3D打印技术又被称为“急剧成形技术”“增材造作技术”，是20世纪80年代发展起来的一种先进造作技术[1]。 该技术选取离散?堆积的思想，将设计好的三维零件模型依照肯定厚度离散成二维层状切片，由激光或电子束沿特定轨迹扫描加工层状切片，逐层增长资料实现整个三维零件的造作[2-3]。 相比传统造作技术，3D打印技术无需复杂的工艺、大型的加工设备，便可实现复杂结构零部件的加工，有效地节约了原资料、简化了出产工序、缩短了设计造作功夫、降低了造作成本微风险[4-5]。 目前，3D打印的常用资料重要有高分子资料(树脂、塑料、橡胶等)、金属资料(铝合金、钛合金、不锈钢等)和非金属资料(陶瓷、石膏、纸张等)[6-7]，其中高分子资料和非金属资料3D打印技术起步较早、钻研较多，技术相对成熟，而金属资料3D打印技术起步较晚，仍具备巨大的发展潜力。 有专家预测，金属资料3D打印技术未来将会逐步占据整个急剧成形造作领域的主导职位[8]。

钛合金是3D打印中最常用的金属资料，拥有密度幼、比强度高、耐热性好、耐蚀性优异、生物相容性好等特点，被宽泛利用于航空航天、工业、国防、医疗、汽车、电子等领域[9-11]。 但由于其导热系数幼、弹性模量低、化学性质活跃等原因，传统造作加工钛合金时，加工工艺复杂，资料利用率低，成本较高[12]。而3D打印技术选取增材造作的加工步骤，有效预防了上述问题，相比传统加工步骤有着极大的优势。 目前国内钛合金3D打印的钻研集中在成型设备及加工工艺等方面，在粉末原资料的造备方面的钻研较少
；加上起步功夫较晚，国内的造粉企业在出产规模和产品质量上都与国表先进水平有肯定差距。 现阶段在航空航天等高端领域，3D打印使用的高品质钛合金粉末还重要依赖进口，国内自产迪胙合金粉末还存在粒径较大、氧含量高、分歧批次粉末质量不不变等问题，难以满足关键部件3D打印要求。 国表市场抓住我国高品质3D打印金属粉末依赖进口这一短板，选取原资料和有关设备绑缚式销售模式，极大地增长了国内有关企业的造作成本。 面对辽阔的市场远景，突破国表高端粉末的垄断局面，提高钛合金粉末造备技术已势在必行。

1、粉末机能对3D打印的影响

钛合金3D打印过程是一个高能瞬态冶金过程，过程中资料的溶解、凝固和冷却都是在极短的功夫内实现，若粉末或者工艺参数选择不当，成形件中容易出现球化、裂纹、孔隙以及翘曲变形等缺点，严沉影响其成形精度和力学机能[13]。 目前，几种主流的高机能钛合金3D打印加工技术(蕴含激光选区溶解成型技术(SLM)，激光近净成型技术(LENS)和电子束 选区溶解成型技术(EBSM)等)均是以粉末为原资料，其中LENS技术选取同轴送粉方式，EBSM和SLM技术则是选取均匀铺粉方式进行加工[14]。 不论选取哪种方式，钛合金粉末质量城市直接影响3D打印零件的机能。

1.1 杂质含量

杂质含量是3D打印粉末资料的基础指标，是保障3D打印成形件力学机能的关键成分。 钛合金粉末中常见的杂质元素有氮、氧、氢等非金属元素。 钛合金粉末化学性质活跃，极易吸附环境中的氮、氧、氢等杂质元素，导致零件的延长率、韧性大幅降落。 杨光等[15]钻研发现，随着成形环境中氧含量的增长，激光沉积成形TA15合金强度提高，但塑性大幅降落
；当氧含量体积分数从5×10^–5增长到1.9×10^–4时，合金的屈服强度增长了8%，单延长率却降落的了31%。 刘宏宇等[16]钻研发现，氧、氮、氢3衷禅体元素都对ZTC4钛合 金阐发出较强的亲和力，钛合金吸附3种元素后，强杜仔肯定水平提升，但塑性却有所降落。 钻研还发现，氧、氮元素在钛合金中拥有较大的溶化度，重要形成间隙固溶体
； 氢元素的溶化度较幼， 仅为0.002%，但钛、氢元素之间极易产生反映天生脆性的氢化钛化合物。 李远睿等[17]钻研发现，氢化钛对近α钛合金的塑形、韧性均有着严沉影响，当环境中氢含量体积分数超过0.0075%时，合金冲击韧性随着氢含量的增长险些呈直线降落，当体积分数达到0.0145%以上时，钛合金直接处于脆性状态。 此表，空心粉的存在也会加大粉末中的杂质含量，其引入的杂质重要为造粉过程中的罕见气体。 这些罕见气体杂质不能与钛合金形成固溶体或化合物，在急剧溶解和凝固的过程中会残留形成气孔，从而降低成形件的力学机能[18]。

1.2 流动性

流动性是3D打印粉末资料的关键机能之一, 是保障3D打印过程顺利进行的关键成分。 粉末流动性常用肯定量粉末流过划定孔径的尺度漏斗所必要的功夫来暗示，功夫越少，粉末的流动性越好[19]。 流动性重要受粉末表表描摹、粒径大幼、水分含量等成分影响。 在3D打印加工前，粉末需进行烘干处置，因而水分含量对流动性的影响能够不予思考。

粉末描摹是粉末的流动性的决定性成分，重要蕴含球形度和“卫星粉”两部门。 在常见的球形、树枝形、针状、粒状、片状粉末描摹中，球形无疑占有最好的流动性[13]。 而粉末的流动性与粒径大幼呈负有关关系：粉末粒径减幼时，粉体之间分子引力、静电引力作用就会逐步增大，粉末容易荟萃成团，黏结性增大，从而导致粉末流动性降低[20]。 此表，粒径幼的粉末容易形成缜密堆积，使得粉末之间的透气率降落，降低粉末的流动性。

对于SLM和EBSM这一类工艺而言，粉末流动性不好，会导致铺粉不均匀，粉末平坦度变差，从而增长打印件的内部缺点，影响其力学机能。 对于LENS这一类工艺而言，粉末流动性不好，会影响送粉过程的陆续性和不变性，从而导致成形缺点增长，成形件力学机能降低。 此表，球形度不好的粉末聚焦性差，焦点分散，不仅会降低粉末的利用率，也会增长孔隙、未熔合等缺点的形成概率。

1.3 松装密度

松装密度是3D打印粉末资料的另一项沉要指标，是保障3D打印件成形质量的关键成分。 松装密度是指只受沉力作用时颗粒天然堆积的填充体的表观密度，重要受粉末表表描摹、粒径大幼和水分含量等成分影响。 由于粉末在3D打印前要进行烘干处置，水分含量的影响能够忽略不计。

粉末疏松堆积时，球形粉末之间的堆积间隙要幼于不规定粉末，且粉末球形度越高，其堆积间隙越幼。 但即便是球形度很高的粉末，若粉末粒径一样，疏松堆积时粉末之间的空地依然较大。 因而想获得更高的松装密度，必须合理进行分歧粒径球形粉末的配比。 分歧粒径粉末进行疏松堆积时，粉末之间的间隙会随着粉末尺寸比的减幼而减幼。 必要把稳的是：粉末的粒径要尽量预防在10μm以下。 这是由于此时粉末粒径靠近临界值，粉末颗粒之间作使劲的影响不能忽略不计，粉末受到分子引力、静电引力等作用容易团圆，导致粉末之间的堆积间隙变大，松装密度变幼。 此表，粒径太幼的粉末在成形过程中，容易被高能激光或电子束击溃，造成“球化”缺点[21]。

在SLM和SEBM工艺中，松装密度的大幼直接决定着铺粉层的密度大幼。 当粉末的松装密度较幼时，铺粉层中粉末之间的空地变大，层与层之间的衔接性变差，导致零件成形过程中形成孔隙，内部致密度变差。 此表，铺粉层的松装密度幼还会导致成形过程中，熔融金属凝固收缩的高度差变大，“台阶效应”越发严沉，成形尺寸误差变大，成形时产生裂纹、翘曲等缺点的几率增大。 在LENS工艺中，以送粉包办铺粉过程，松装密度的影响相对有所减弱，但金属凝固收缩高度差变大导致的成形尺寸误差变大，裂纹、翘曲等成形缺点几率增长的情况仍旧存在。

2、钛合金粉末造备技术

现阶段国内表造备钛粉的步骤有好多，但3D打印技术对粉末原料的杂质含量、流动性、松装密度等方面都有着较高的要求，因而仅有少数几种造备步骤造备的粉末能合用于3D打印技术。 常见的3D打印用钛合金粉末的造备步骤有4种：氢化脱氢法、气体雾化法、离心雾化法和等离子雾化法。

2.1 氢化脱氢法

氢化脱氢法(HDH)是美国科学家发现的经典钛粉造备步骤[22]。 该步骤最早是用于解决钛合金难以机械粉碎的问题[23]。 氢化脱氢法利用氢元素固溶后钛合金的冲击韧性会大幅降低和钛氢反映的可逆个性[24]，将高纯氢气与钛合金在加热前提下充分反映天生脆性的氢化钛，接着选取球磨等机械伎俩将其粉碎成氢化钛粉末，最后将氢化钛粉末置于高温真空前提中，使其充分分化天生氢气脱去氢元素，得到钛合金粉末[25-26]。 HDH法造备迪胙合金粉末粒径通常在5μm以上，均匀粒径在100μm左右，粒径散布较广，状态不规定，氮、氧含量较高。 此步骤的重要利益是成本低，工艺较易实现以及对原料状态要求不高，弊端是造备粉末的球形度差，杂质元素含量较高。

2.2 气体雾化法

气体雾化法是利用雾化喷嘴喷射的高速气流来击碎金属液流，使其冷却凝固形成粉末，其性质是将高温气体的动能转化为金属液滴表表能的过程[27]。凭据棒材原料熔炼方式的分歧，气体雾化法可分为惰性气体雾化法和电极感应熔炼气体雾化法。 惰性气体雾化法是选取水冷铜坩埚溶解合金棒材，再利用高速惰性气体冲击合金液流使其粉碎雾化，随后冷却凝固造备合金粉末。 惰性气体雾化法的主题是节造气体与金属液流之间的相互作用。 雾化喷嘴结构是这一过程的关键，它直接影响造粉的效能和造备粉末的机能。 喷嘴结构又可分为“限度式”和“自由降落式”两种。 其钟装自由降落式”是早期气雾化工艺中所使用的喷嘴结构，这种喷嘴拥有结构单一，不易梗塞蹬着点，但其雾化效能较低，后被效能更高的 “限度式”喷嘴结构所取代[28]。 常见的“限度式”喷嘴结构有紧耦合雾化喷嘴、超声气雾化喷嘴、高压气雾化喷嘴和层流气雾化喷嘴等4种[29]，如图1所示。 其中：紧耦合气雾化喷嘴是通过缩短气流到熔体通路口的距离，削减气流能量的损失，来达到提高雾化效能的主张
；超声气雾化喷嘴是利用声音的高频振动，使喷出的超音速气流获得肯定频率的高频脉冲，从而获得更细的液滴和更高的雾化效能
；高压气雾化喷嘴则是通过提高气流的压力，在熔体通路口处形成一个负压，从而达到提高雾化效能的成效
；层流气雾化喷嘴一改气流冲击液体雾化的模式，利用平行气流在液体表表产生的压力和剪切力，使金属液流纤维化破碎形成粉末，不仅有效地减幼了气流的效能亏损量，也极大提高了雾化效能。

电极感应熔炼气雾化法是选取电极感应线圈加热溶解合金棒材，再利用高速惰性气体雾化粉碎合金液流造备合金粉末的步骤。 相迸宗选取水冷铜坩埚溶解，电极感应熔炼能预防溶解过程中合金与坩埚和导流管的接触，从而能有效削减造备过程中杂质的渗入，提高雾化粉末的纯度[30]。 由于没有了坩埚对熔融液流的盛积作用，若何保障熔炼过程中形成持续不变的合金液流成为此步骤的技术关键。 此表由于短缺导流管的引流作用，熔融金属熔滴将直接从棒材尖端淌下，很难保障一样滴落的地位，这也导致电极感应熔炼气雾化法中无法选取“限度式”喷嘴结构，雾化效能和雾化不变性相对惰性气体雾化法会略有降落。

气体雾化法造备的粉末粒径散布较广，从0~300μm不等，但100μm以下粉末约占70%，细粉收得率较高
；此表该步骤造备钛合金粉末还拥有冷却速度快、球形度较高、杂质含量低、成本较低蹬着点。 但该步骤也存在一些问题：卫星粉和空心粉。 卫星粉的形成是由于雾化室中气体的循环，部门较细颗
；岱苫赜肴廴诘牧Ｗ硬鲎
；而空心粉的形成则是 由于高压气体在雾化的液流的同时，有一幼部门被困在熔融金属中，冷却后形成粉末中的气孔或气泡 [31]。

2.3 离心雾化法

离心雾化法是另一种宽泛使用的雾化步骤，该步骤是通过电极旋转所产生的离心力将熔融的金属粉碎成液滴甩出，之后液滴冷却凝固形成球形粉末。如图2所示，凭据熔炼方式的分歧，离心雾化法也可分为旋转电极法(REP)、电子束旋转盘法(EBRD)和等离子旋转电极法(PREP)3种。 其中，旋转电极法是将合金造成自耗电极，利用固定钨电极上引发的电弧产生高温溶解电极的端面，再借助电极旋转的离心力雾化液滴造备球形粉末[32]
；电子束旋转盘法是选取电极感应加热将合金资料溶解，通过导流管将溶解的金属液均匀滴落到下方高速旋转的圆盘上，利用转盘的离心力雾化液滴造备球形粉末[33]
；等离子旋转电极法与旋转电极法类似，以合金造成自耗电极，再通过罕见气体等离子体加热溶解其端面形成金属液膜，最后利用电极旋转的离心力雾化造备粉末[34]。 等离子旋转电极法选取等离子体作为热源，大大削减了造备粉末的杂质，因而其他两种离心雾化法已逐步被其代替。 与气体雾化法相比，等离子旋转电极法由于没有高压气体的冲击以及气体循环的影响，粉末中根基不存在空心粉，卫星粉含量也大幅削减。 等离子旋转电极法造备迪胙合金粉末粒径散布在50~300μm不等，100 μm以下粉末约占20%，粉末均匀粒径较大。 此步骤重要利益是造备粉末的球形度高，表表描摹优良，杂质含量低，且粉末粒径散布可通过转速和电极直径调节
；但由于电极转速会受到动密封问题的限度[35]，此步骤造备粉末的均匀粒径较大。

2.4 等离子雾化法

等离子雾化法(PA)是一种利用等离子热源雾化金属液滴造备球形粉末的步骤。 此步骤最早由M。EntezaRian等[36]提出，后于1998年申请专利[37]，现被加拿大AP&C公司所垄断。 该步骤是借助高温的等离子体火炬加热合金丝材，溶解、蒸发成金属蒸汽，随后通过气淬冷却技术，让鼓和的金属蒸汽急剧团圆、形核、长大，得到超细合金粉末[38]。 分歧于其他两种雾化步骤，等离子雾化法中原料的溶解和雾化是同时进行的，这样的模式不仅有效地提高了雾化效能，同时也预防了雾化过程中喷嘴资料混入熔融金属液流中而形成杂质[39]。 等离子体雾化法造备迪胙合金粉末粒径散布较窄，在10~150 μm不等，50 μm以下粉末约占40%，细粉收得率极高
；此表，PA法造备的粉末也拥有较高的球形度和较低的杂质含量。 此步骤重要弊端是丝材原料的造作成本较高，且造粉效能相对较低，每幼时产量仅为0.75 kg[39]。

2.5 造备技术对比

表1为几种常见钛合金粉末造备技术的比力。 综合对比，等离子雾化法是未来最具发展远景的3D打印钛合金粉末造备技术：(1) 造备粉末的粒径散布领域与3D打印用钛合金粉末粒径要求根基一致，粉末浪费率最低
；(2) 拥有和PREP法造备粉末相当的球形度和表表描摹，但能够造备细粒径的粉末
；(3) 拥有和EIGA法相当的细粉收得率，但卫星粉含量很少。

3、粉末机能的优化蹊径

现有的氢化脱氢法、气体雾化法、离心雾化法和等离子雾化法等步骤都能成功造备出3D打印用钛合金粉末，但仍存在粉末粒径大、杂质含量高、造粉效能低等问题。 针对这些问题，国内表学者进行大量钻研，发现改进工艺步骤、调整工艺参数、等离子球化处置等伎俩都能肯定水平改善粉末缺点，提高粉末机能。

3.1 改进工艺步骤

合理地改进原有造备工艺步骤，能有效地降低粉末中的杂质含量，减幼粉末的粉末粒径大幼，改善表表描摹从而提高粉末的质量。 刘立新等[40]钻研发此刻粉碎后的氢化钛粉末，参与适量高活性的金属还原剂与之均匀混合，再进行高温脱氢工序造备钛合金粉末，可有效地降低粉末的氧含量，提高粉末的纯度。 何薇等[41]选取NaCl溶液包覆粉碎后的氢化 钛粉末，在其表表形成5~10 nm的隔离层，再对其进行球磨、脱氢，可造备出中径为6.16 μm的超细不规定粉末。 这一改进虽微量增长了钛粉中的氧含量，但成功抑造了脱氢过程中因加热而导致的粉末长大。

盛艳伟等[42]将传统的HDH法与等离子球化技术相结合，以高频等离子体对不规定TiH2粉末进行脱氢、球化处置，得到粒径为20~50 μm的表表描摹优良的球形钛粉。 这一改进有效减幼了粉末的粒径大幼及散布，大大提高了粉末的球形度。 聂祚仁等[43]扭转传统HDH法的球磨粉碎方式，通过电弧电解溶解、蒸发钛原料，同时通入氢气与之反映天生氢化钛纳米颗粒，再通过离心造粒得到微米级氢化钛粉末，最后加热脱氢造得均匀粒径在30~80 μm的低氧球形钛合金粉末。 这一改进成功地降低粉末的粒径大幼和粒径散布，提高了粉末的表表描摹。

3.2 调整工艺参数

工艺参数是钛合金粉末造备技术中的一个关键成分，合理地调整工艺参数能在肯定水平上优化粉末的机能。 魏明炜等[44]钻研发现熔炼功率对EIGA法造备的TA15钛合金粉末的粒度大幼、表表描摹、氧含量、空心粉比率等均有影响，合理设置工艺参数将功率参数从53 kW改为62 kW，能够让粉末均匀粒径从141.8 μm降至103.5 μm，同时能削减粉末中的卫星粉比率，提高粉末的球形度。 戴煜等[45]钻研发现，增大电极棒的直径和极限转速都能降低PREP法造备钛合金粉末的均匀粒径，且二者同时增大时，成效能够叠加，最大可将粉末均匀粒径从161.83 μm降至63。01 μm。 W. Kreklewetz等[46]钻研等离子雾化法造粉装置发现，扭转丝材的直径、进给速度、入口气体压力、等离子体与丝材的距离和角度等成分，均能够有效提高粉末产量和细粉比率
；此表，预热丝材原料也能够有效提逾越产效能。 F.Larouche等[47]钻研发现，扭转气体金属比G/M(从8.7增长到12.9)以及等离子枪与原料丝材的距离(从25 mm减到19 mm)，能够将PA法造备的TC4粉末细粉率从39.9%提高到59.6%。

3.3 等离子球化处置

等离子球化处置是利用高温等离子体火炬将送入其中的粉末加热溶解，随后熔融的液滴在表表张力的作用下沉新凝固形成球形粉末。 该技术重要用于改善粉末的表表描摹，也能肯定水平上削减原粉末颗粒的孔隙和裂缝。 古忠涛等[48]钻研发现，选取射频等离子技术对不规定迪胙粉进行球化处置，可大幅提升粉末的表表描摹，同时使粉末的均匀粒径幼幅降落。 刘立新等[40]对HDH法造备的不规定粉末进行等离子球化处置发现，处置后的粉末表表描摹和松装密度大幅提升，粉末球形度达98%以上，粉末松装密度从1.383g/cm³提升至3.09g/cm³，同时粉末中的氧、氮、氢等杂质的含量均有所降落。

4、结语

经过几十年的致力，我国在氢化脱氢法、电极感应熔炼雾化法、等离子旋转电极法等造备技术方面已堆集大量经验，但在等离子雾化技术方面还处于低级研发阶段。 总的来说，国内出产迪胙合金粉末已能初步满足使用粗中粒径粉末的3D打印要求，但在细粒径钛合金粉末造备上仍存在氧含量高、分歧批次粉末质量不不变等问题。 未来钛合金粉末造备工作的沉点是：(1) 加大对等离子雾化造粉技术的钻研，突破国表的技术关闭
；(2) 深刻钻研工艺和设备结构对造粉末过程的影响，解决分歧批次粉末不变性问题
；(3) 研发占有自主知识产权的造粉设备，降低现有粉末的出产成本。

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