北京科技大學：3D打印“低成本金屬粉末制備新技術”實現應用

金屬3D打印技術作為一種先進材料制造工藝，其制品已在航空航天、汽車、醫療等高端領域得到了小規模應用。擁有優良流動性的球形金屬粉末，是當前金屬3D打印技術的重要基礎原料。然而，傳統霧化工藝生產的3D打印球形金屬粉末價格昂貴，通常45μm以下的球形鈦粉的價格普遍高于1500元/kg，而難熔合金球形粉末的價格更是高達1萬元/kg以上。高昂的原料成本已成為制約全球3D打印工業發展和規模化應用的關鍵問題。

近來，北京科技大學曲選輝教授團隊陳剛副教授等研究人員，基于氣-固兩相流理論，創立了流化制備3D打印用低成本金屬粉末的新方法：以傳統工藝制備的低成本不規則形貌粉末（如氫化脫氫鈦粉、還原鎢粉等）為原料，在適當溫度下，不規則形貌的粉末顆粒（固體）在流動氣體（流體）作用下互相碰撞，呈現出流態化現象，顆粒間的冶金結合和塑性變形顯著改善不規則粉末的形貌、球形度和流動性，并可以實現粉末流動性和雜質可控。

流化工藝示意圖

該工藝具有流程短、收得率高、能耗低、易于規模化等特點。流化粉末性能與球形粉末相當，成本較霧化球形粉降低60%以上，所制3D打印制品性能優異。采用SLM技術打印的純鈦流化粉成形件的氧含量為0.17±0.01wt.%，室溫抗拉強度602±4.6MPa，斷裂延伸率20.1±1.2%，這些數據和EOS給出的官方性能相當。

基于該工藝制備的粉末能否用于SLM技術，*受質疑的是關于粉末的流動性問題。對此，北科大的研究人員發表了相關論文。研究指出，處理后的粉末相比原料粉具有更好的平滑度；除了形狀的改變，5μm以下的細粉也顯著減少，平均粒徑從原料粉的28.6μm增大到550℃處理后的33.9μm,這也意味著，流化處理對*終粒徑范圍和平均粒徑的影響較小。在粉末的流動性方面，450℃處理后粉末的流動性為35.2±0.3s/50g,它與已商用化的類似粒度范圍的高球形度TC4具有相當的流動性，因此并不必過多擔心鋪粉的問題。

基于該工藝制備的粉末能否用于SLM技術，*受關注的應當是粉末的流動性。對此，北科大的研究人員發表了相關論文。研究指出，經流化改性處理后，不規則形貌粉末的粒度分布變窄，球形度得到改善，表面更光滑，從而顯著提高了粉末的流動性。例如，流化處理后的鈦粉流動性（粒度范圍：15~45μm）為35.2±0.3s/50g，該結果與市面上類似粒度范圍的霧化球形TC4粉末的流動性相當，因此流化粉末也能實現順暢的送粉和鋪粉流程（相關論文并及授權專利已上傳QQ群）。

該團隊以低成本氫化脫氫粉末為原料，通過流化技術已經研制出了Ti、Ti-6Al-4V、TiTa、Nb521、NbTi等3D打印高熔點微細粒徑金屬粉末，供應給中國航發北京航空材料研究院、鋼鐵研究總院、北京隆源、上海第九人民醫院等單位，應用于航天/航空發動機關鍵部件與醫用植入體的3D打印成形，用戶評價良好。該創新工藝榮獲了第四屆冶金青年創新創意大賽二等獎，第六屆中國國際“互聯網+大學生創新創業大賽”北京賽區二等獎。

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