中國粉體網訊  7月17日，由中國粉體網主辦的2025高端金屬粉體制備與應用技術大會在湖南長沙成功召開。會議期間，我們邀請到南方科技大學黎興剛教授做客《對話》欄目，黎教授非常詳細地為我們講解了球形金屬粉體的制備與應用及氣霧化制粉技術的發展情況。

中國粉體網：請簡要介紹一下球形金屬粉體的性能特點、應用領域及制備方法有哪些？

黎教授：

（1）球形金屬粉體的性能特點

球形金屬粉體具有高流動性、高堆積密度以及優異的燒結性能，其成型件亦具有優異的力學性能。

高流動性：球形結構使其在輸送、填充等過程中阻力小，流動性遠優于不規則形狀粉體，便于自動化生產中的精準計量和布料。

高堆積密度：球體緊密堆積時空隙率低，堆積密度高，能提高成型件的致密度，降低內部缺陷風險。

均勻燒結性：球形顆粒間接觸面積均勻，燒結過程傳質效率高，易形成均勻致密的燒結體，提升材料力學性能。

穩定的力學性能：成型后零部件組織均勻，強度、韌性等指標優于非球形粉體制品。

（2）球形金屬粉體的應用領域

球形金屬粉體的應用領域非常廣泛，根據其應用形式，可以分為以下幾類：

a.直接成型原料

3D打印核心耗材：作為金屬3D打印技術（如SLM、SLS、binder jetting等）的直接原料，粉體顆粒通過激光/電子束熔融燒結，直接成型復雜結構零件，無需模具即可制造傳統工藝難以實現的異形件、鏤空結構件，已用于制造航空航天復雜構件、醫療植入物、精密模具等。

粉末冶金壓制成型原料：通過模具壓制成型，經燒結后制成高強度結構件，已用于制造航空發動機核心部件、汽車精密零件、高強度齒輪等高精度結構件。

b.功能性漿料/涂層原料

導電漿料：將球形金屬粉體（如銀、銅粉）與有機載體混合制成導電漿料，用于電子線路印刷、電極制造，利用其高導電性和分散性提升電子元件性能。

熱噴涂涂層：將粉體通過熱噴涂技術（如等離子噴涂）制備耐磨、耐腐蝕、耐高溫涂層，用于機械零件表面強化。

c.復合/功能材料基體

金屬基復合材料：作為基體與陶瓷顆粒、碳纖維等增強相復合，制備輕質高強、耐磨耐蝕的復合材料，用于航空航天、高端裝備等領域。

生物醫用復合材料：與生物活性陶瓷等復合，制備兼具力學性能和生物相容性的植入材料，優化醫療植入體的使用效果。

d.精密零部件修復

在航空航天、高端裝備等領域，利用球形金屬粉體通過3D打印技術對受損零件（如渦輪葉片、模具型腔）進行精準修復，延長零件使用壽命，降低更換成本。

（3）球形金屬粉體的制備方法

一般金屬由氣態或熔融液態轉變成粉末時，粉末顆粒形狀趨于球形；由固態轉變為粉末時，粉末顆粒趨于不規則形狀；由水溶液電解法制備的粉末多數呈樹枝狀；采用氫化脫氫法所得粉末的外形普遍呈現棱角或鋸齒狀。因此，金屬熔體霧化法成為球形金屬粉末的主要制備方法。

所謂的霧化，是指液體由于外力作用或自身不穩定性破碎形成液膜、液線、液滴等非連續相的過程。雖然霧化的英文專業術語Atomization中包含Atom這個單詞，但是僅在物理作用下，這些非連續相的尺寸一般在亞微米至毫米級別（10-7-10-3 m），遠未達到原子尺度。這些非連續相在表面張力的作用下趨于球形，在凝固、蒸發等固化機制作用下形成球形/近球形粉末顆粒。

在金屬熔體霧化工藝中，具有一定過熱度的金屬熔體被輸送到霧化區被霧化成粉末。根據使熔體霧化過程發生所施加的外力或能量，目前比較成熟的金屬熔體霧化工藝包括氣體/水霧化（介質動能）、離心霧化（旋轉體離心力）、超聲霧化（振動）、壓力霧化（勢能）等。

不同的熔煉工藝與不同的霧化工藝結合形成多種球形金屬粉末制備工藝，如美國Crucible公司開發的水冷銅坩堝熔煉–氣體霧化工藝、德國ALD公司開發的電極感應熔煉–氣體霧化工藝（EIGA）、加拿大AP&C公司開發的等離子霧化工藝（PA）、俄羅斯的等離子旋轉電極霧化工藝（Plasma Rotating Electrode Process，PREP）等多用來制備高溫難熔、高活性金屬粉末，如鈦及鈦合金粉末等；傳統的耐火材料坩堝熔煉–氣體霧化工藝，在真空/反沖惰性氣體工況下一般稱作真空感應熔煉–氣體霧化（VIGA），則通常用來制備鋁合金、銅合金、不銹鋼、鎳基高溫合金等低活性金屬粉末。

中國粉體網：請簡要介紹氣霧化制粉中衛星粉、空心粉的形成機理及控制方法。

黎教授：

（1）衛星粉形成機理及控制方法

氣霧化粉末，尤其是輕合金粉末，普遍存在衛星粉現象，即小顆粒在大顆粒表面粘附的現象，也可泛指粉體中的顆粒粘接/團聚現象。在氣體霧化過程中，霧化熔滴粒度分散，在復雜的氣流場結構中（可壓縮、超/跨/亞音速、湍流、宏觀/介觀尺度渦流等），具有不同動力學和熱力學狀態的熔滴/顆粒發生碰撞的頻率大幅提高，導致氣霧化粉末中顆粒粘接/團聚的現象較離心霧化等粉末更為明顯。一般來說，小熔滴由于慣性小，運動狀態更易受氣流場影響，且凝固速率較快，與液態/未完全凝固的大熔滴發生碰撞，隨后熔滴之間發生熔結或燒結，大熔滴凝固后，形成小顆粒粘結在大顆粒表面的衛星粉現象。

衛星粉形成的直接原因就是顆粒/熔滴發生了碰撞，因此，可以基于減少顆粒/熔滴碰撞頻率與抑制顆粒/熔滴碰撞粘接過程兩條途徑，建立多層次、多尺度的衛星粉控制機制。譬如，在宏觀尺度上，可以通過向霧化室內引入輔助氣流、抽吸或優化霧化室結構，抑制或消除霧化室內回流，減少粉塵回旋，進而降低顆粒/熔滴之間的碰撞頻率。在介觀尺度上，可以通過優化噴霧中的多相流場結構及噴霧特征，或者降低噴霧中熔滴的粒度分布寬度從而減少顆粒/熔滴的運動狀態差異，均可降低熔滴/顆粒之間的碰撞頻率。在微觀尺度上，可以在顆粒/熔滴之間引入排斥力，譬如施加外電場，使霧滴荷電，霧滴帶有同性電荷，庫侖排斥阻止霧滴在飛行過程中的碰撞接觸，從而抑制衛星粉的形成，但是由于金屬是導體，其效果不如在非金屬粉體中明顯。

（2）空心粉形成機理及控制方法

空心粉是氣霧化粉末中較常見的另一類缺陷。空心粉中的孔洞/孔隙一般存在兩種形態：一種是霧化氣體被束縛在粉末內部形成的閉孔，其尺寸一般為粉末尺寸的10%~90%，在粉末的中心區域以及靠近粉末表面的區域均有分布，一般在粒度較粗的粉末中常見；另一種是枝晶間凝固收縮形成的孔隙，其尺寸一般小于粉末尺寸的5%，在粉末內部與表面有分布。

在粉末的致密化過程中，如熱等靜壓、熱擠壓等，被束縛在粉末內部的氣體會在高壓作用下收縮形成更細小的具有較高內壓的孔洞，然而一旦將成形件置于高溫無外壓條件下，存留在粉末中的孔洞可能會繼續膨脹長大，導致材料的致密度降低以及形成孔隙缺陷，降低材料的疲勞強度與斷裂韌性。在增材制造工藝中，粉末被激光、電子束等快速熔化后又快速凝固，被束縛在粉末內部的氣體能否逸出尚不明確，空心粉對3D打印工藝以及成形件的致密度、力學性能等的影響有待進一步研究。

一般認為空心粉中閉孔的形成主要與液滴的膜式破碎機制有關。對于黏度較低的液滴，在膜式破碎過程中，液滴在氣動力作用下會形成袋狀液膜，隨后液膜破碎形成大量細小的液滴；對于金屬熔滴而言，熔滴的變形破碎過程伴隨著熔滴的快速冷卻與凝固，在該過程中熔滴的黏度急速升高，袋狀液膜的破碎過程可能被抑制，變形過程增大，袋狀液膜開口處結合，導致袋內的霧化氣體被包裹在熔滴內。基于上述原理，可以通過降低或提高霧化能量使液滴避開膜式破碎機制，從而降低粉末中閉孔的形成幾率，但由于霧化過程中往往多種液滴破碎模式共存，過程控制難度較大，而且可能會影響特定粒度區間的粉體收得率。

霧化氣流與液體表面的剪切作用亦會導致大量的氣體被液體表面捕獲。因此，可以嘗試優化霧化器布局，降低霧化氣流與熔體射流的剪切作用，進而降低空心粉的形成幾率。

中國粉體網：制粉裝備對于氣霧化制粉技術而言是不是非常關鍵？目前裝備的國產化情況如何？

黎教授：氣霧化制粉裝備包括霧化系統、熔煉系統以及真空、液壓驅動、粉末收集等附屬系統。制粉裝備是制粉技術的體現，決定了粉末的生產效率、生產成本以及粉末質量，制粉裝備各系統的穩定運行保證了制粉工藝與粉體性能的穩定性。

目前我國霧化制粉裝備基本實現國產化。國內多家企業已成功研發并生產出具有自主知識產權的氣霧化制粉裝備，部分裝備的技術水平已達到或接近國際先進水平。在大容量真空氣霧化裝備方面，中機新材、河北敬業、中航邁特、威拉里等企業先后成功運行了500公斤級VIGA制粉裝備，南通金源智能成功運行了1000公斤級超大容量VIGA制粉設備。但在以水冷銅坩堝-氣霧化工藝為代表的大容量、高純凈高溫難熔合金粉體制備技術方面，仍有待突破，這也是我們團隊的一個努力方向。

除了氣霧化裝備，國產PREP裝備也取得了巨大突破，代表企業有西安賽隆、歐中科技、中國機械總院集團鄭機所等。其中，西安賽隆開發的PREP裝備，電極棒料轉速可達50,000轉/分鐘，達到國際最高水平。

中國粉體網：您在氣霧化制粉技術方面有哪些進展和突破？

黎教授：我們在新型氣霧化制粉裝備及技術研發、粉體成本及質量控制、金屬基復合粉體短流程制備技術研發等方面具有一定的工作積累。

提出了低維度熔體霧化的概念，作為第一發明人主持研發了國內首臺耦合壓力-氣體霧化制粉裝備及相關技術，在低能耗下，從優化熔體特征入手，提高霧化效率，將3D打印用金屬粉體收得率，相比傳統氣體霧化工藝（20~45 vol.%），提高到（60~90 vol.%）。目前，該技術已被用于錫合金、鋅合金、鋁/鎂合金、模具鋼、鎳基高溫合金等合金粉末的中試生產。

深入開展了氣體霧化制粉過程中衛星粉的形成機理與控制方法的研究。著重從多相流體力學的角度揭示了氣體霧化制粉過程中衛星粉的形成機理，為衛星粉控制方法的探索提供了理論依據。研發了多尺度、多層次的衛星粉有效控制方法，包括基于氣體整流的回流/粉塵回旋控制、雙噴嘴霧化、自耗電極等離子弧熔煉氣霧化、氣流磨后處理等，實現了高球形度、無/少衛星粉粘接的高品質3D打印用粉體的低成本制備。相關技術已在中金嶺南、中機新材等企業推廣應用。

開發了基于熔滴-顆粒共噴射、原位反應霧化等工藝的顆粒強化金屬基復合粉體短流程制備技術，可以在霧化制粉階段直接實現強化顆粒與金屬基體顆粒的復合，避免了傳統復合粉體制備工藝中的機械混合過程，保證了粉體質量。該類復合粉體可以直接用于增材制造金屬基復合構件或其他粉末冶金成型工藝。基于納米顆粒彌散強化的高強鋁基/高溫鎳基復合粉體，實現了高強鋁基/高溫鎳基難打印合金的無裂紋打印。

上述工作獲得了科技創新領軍人才計劃、國家自然科學基金項目、GF科工局進口替代項目、北京市科技新星計劃、深圳市科創局基礎研究項目以及技術攻關項目等項目的支持。

中國粉體網：在氣霧化制粉技術領域，國內與國外相比發展得如何？

黎教授：氣霧化等霧化制粉技術并不是新技術。近年來，金屬增材制造（3D打印）技術的興起推動了國內外包括氣霧化在內的霧化制粉技術的進一步發展。在2018年的時候，國內高端3D打印用金屬粉末仍依賴進口，國產高性能粉末供應不足，導致粉末價格高昂。譬如，常用的激光粉床熔融用TC4鈦合金粉末的價格不低于3000元/千克，18Ni300模具鋼粉末的價格也在2000元/千克以上。造成這種局面的原因：一方面，國外金屬3D打印設備廠商將設備與粉末原料捆綁；另一方面，國產霧化制粉裝備和技術落后于國外，國產粉末生產效率、生產成本、粉體質量均處于劣勢。高端制粉裝備需要進口，譬如從德國ALD進口電極感應氣霧化（EIGA）設備。 

近年來，國產金屬3D打印裝備、3D打印用金屬粉材逐步打破了國外的壟斷，國產粉末在成本與質量控制方面取得了顯著的進步，實現了進口替代。目前，激光粉床熔融用TC4鈦合金粉末、18Ni300模具鋼粉末等常用粉末的價格甚至降至每公斤五百元以下。這是國內金屬增材制造行業產學研共同努力奮斗的成果，企業起到了很好的引領作用。

不同于傳統的粉末冶金產業鏈，國內增材制造行業的領頭羊都在嘗試甚至已經實現了3D打印裝備、3D打印用原料、3D打印服務全產業鏈的融合。多家產學研單位都在同時開展氣霧化、離心霧化、等離子霧化等多種霧化制粉技術的研發和產業化。在霧化制粉領域具有較深厚技術沉淀的國有企業，隨著金屬3D打印市場的逐步打開，也開始加大了投入。

（中國粉體網編輯整理/平安）

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