打印效果。

4 粉末的循環使用

在現有3D打印用粉末制備技術水平下，微細粉的制備成本較高，其價格約是傳統粉末冶金用粉的 10 倍。因此，從節約原材料、降低生產成本的角度來說，粉末循環使用的研究具有重要的意義。湯慧萍等對粉末循環使用次數對EBSM 成形 Ti-6Al-4V合金性能的影響進行了系統的研究，研究表明，粉末床中未熔化的粉末顆粒仍然可以作為原料

粉末繼續使用，經過 21 次的循環使用后，粉末氧含量從 0.08%上升至 0.19%（質量分數），Al 和 V的含量發生不同程度的下降，但是仍然滿足 Ti-6Al-4V 的合金成分要求；研究還發現，隨著使用次數的增加，粉末球形度下降，粉末表面變得更為粗糙；粉末粒度分布變窄，并且由于衛星粉數量的減少，粉末的流動性變得更好。

5 粉末的其他性能

在EBSM工藝中，粉末形貌以及導電性能對成形過程的穩定實現具有重要的影響。研究發現，在EBSM成形過程中，電子束轟擊導致球形粉末偏離原來位置，或者電子束轟擊使得金屬粉末帶電，成形艙內出現類似“沙塵暴”現象，從而導致零件缺陷或者無法進行后續打印工作。

來源：覃思思，余勇，曾歸余，等. 3D打印用金屬粉末的制備研究[J]. 粉末冶金工業，2016，26（5）：21.