全球金屬3D打印粉末材料2021年報(bào)告.PDF

在當(dāng)前3D打印產(chǎn)業(yè)當(dāng)中，金屬3D打印占據(jù)了相當(dāng)大一部分比例，而且隨著金屬3D打印技術(shù)的日益成熟和成本大幅下降，其應(yīng)用范圍、深度和規(guī)模都在不斷突破。比如在航空航天領(lǐng)域，金屬3D打印已經(jīng)從制造測(cè)試樣件進(jìn)入到批量生產(chǎn)的階段；在齒科領(lǐng)域，3D打印金屬牙冠也成為牙齒技工所的常規(guī)手段；在骨科領(lǐng)域，3D打印金屬植入體開(kāi)始規(guī)模化使用；在模具、散熱器等領(lǐng)域正在替代傳統(tǒng)工藝；在汽車領(lǐng)域還有巨大的應(yīng)用潛力等待挖掘。

作為金屬3D打印最常用的原材料之一，金屬球形粉末發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。由于3D打印在制造工藝上的特殊性，其所需的金屬粉末也有區(qū)別于傳統(tǒng)的粉末冶金方法，目前打印用粉末多是以球形度高、流動(dòng)性好、純度高的細(xì)粉為主。因此，像傳統(tǒng)的還原法、電解法等方法生產(chǎn)出的不規(guī)則粉末難以在金屬3D打印中得到實(shí)際應(yīng)用。近年來(lái)，隨著金屬產(chǎn)品在裝備制造領(lǐng)域應(yīng)用的普及，金屬3D打印的應(yīng)用市場(chǎng)也不斷擴(kuò)大。為實(shí)現(xiàn)金屬3D打印產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模發(fā)展，對(duì)原材料金屬粉末的產(chǎn)量、成本等要求也需要不斷提高。

南極熊將通過(guò)《全球3D打印金屬粉末材料報(bào)告》專題報(bào)告來(lái)梳理金屬3D打印粉末材料產(chǎn)業(yè)情況（文末可下載），主要包括：

• 3D打印金屬粉末應(yīng)用現(xiàn)狀
• 3D打印金屬粉末市場(chǎng)情況
• 3D打印金屬粉末的制備工藝
• 3D打印金屬粉末供應(yīng)商
  

金屬3D打印粉末的制備工藝
從工藝方面劃分，當(dāng)前全球主流的3D打印金屬粉末制備方法包括：氣霧化法（GA）、等離子旋轉(zhuǎn)電極法（PREP）、等離子霧化法（PA），以及等離子球化法（PS）等。

1）氣霧化法
氣霧化法是利用惰性氣體在高速狀態(tài)下對(duì)液態(tài)金屬進(jìn)行噴射，使其霧化、冷凝后形成球形粉。根據(jù)熱源的不同又可以將氣霧化法細(xì)分為電極感應(yīng)熔煉氣霧化(EIGA)和等離子惰性氣體霧化(PIGA)兩種工藝，采用惰性氣體既能防止產(chǎn)物氧化，又能避免環(huán)境污染。在EIGA工藝中，為電極形式的預(yù)合金棒將在不使用熔煉坩堝的情況下進(jìn)行感應(yīng)熔煉和霧化，其工藝原理圖如下圖所示。采用氣霧化法所得粉末粒度分布廣，大部分為細(xì)粉，雜質(zhì)易于控制，但粉末由于粒徑不同而冷卻速度不同，導(dǎo)致顆粒內(nèi)部易產(chǎn)生氣泡，形成空心結(jié)構(gòu)，粉末形狀不均勻，出現(xiàn)行星球等，對(duì)粉末后期應(yīng)用造成不利影響。

△電極感應(yīng)熔煉氣霧化(EIGA)原理及其生產(chǎn)的金屬粉末

2）等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法(PREP)
等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法(PREP)是生產(chǎn)高純球形鈦粉較常用的離心霧化技術(shù)，其基本原理是自耗電極端面被等離子體電弧熔化為液膜，并在旋轉(zhuǎn)離心力作用下高速甩出形成液滴，然后液滴在表面張力的用下球化并冷凝成球形粉末。PREP因采用自耗電極，制備出的粉末純凈度較高，且該技術(shù)不使用高速惰性氣體霧化金屬液流，避免了“傘效應(yīng)”引起的空心粉和衛(wèi)星粉顆粒的形成。因此，相對(duì)于氣霧化而言，PREP 制備的粉末中空心粉和衛(wèi)星粉更少。PREP 制備的粉末球形度可達(dá)99.5%以上，但是粉末粒徑分布較窄，主要介于50～150μm，存在著粉末尺寸偏大的問(wèn)題并且細(xì)粉收得率很低。目前俄羅斯最先進(jìn)的PREP技術(shù)也只能收得約15%的細(xì)粉(～45μm)，難以服務(wù)于微細(xì)球形鈦粉市場(chǎng)。


△等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法(PREP)原理及其生產(chǎn)的金屬粉末

3）等離子絲材霧化法（PA）
等離子絲材霧化法（PA）是加拿大AP&C公司特有的金屬粉末制備技術(shù)，PA工藝是以純度高的金屬或合金絲為原料，以等離子槍為加熱源，原料絲材被等離子體瞬間熔化的同時(shí)被高溫氣體霧化，形成的微小液滴在表面張力的作用下球化并在下落過(guò)程中冷卻固化為球形顆粒的一種工藝。以合金絲為原料制備各種材質(zhì)球形粉末的工藝，可實(shí)現(xiàn)高水平的可追溯性和較好的顆粒大小控制。該工藝生產(chǎn)出的粉末粒徑分布范圍窄，平均粒徑約為40μm，細(xì)粉收得率高（80%），幾乎沒(méi)有衛(wèi)星球；粉末純度高（低氧，無(wú)夾雜），球形度高，伴生顆粒非常少。具有出色的流動(dòng)性和表觀密度、振實(shí)密度。主要服務(wù)對(duì)象為生物醫(yī)療和航空航天工業(yè)，產(chǎn)品暢銷20余個(gè)國(guó)家。


△等離子絲材霧化法（PA）原理及其生產(chǎn)的金屬粉末

近年來(lái)，國(guó)外關(guān)于PA技術(shù)的研究取得了不少進(jìn)展，現(xiàn)有技術(shù)已能夠在單位時(shí)間內(nèi)所消耗氣體與原料的質(zhì)量比小于20的條件下，制備大量(至少80%)粒徑分布為0～106μm的金屬粉末。加拿大AP＆C公司是PA技術(shù)的專利持有者，加拿大Pyro Genesis公司也擁有相關(guān)類似專利，但均不對(duì)外出售等離子霧化設(shè)備。由于國(guó)外公司專利保護(hù)及技術(shù)封鎖，一直以來(lái)國(guó)內(nèi)關(guān)于PA技術(shù)的研究進(jìn)展緩慢。


4）射頻等離子球化工藝
射頻等離子體球化法是利用射頻電磁場(chǎng)作用對(duì)各種氣體（多為惰性氣體）進(jìn)行感應(yīng)加熱，產(chǎn)生射頻等離子。例用等離子區(qū)的極高溫度熔化非球狀粉末。隨后粉末經(jīng)過(guò)一個(gè)極大的溫度梯度，迅速冷凝成球狀小液滴，從而獲得球形粉末。


△射頻等離子球化技術(shù)（PS）

目前國(guó)外在這方面研究較多的公司有代表性的包括：英國(guó)LPW技術(shù)公司和加拿大的泰克納公司。其中，泰克納 (TEKNA) 公司所開(kāi)發(fā)的射頻等離子體粉體處理系統(tǒng)，在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位，可以實(shí)現(xiàn)Ti、Ti-6Al-4V、W、Mo、Ta、Ni等金屬及其合金粉末的生產(chǎn)。
國(guó)內(nèi)北京科技大學(xué)在射頻等離子球化方面也進(jìn)行了大量的研究，以不規(guī)則形狀的大顆粒TiH2粉末為原料，經(jīng)過(guò)射頻等離子高溫區(qū)后TiH2粉末脫氫分解、爆碎，即發(fā)生“氫爆”。爆開(kāi)的金屬液滴下落過(guò)程中，在表面張力的作用下縮聚成規(guī)則的球狀，得到微細(xì)球形粉末。所收得的粉末粒度范圍可以達(dá)到20~50μm，細(xì)粉收得率更是高達(dá)80%以上，各項(xiàng)性能參數(shù)均不遜于國(guó)際一流隊(duì)列的粉末，圖6是氫化鈦粉末經(jīng)射頻等離子球化前后粉末形貌圖。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還將該方法創(chuàng)新性地應(yīng)用到了鎢、高溫合金、釹鐵硼等金屬粉末的球化處理當(dāng)中，均取得了顯著的成果。
經(jīng)過(guò)十多年的團(tuán)隊(duì)研究和技術(shù)沉淀，依托于該技術(shù)也已經(jīng)成功孵化出了一家金屬3D打印粉末廠家——江蘇金物新材料有限公司，主要致力于在高性能球形粉末領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代。如果這對(duì)于我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的粉末在高品質(zhì)金屬粉末領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代具有極其深遠(yuǎn)的意義。


△射頻等離子體制備球形鈦粉示意圖


△球化前后的粉末形貌對(duì)比

3D打印金屬粉末供應(yīng)商

	廠家	主要產(chǎn)品系列	制備技術(shù)
國(guó)外	加拿大AP&C（Arcam）	EBM硬件、金屬粉末和粉末處理設(shè)備	PA
	德國(guó)EOS	鋁、鈷鉻合金、鋼等金屬粉末	/
	加拿大Pyro Genesis	鈦合金、鉻鎳鐵合金	PAP
	英國(guó)GKN	鎳基、鈦基、鈷基、鐵基粉末	氣霧化法
	瑞典Sandvik	3D打印用金屬粉末	氣霧化法
	德國(guó)TLS Technik	TC4鈦合金粉末	EIGA
	英國(guó)LPW（被收購(gòu)）	鈦粉、鎢粉	PS
	美國(guó)普萊克斯	鈦合金粉末	氣霧化法
	3D Systems Corporation	3D打印金屬材料	/
	加拿大泰克納	等離子體系統(tǒng)、金屬//陶瓷粉體	等離子球化
	瑞士Oerlikon	鈦合金、鎳基合金、鈷鉻合金、不銹鋼、模具鋼等金屬材料	氣霧化
	美國(guó)Carpenter	特種合金粉末材料	/
國(guó)內(nèi)	西安賽隆金屬	多種鈦/鉻鋁合金粉末	PREP
	北京中航邁特	鈦/鋁/鎳/高溫合金、不銹鋼、高強(qiáng)鋼等金屬粉末	氣霧化、PREP
	江蘇威拉里	鈦/鋁/鎳/鈷、銅合金、鋼等	氣霧化
	盤星新金屬	鈦及鈦合金、高溫合金、鈷鉻合金粉末以及特種合金	氣霧化
	尚材三維	鈦及其鈦合金	/
	江蘇金物	鈦合金、鋁合金、鎳基合金、高溫高熵合金	IPCA
	西安鉑力特	鈦合金粉末等	/
	江西寶航	鋁合金、鈦合金、高溫合金、不銹鋼等	VIGA
	東莞精研粉體	超細(xì)特種金屬粉	水/氣霧化、等離子球化及旋轉(zhuǎn)電極
	廣州納聯(lián)	鈷基合金粉末、不銹鋼粉末、鈦及其合金粉末、鎳基合金	/
	深圳微納	形狀記憶合金、鈦/鎳/特種鋼/錫/鋁合金粉末、貴金屬粉末	/
	河北敬業(yè)	鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金粉末	氣霧化
	寧波眾遠(yuǎn)新材料	非晶合金粉、鋁/鈦/鎳基合金粉、耐熱鋼/模具鋼粉等	/
	中天上材	鈦/鎳基高溫合金、鈷鉻合金、不銹鋼、模具鋼和新型特種合金粉末	氣霧化
	成都優(yōu)材科技	醫(yī)用鈦合金粉末	/
	湖南寧鄉(xiāng)吉唯信	球形鋁粉
	有研粉材	銅合金、鈦合金等	氣霧化
	浙江亞通焊材	模具鋼/不銹鋼/鎳基合金粉/鈦及鈦合金/鈷鉻合金/鋁基合金粉/銅合金粉	/
	無(wú)錫飛而康	鈦/鋁/鎳/鈷鉻合金、鋼等金屬粉末	EIGA
	湖南頂立科技	球形鈦/鎳/鈷鉻鉬/鋁/鐵基/合金粉末	N-PREP、氣霧化、水霧化
	河南遠(yuǎn)洋粉體	球形鋁粉	/
	南通金源智能	鋁合金、不銹鋼、鈦合金及高溫合金粉末	氣霧化
	廣東銀納	球形鉭粉、鎢粉、納米粉	/
	蘇州艾諾得	美國(guó)PAC中國(guó)區(qū)代理	/
	安徽中體新材	鐵基粉末、鋁基粉末、鎳基粉末、鈷基粉末、鈦基粉末、銅基粉末	/
	西安歐中	鈦/鋁/鎳/鈷鉻合金、鋼等金屬粉末	SS-PREP
	唐山威豪	鎂粉	/
	臺(tái)灣中佑精材	不銹鋼、工具鋼、TC4、鈷基合金、鎳基合金、鐵基合金、鋁合金粉末	/
	江西悅安	不銹鋼粉末、鈦合金粉末、高溫合金粉末	/
	寧波創(chuàng)潤(rùn)	鈦粉末	/
	江蘇博遷	納米金屬粉體	PVD
	長(zhǎng)沙唯特	鈦及鈦合金、鎂及鎂合金、鋁及鋁合金、高溫鎳合金、不銹鋼、高速工具鋼粉末	/
	湖南驊騮	軟磁材料粉末、不銹鋼粉末、模具鋼粉末及定制類粉末	/
	深圳華陽(yáng)	鈦合金、高溫合金、鋁合金、不銹鋼、模具鋼、高強(qiáng)鋼等	/
	英博金屬	鈦及鈦基合金等	PREP
	安徽潁元	鈦合金粉末、鎳基高溫合金、鐵基金屬粉末等	/
	寧波中物力拓	金屬粉末	/
	上海狀邁	基高溫合金粉、鈷合金粉、鈦合金粉、模具鋼粉	/

△表格：全球金屬3D打印粉末材料部分廠商名單。更多產(chǎn)品詳情請(qǐng)到全球3D打印產(chǎn)品庫(kù)https://product.nanjixiong.com/

國(guó)金屬3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迅猛，市場(chǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大，但與歐美等金屬3D打印起步較早的一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的金屬3D打印在材料、裝備及工藝方面的投入研究依然存在較大差距。根據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鈦鋯分會(huì)的統(tǒng)計(jì)，近三年鈦粉的出口總量高于進(jìn)口總量，而出口所獲利潤(rùn)則遠(yuǎn)低于進(jìn)口成本。事實(shí)上，國(guó)內(nèi)高性能金屬粉末仍面臨著供不應(yīng)求的局面，像3D打印、注射成型等需求旺盛的下游行業(yè)卻也只能“等米下鍋”。

高端金屬粉末的生產(chǎn)工藝特殊，世界上僅有如美、德、加拿大等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家具有原創(chuàng)和較深的技術(shù)積累，且高性能球形粉生產(chǎn)設(shè)備對(duì)外禁售，壟斷技術(shù)，進(jìn)口粉末價(jià)格高達(dá)3000元/公斤。國(guó)內(nèi)參與金屬3D打印粉末制備的企業(yè)數(shù)量雖多，但是多數(shù)企業(yè)不注重產(chǎn)品技術(shù)準(zhǔn)入門檻，導(dǎo)致技術(shù)含量低，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中大打“價(jià)格戰(zhàn)”。雖然這使得金屬粉末的價(jià)格有了一定的下降，但從另一方面來(lái)講，中、低等品質(zhì)鈦粉市場(chǎng)趨于飽和，不能滿足高端客戶需求，特別是航空級(jí)、醫(yī)用級(jí)別的高質(zhì)量鈦粉仍需大量進(jìn)口。這造成我國(guó)金屬、礦產(chǎn)和人力資源的極大浪費(fèi)，也制約了我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

針對(duì)3D打印對(duì)金屬粉末性能要求的嚴(yán)格性，目前國(guó)內(nèi)具備一定的生產(chǎn)能力，氣霧化法及旋轉(zhuǎn)電極法可以實(shí)現(xiàn)一定規(guī)?；a(chǎn)，球化法還處于實(shí)驗(yàn)室階段，存在工藝穩(wěn)定性問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)規(guī)?；€有一定的距離。為解決高端3D打印用金屬基粉末依賴進(jìn)口的痛點(diǎn)，我國(guó)應(yīng)加大技術(shù)投入，借鑒成熟的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，自主研發(fā)新技術(shù)新工藝，促進(jìn)3D打印用金屬粉末制備技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，也爭(zhēng)取在增材制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定領(lǐng)域保持足夠的話語(yǔ)權(quán)。

在金屬粉末領(lǐng)域尖端技術(shù)不突破，國(guó)產(chǎn)化替代不實(shí)現(xiàn)，不利于我國(guó)國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和綜合國(guó)力的提升。為促進(jìn)我國(guó)自主增材制造產(chǎn)業(yè)的建設(shè)發(fā)展，及早實(shí)現(xiàn)3D打印上下游產(chǎn)業(yè)鏈各部分的國(guó)產(chǎn)化替代，需要我們從原材料粉末制備到最終產(chǎn)品逐一補(bǔ)課。當(dāng)然，一花獨(dú)放不是春，百花齊放春滿園，我們也鼓勵(lì)越來(lái)越多的企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)投入到3D打印領(lǐng)域研究中來(lái)，加大對(duì)增材制造產(chǎn)業(yè)的投入和對(duì)專業(yè)3D打印技術(shù)人員的培養(yǎng)，為新材料事業(yè)的發(fā)展添磚加瓦，為早日實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”助力增彩。

金屬3D打印粉末專題報(bào)告·南極熊2021.pdf (5.18 MB, 下載次數(shù): 4551)

2022-3-13 20:04 上傳

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