成果简介：
本单位以3D打印金属粉末耗材产业化制备技术开发为主导，目前已利用此项技术，开发出10余种钛合金、镍基高温合金、模具钢、不锈钢等3D打印金属粉末耗材，成功应用于航空、航天、模具、医疗等领域。
(1)钛合金粉末
引进德国ALD公司最新一代无坩埚感应电极熔炼气雾化制粉设备，主要制备适用于航空、航天等高端增材制造应用市场及具有广泛应用前景的生物医疗领域的钛合金粉末产品，生产的钛合金粉末产品具有以下特点：①成分均匀无夹杂，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)、流动性好(小于4s/50g);③打印制件力学性能优良，抗拉强度1100-1200MPa，延伸率5-15%。④粉末粒度范围可定制。
目前成熟在售钛合金牌号有：TA0、TA2、TA7、TA12、TA19、TC4ELI、TC4、TC11、TC17、TC18、TC21、TC19等钛合金;TiAl金属化合物、NiTi形状记忆合金等。
图1 现阶段所生产和销售的增材制造用钛合金金粉末
(2)高温合金粉末
所研发的超音速紧耦合气雾化技术，主要制备应用于制造涡轮盘、压气机盘、鼓筒轴、涡轮盘高压挡板等发动机与燃气轮机等热端高温承力转动关键部件所需的镍基高温合粉末，使之即可应用于增材制造，也可应用于传统
粉末冶金领域。其主要技术指标：①成分均匀无夹杂，氧含量低(≤150ppm)，氮含量低(≤100ppm);②粉末尺寸细小均匀且球形度高(≥0.9)、流动性好(小于20s/50g);③部分合金打印件力学性能优良，抗拉强度1100-1200MPa，延伸率≥15%。④粉末粒度范围可定制，生产成本低。
目前成熟在售镍基高温合金牌号有：GH4169、GH3536、K418、K477、GH3625、GH738、GH5188等。
图2 现阶段所生产和销售的增材制造用高温合金金粉末
(3)铁基合金粉末
采用真空熔炼惰性气体雾化技术制备不锈钢等铁基合金粉末，并形成以316L不锈钢粉末、18Ni300模具钢粉末为此类产品的典型代表，保证满足国内机械、化工、船舶、汽车、
仪器仪表、模具等行业需求的产能及粉末性能。铁基合金粉末特性如下：①氧含量低(≤200ppm)，氮含量低(≤150ppm);②粉末尺寸细小均匀、球形度高(≥0.9)、流动性好(小于20s/50g);③力学性能优良，抗拉强度500-600MPa，延伸率≥15%。④粉末粒度范围可定制，生产成本低。
目前成熟在售铁基合金牌号有：316L、304、17-4PH、15-5PH、18Ni300、H13、S136、Invar36、A100、300M、M2等。
图3 基于本项目所研发的超音速紧耦合气雾化技术生产的增材制造用不锈钢粉末
(4)其他材料
包括以上提到的不锈钢、模具钢、高温合金及成分改进后的品种，也包括上文中未提到的其他一些材料，如：钴铬钼合金、
铝合金、高速钢等。
应用案例
上海材料研究所近年来以高品质增材制造金属粉末耗材作为新材料领域技术创新的战略布局重点，实现了一系列技术突破，开发出多项具有自主知识产权的高球形度气雾化粉末制备技术，技术水平达到国内领先。工程中心积极探索与中天科技集团合作新模式，已于2018年与中天科技集团合资成立了中天上材增材制造有限公司，完成了2000万元产业化技术的重大成果转让，积极推动的增材制造材料的工程化和产业化进程。中天上材增材制造有限公司依托于上海材料研究所领先的增材制造技术和重大科技成果，借助中天科技集团的雄厚资本和优秀管理运营模式，实现技术和资源的对接，优势与潜力的互补，用技术创新来驱动产业发展，用产业发展来带动技术创新的新型发展模式，打造成国内增材制造金属材料领域的领导者与龙头企业，进一步推动高品质增材制造用金属粉末耗材及技术服务的发展，现已实现大批量的产业化生产，为中国增材制造金属材料领域事业做出更大的努力。
研发背景
金属材料3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属材料，使用选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)以及电子束熔融(EBM)等技术，通过逐层打印的方式来构造物体的快速成形技术。国外在3D打印金属粉末的发展非常迅速，目前3D打印金属粉末材料的市场主要被国外产品所占据。目前国内市场上的金属粉末主要面向于粉末冶金制品加工，与3D打印的技术要求尚有距离。
我国正在高速发展的快速成型制造行业对耗材的制备提出了迫切需求。目前，国外的耗材成本较我们的材料成本高2倍以上，国内长期依赖进口耗材，订购时间长，费用高，而我们的产品避免了这些缺点。本所研制出的耗材改变了我国高品质球形金属粉末受制于人的现状，推动和引领了高品质球形金属粉末及制品的发展。
作用原理
本项目所用合金粉末制备的工艺路线是：合金原料→熔化→气雾化→粉末收集→粉末分级→粒度配比→粉末后处理→包装。生产出多种适用于SLM、EBM和LENS等3D打印技术的金属粉末耗材。
市场分析
从全球增材制造金属粉末需求趋势来看，未来3-5年将迎来3D金属粉末市场的快速发展。市场研究机构Markets发布了一份关于增材制造粉末市场预测的研究报告《增材制造粉末市场的全球预测2020(3D Printing Powder Market- Global Forecast to 2020)》，该报告称，因基于粉末材料打印的技术关键专利到期以及技术进步、新产品开发等因素的刺激，全球增材制造粉末材料的市场销售额在五年内将达到6.369亿美元，折合人民币约41亿，2015年到2020年间的年复合增长率为24.4%。
按当前增材制造金属粉末市场份额统计，北美地区约占全球金属粉末市场的40.4%，其次分别为欧洲和亚洲太平洋地区。有报告预计2015—2020 年中国和印度等发展中国家金属粉末市场的发展速度较快，由于国内快速发展的行业需求和城市化进程，中国金属粉末市场的发展速度将较其他国家更快。同时中国作为未来先进制造业转型升级的大国，有望在短期内成为世界增材制造产业的重要市场。据不完全统计，目前国内工业级增材制造设备装机量已突破700套，其中金属增材制造设备装机量超过400，预计未来3-5年内装机量将呈倍数增长。按照每年每台打印机年需求量1-2吨，按此估算，未来3-5年内国内金属增材制造粉末材料需求总量将超过12000吨。
综上所述，无论是在国际市场，还是在国内市场，增材制造都存在着巨大的增长潜力，市场前景可观，可想而知，作为金属增材制造原材料的金属粉末的市场需求前景极其广阔。与此同时，由于标准与规范的缺失，增材制造材料与制品的检测与评价技术服务目前在国内基本处于空白阶段，市场前景潜力巨大。
声明：
“3D打印用高品质球形金属粉末” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：上海材料研究所
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2024年09月20日 ~ 22日 
