SLM：PREP制粉技术正在粉末品质和价格上双重挑战传统气雾化制粉技术
有内容 有深度 有态度 欢迎关注
高品质金属3D打印要求材料必须具备颗粒细小、低氧含量（质量分数小于 0.01%）、高球形度、高松装密度、无空心粉、夹杂少等特点。目前常用的方法有气雾化法（分为VIGA和EIGA 法）、等离子旋转电极法（PREP）以及等离子火炬雾化等技术。
VIGA 法制备的粉末经过筛分和摩擦电选或静电分离去除夹杂物后基本可满足要求；PREP 法、等离子火炬法以及 EIGA 法均能较好地满足高品质3D打印对粉末的要求。随着金属3D打印在国内应用的深入，终端用户越来越关注粉末的质量问题。目前，VIGA法和PREP法是中国目前应用比较成熟的两种高品质金属粉末制备工艺，通常来说后者制备的粉末品质更高，但成本更高，但从目前的情况看，PREP法正在材料品质和价格上同时挑战传统VIGA制粉技术。本期我们以镍基合金粉末为例来比较这两种制粉技术的材料特性、成本和价格现状。
▌粉末形貌
从VIGA法制得粉末的显微形貌和截面形貌看，粉末以球形为主，大尺寸粉末表面为枝晶组织，表面附着明显的卫星粉；小尺寸粉末主要为包晶组织，粉末球形度较高，表面较为光洁，但仍附着少量卫星粉。此外，VIGA粉中存在少量异形粉和空心粉。
VIGA粉的显微形貌（a、b）和截面形貌（c）
PREP粉表面主要为细的枝晶组织，没有卫星粉，粉末球形度较高，表面光洁，且组织均匀，表面质量优于VIGA粉。
PREP粉的显微形貌
▌粉末粒度分布
从VIGA法和PREP法制备的镍基合金粉末的粒度分布可以看出，VIGA 法的细粉收得率相对较高，小于50μm的粉末可达到16.5%（质量分数），但粉末粒度分布范围较宽，粒度在200μm以上的粉末仍存在21.7%，应根据粉末粒度分级利用。
VIGA和PREP法从制粉角度对比粒度分布
PREP粉粒度分布范围较窄，特定尺寸的粉末收得率较高，粒度主要集中在63～150μm，在该粒度范围内的粉末达到83.3%（质量分数）。相对于其他制粉技术，PREP法的细粉收得率仍然保持在较低的水平，因此制备细粉的成本也会较高。
实际上粉末粒度的问题并不需要用户过度的考虑，目前市面上已经有很多采用PREP发制备的15-53μm的SLM用金属粉。虽然笔者亲测其D50和D90数据确实比气雾化法粉的要大，但差距极小（具体数据可与笔者讨论）。下图为两种工艺制备的同种商用粉末的粒度分布，在粒度分布方面，这样的差距是极其微小的。
市场上两种工艺同种SLM用粉粒度对比
▌粉末氧含量
粉末的氧含量对后续生产的打印产品有着重要影响，氧含量高，氧化物夹杂的数量和尺寸都会增加，从而降低合金的塑性。粉末氧含量除了部分来自母材外，主要由雾化时采用的气体带来。对某镍基合金粉末的研究发现，采用VIGA 法制得的粉末氧含量（质量分数）达到 0.0079%，而采用 PREP法为 0.0040%。这是由于PERP制粉中惰性气体使用量为0.01m3/kg粉末，远低于VIGA 法的0.30～0.50m3/kg粉末。
高端应用对粉末的质量也要求更高
此外，粉末氧含量还和粉末粒度相关，随着粉末粒度的减小，氧含量增加。对VIGA 法和PREP法制备的镍基合金粉末进行比较，VIGA粉和PREP粉均能满足3D打印对金属粉末的基本要求。然而，两种粉末又具有不同特点，PREP 粉表面光亮，洁净度高且组织均匀，流动性好，松装密度高，具有较好的物理性能，但细粉收得率低，生产率比VIGA 法低；VIGA 法细粉收得率较高，生产率高，但存在较多的片状、空心和粘结粉以及椭圆形和泪滴状粉，致使其物理性能略差于PREP粉。
设备商要求材料绑定
有研究表明，粉末尺寸大，则松装密度低、流动性差；而粉末尺寸小，则比表面积大，流动性差；只有中等尺寸的粉末松装密度高，流动性好。中航工业商发有研究人员曾指出，在3D打印时，粒径50μm左右的粉末具有较好的成形性能（原文内容已上传QQ群）。而VIGA法制备的粉末粒度分布较宽且表面光洁度较差，PREP法制备的粉末粒度分布窄，表面质量和物理性能优于VIGA粉，更适合生产优质的3D打印用金属粉末，但还需进一步优化工艺，提高细粉的收得率。
END
通过以上的比较也可以看出，PREP法的粉末质量是显而易见的，即便它的细粉收得率低但制造商仍可以通过技术手段搭配出合适范围的SLM用粉。也是基于此，PREP法制备的SLM用粉的价格理论上会更高，这虽是事实，但随着竞争的加剧，这种价格差异似乎已经被极大的缩小。根据笔者拿到的国内两种不同工艺供应商能给到笔者的、多类型粉末的最低报价，两种工艺制备的材料价格几乎没有差别。
两种工艺制备的粉末虽有差距，但并不能说VIGA法的粉末质量就坏，就不能用，实际上目前绝大多数的3D打印金属粉末是通过气雾化法制得，国外大型金属机制造商的官方用粉也多是采用气雾化法制备，它在一定范围内完全能够满足金属3D打印的应用需求。对于用户来说，可以选择更适合自己的用粉。
关于粉末循环使用的寿命问题、航天用高品质粉末、材料形态对制件性能的影响等资料已上传QQ群。
延伸阅读：
长按复制
联系笔者：2396747576
工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738
