成果簡介：
本單位以3D打印金屬粉末耗材產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)開發(fā)為主導(dǎo)，目前已利用此項(xiàng)技術(shù)，開發(fā)出10余種鈦合金、鎳基高溫合金、模具鋼、不銹鋼等3D打印金屬粉末耗材，成功應(yīng)用于航空、航天、模具、醫(yī)療等領(lǐng)域。
(1)鈦合金粉末
引進(jìn)德國ALD公司最新一代無坩堝感應(yīng)電極熔煉氣霧化制粉設(shè)備，主要制備適用于航空、航天等高端增材制造應(yīng)用市場及具有廣泛應(yīng)用前景的生物醫(yī)療領(lǐng)域的鈦合金粉末產(chǎn)品，生產(chǎn)的鈦合金粉末產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)：①成分均勻無夾雜，氧含量低(≤1000ppm)，氮含量低(≤100ppm)，痕量元素含量可控;②球形度高(≥0.9)、流動(dòng)性好(小于4s/50g);③打印制件力學(xué)性能優(yōu)良，抗拉強(qiáng)度1100-1200MPa，延伸率5-15%。④粉末粒度范圍可定制。
目前成熟在售鈦合金牌號(hào)有：TA0、TA2、TA7、TA12、TA19、TC4ELI、TC4、TC11、TC17、TC18、TC21、TC19等鈦合金;TiAl金屬化合物、NiTi形狀記憶合金等。
圖1 現(xiàn)階段所生產(chǎn)和銷售的增材制造用鈦合金金粉末
(2)高溫合金粉末
所研發(fā)的超音速緊耦合氣霧化技術(shù)，主要制備應(yīng)用于制造渦輪盤、壓氣機(jī)盤、鼓筒軸、渦輪盤高壓擋板等發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)等熱端高溫承力轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)鍵部件所需的鎳基高溫合粉末，使之即可應(yīng)用于增材制造，也可應(yīng)用于傳統(tǒng)
粉末冶金領(lǐng)域。其主要技術(shù)指標(biāo)：①成分均勻無夾雜，氧含量低(≤150ppm)，氮含量低(≤100ppm);②粉末尺寸細(xì)小均勻且球形度高(≥0.9)、流動(dòng)性好(小于20s/50g);③部分合金打印件力學(xué)性能優(yōu)良，抗拉強(qiáng)度1100-1200MPa，延伸率≥15%。④粉末粒度范圍可定制，生產(chǎn)成本低。
目前成熟在售鎳基高溫合金牌號(hào)有：GH4169、GH3536、K418、K477、GH3625、GH738、GH5188等。
圖2 現(xiàn)階段所生產(chǎn)和銷售的增材制造用高溫合金金粉末
(3)鐵基合金粉末
采用真空熔煉惰性氣體霧化技術(shù)制備不銹鋼等鐵基合金粉末，并形成以316L不銹鋼粉末、18Ni300模具鋼粉末為此類產(chǎn)品的典型代表，保證滿足國內(nèi)機(jī)械、化工、船舶、汽車、
儀器儀表、模具等行業(yè)需求的產(chǎn)能及粉末性能。鐵基合金粉末特性如下：①氧含量低(≤200ppm)，氮含量低(≤150ppm);②粉末尺寸細(xì)小均勻、球形度高(≥0.9)、流動(dòng)性好(小于20s/50g);③力學(xué)性能優(yōu)良，抗拉強(qiáng)度500-600MPa，延伸率≥15%。④粉末粒度范圍可定制，生產(chǎn)成本低。
目前成熟在售鐵基合金牌號(hào)有：316L、304、17-4PH、15-5PH、18Ni300、H13、S136、Invar36、A100、300M、M2等。
圖3 基于本項(xiàng)目所研發(fā)的超音速緊耦合氣霧化技術(shù)生產(chǎn)的增材制造用不銹鋼粉末
(4)其他材料
包括以上提到的不銹鋼、模具鋼、高溫合金及成分改進(jìn)后的品種，也包括上文中未提到的其他一些材料，如：鈷鉻鉬合金、
鋁合金、高速鋼等。
應(yīng)用案例
上海材料研究所近年來以高品質(zhì)增材制造金屬粉末耗材作為新材料領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的戰(zhàn)略布局重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了一系列技術(shù)突破，開發(fā)出多項(xiàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高球形度氣霧化粉末制備技術(shù)，技術(shù)水平達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先。工程中心積極探索與中天科技集團(tuán)合作新模式，已于2018年與中天科技集團(tuán)合資成立了中天上材增材制造有限公司，完成了2000萬元產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的重大成果轉(zhuǎn)讓，積極推動(dòng)的增材制造材料的工程化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。中天上材增材制造有限公司依托于上海材料研究所領(lǐng)先的增材制造技術(shù)和重大科技成果，借助中天科技集團(tuán)的雄厚資本和優(yōu)秀管理運(yùn)營模式，實(shí)現(xiàn)技術(shù)和資源的對接，優(yōu)勢與潛力的互補(bǔ)，用技術(shù)創(chuàng)新來驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，用產(chǎn)業(yè)發(fā)展來帶動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新的新型發(fā)展模式，打造成國內(nèi)增材制造金屬材料領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者與龍頭企業(yè)，進(jìn)一步推動(dòng)高品質(zhì)增材制造用金屬粉末耗材及技術(shù)服務(wù)的發(fā)展，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)大批量的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，為中國增材制造金屬材料領(lǐng)域事業(yè)做出更大的努力。
研發(fā)背景
金屬材料3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬材料，使用選擇性激光燒結(jié)(SLS)、選擇性激光熔化(SLM)以及電子束熔融(EBM)等技術(shù)，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的快速成形技術(shù)。國外在3D打印金屬粉末的發(fā)展非常迅速，目前3D打印金屬粉末材料的市場主要被國外產(chǎn)品所占據(jù)。目前國內(nèi)市場上的金屬粉末主要面向于粉末冶金制品加工，與3D打印的技術(shù)要求尚有距離。
我國正在高速發(fā)展的快速成型制造行業(yè)對耗材的制備提出了迫切需求。目前，國外的耗材成本較我們的材料成本高2倍以上，國內(nèi)長期依賴進(jìn)口耗材，訂購時(shí)間長，費(fèi)用高，而我們的產(chǎn)品避免了這些缺點(diǎn)。本所研制出的耗材改變了我國高品質(zhì)球形金屬粉末受制于人的現(xiàn)狀，推動(dòng)和引領(lǐng)了高品質(zhì)球形金屬粉末及制品的發(fā)展。
作用原理
本項(xiàng)目所用合金粉末制備的工藝路線是：合金原料→熔化→氣霧化→粉末收集→粉末分級(jí)→粒度配比→粉末后處理→包裝。生產(chǎn)出多種適用于SLM、EBM和LENS等3D打印技術(shù)的金屬粉末耗材。
市場分析
從全球增材制造金屬粉末需求趨勢來看，未來3-5年將迎來3D金屬粉末市場的快速發(fā)展。市場研究機(jī)構(gòu)Markets發(fā)布了一份關(guān)于增材制造粉末市場預(yù)測的研究報(bào)告《增材制造粉末市場的全球預(yù)測2020(3D Printing Powder Market- Global Forecast to 2020)》，該報(bào)告稱，因基于粉末材料打印的技術(shù)關(guān)鍵專利到期以及技術(shù)進(jìn)步、新產(chǎn)品開發(fā)等因素的刺激，全球增材制造粉末材料的市場銷售額在五年內(nèi)將達(dá)到6.369億美元，折合人民幣約41億，2015年到2020年間的年復(fù)合增長率為24.4%。
按當(dāng)前增材制造金屬粉末市場份額統(tǒng)計(jì)，北美地區(qū)約占全球金屬粉末市場的40.4%，其次分別為歐洲和亞洲太平洋地區(qū)。有報(bào)告預(yù)計(jì)2015—2020 年中國和印度等發(fā)展中國家金屬粉末市場的發(fā)展速度較快，由于國內(nèi)快速發(fā)展的行業(yè)需求和城市化進(jìn)程，中國金屬粉末市場的發(fā)展速度將較其他國家更快。同時(shí)中國作為未來先進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的大國，有望在短期內(nèi)成為世界增材制造產(chǎn)業(yè)的重要市場。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)工業(yè)級(jí)增材制造設(shè)備裝機(jī)量已突破700套，其中金屬增材制造設(shè)備裝機(jī)量超過400，預(yù)計(jì)未來3-5年內(nèi)裝機(jī)量將呈倍數(shù)增長。按照每年每臺(tái)打印機(jī)年需求量1-2噸，按此估算，未來3-5年內(nèi)國內(nèi)金屬增材制造粉末材料需求總量將超過12000噸。
綜上所述，無論是在國際市場，還是在國內(nèi)市場，增材制造都存在著巨大的增長潛力，市場前景可觀，可想而知，作為金屬增材制造原材料的金屬粉末的市場需求前景極其廣闊。與此同時(shí)，由于標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的缺失，增材制造材料與制品的檢測與評(píng)價(jià)技術(shù)服務(wù)目前在國內(nèi)基本處于空白階段，市場前景潛力巨大。
聲明：
“3D打印用高品質(zhì)球形金屬粉末” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：上海材料研究所
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2025年03月28日 ~ 30日 
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