摘 要：随着激光选区熔化（SLM）、电子束选区熔化（EBSM）等增材制造技术的快速发展，具有优异物理性能的铬铬钼（CCM）粉体已经成为义齿、骨科植入物、航空发动机等构件的重要材料之一，并且极有可能在生物医疗领域取代钛合金。采用传统气雾化制备的CCM粉末，由于空心粉、陶瓷夹杂等缘故，影响打印构件的综合力学性能。等离子旋转雾化法能够生产高纯洁净的实心球形粉末，是制备增材制造专用高品质CCM粉体的理想方式。本文简要介绍了等离子旋转雾化制粉的技术特点，阐述了现阶段等离子旋转雾化制备CCM粉体的研究现状及发展趋势，并对CCM粉体应用进行了展望。

关键词：增材制造；钴铬钼粉体；等离子旋转雾化

钴铬钼合金（CCM）是一种耐高温、高强度、高耐腐蚀性、高生物相融性的金属材料，随着激光选区熔化（SLM）、电子束选区熔化（EBSM）等金属增材制造技术的发展，已经广泛应用于义齿、骨科植入物、航空发动机等3D打印部件，并且极有可能在生物医疗领域取代钛合金。现阶段，采用传统气雾化制备CCM粉末，由于空心粉、陶瓷夹杂等缘故，孔隙与夹杂是打印构件的主要冶金缺陷，易造成构件塑性、韧性、疲劳强度降低，因此CCM粉体是制约其高性能打印构件发展的关键要素之一。等离子旋转雾化法能够生产高纯洁净的实心球形粉末，是制备增材制造专用高品质CCM粉体的理想方式。

本文立足顶立科技新一代等离子旋转雾化制粉技术及系统，结合PREP制粉技术特点，重点阐述现阶段等离子旋转雾化制备CCM粉体的研究现状及发展趋势，并对高品质CCM粉体应用进行了展望。

1 等离子旋转雾化制粉技术特点

等离子旋转雾化制粉（PREP）机理可简单描述为：以金属或合金制成自耗电极，自耗电极端部经同轴等离子体熔化，在自身高速离心力与表面张力的作用下得到球形粉体，避免了造渣与耐火材料接触，消除了非金属夹杂物污染，因此能够生产高纯洁净的实心球形粉体。

图1 PREP雾化制粉原理图

与气雾化技术相比，PREP工艺不以高速惰性气流直接分散金属液流雾化，因此可以避免气体雾化法中出现的“伞效应”，其优势可直观表现在金属粉体的粒度分布、形貌、氧含量、洁净度上。

（1）粉末粒度分布更集中，均匀性好

采用气雾化制备的CCM粉末粒度主要集中在20-150μm范围，而PREP法制备的CCM粉末粒度主要集中在30-120μm。相比气体雾化法，PREP法制备粉末粒度分布更集中，粉末颗粒大小基本一致。

（2）粉末基本不存在空心粉、卫星粉，纯度更高、夹杂少

气雾化法制备的CCM粉末具有不规则形状、破碎颗粒、较大尺寸金属长薄片等特点，流动性较差，如图2(a)所示。高速Ar气流对熔体的冲击分散易在粉末颗粒内部形成闭合孔隙，该闭孔内含有一定量的Ar气体，Ar气通常不熔于金属，在3D打印过程中不易消除，形成气隙、卷入性和析出性气孔、裂纹等缺陷，即使采用热等静压也无法消除该类缺陷，在随后热处理过程中易发生热诱导孔隙长大。而采用PREP法制得的粉末球形度更高、流动性更好、气体体积分数低（如图2(b)所示），能够有效避免上述缺陷，是金属增材制造理想的原材料。

图2 气雾化法与等离子旋转雾化法制备的粉末形貌

(a) 气雾化法; (b) 等离子旋转雾化法

此外，若采用带有陶瓷坩埚的气雾化方式，特别是CCM粉末制备方面，存在陶瓷夹杂现象，而PREP制粉技术能有效杜绝陶瓷夹杂物。

图3 气雾化粉末中的非金属夹杂物

（3）粉末增氧量更低

PREP法有效避免了气雾化的合金熔炼以及高速惰性气流破碎液流的工序，PREP粉末氧增量可控制在10-40ppm以内，而气雾化粉末氧增量通常达到100ppm以上。

但是，PREP法也存在短板，受限于高速旋转动密封、大电流传输、碳刷设计、振动偏心等相关技术瓶颈，该方法的细粉收得率（－325目）还难以达到气雾化的水平。

2 国内外研究现状及发展趋势

2.1 国内外PREP法制备CCM粉体技术研究现状

目前，俄罗斯、乌克兰掌握着世界上最先进的PREP法制备CCM粉体的技术及装备，电极棒转速高达24000-30000rpm，电极棒直径达到70-84mm，单台设备产能达到400kg/天以上。其次是中国，国内PREP法制备CCM粉体的技术及装备大体可分为两类。一类是以直接引进俄罗斯、乌克兰的制粉技术及装备为基础，初步具备开发CCM粉体的能力，但是无自主知识产权；另一类则以俄罗斯七十年代的技术及装备为基础，通过引进-消化吸收-再创新的方式进行自主研发，取得了一些成绩，但是总体上来说，国内研发成果相对较少、改进力度不大、质量不高，与国外相比差距还较大，电极棒转速在15000-18000rpm左右，电极棒直径为40-50mm。日本同样拥有PREP制粉技术及装备，但是相对比较落后，电极棒转速仅能达到10000-15000rpm，电极棒直径20-30mm，制备的CCM粉末粒度偏粗且无法连续生产，无法满足增材制造专用CCM的要求。

顶立科技作为新材料及其装备研发生产基地，将材料生产工艺与装备完美结合，在长期的制粉技术及装备设计开发过程中，积累了大量的经验，在新一代等离子体旋转雾化制粉技术与设备方面更是取得了重大突破：在一代机技术的基础上，研制成功第二代等离子雾化制粉设备，大幅提升等离子雾化制粉及装备技术水平，其中电极棒转速达到24000rpm，电极棒直径达到70mm，能够自主研制开发并批量生产化学成分均匀、高球形度、少/无伴生颗粒、少/无空心粉，卫星粉、粉末粒度分布均匀、高纯度、低氧含量的高品质球形CCM粉体（如图4所示）。

图4 等离子旋转雾化制备的CCM粉末SEM图

2.2 国内外PREP法制备CCM粉体技术发展趋势

从技术层面看，等离子旋转雾化制备高品质CCM粉体的技术瓶颈仍在于如何高效、低成本制备适用于金属增材制造的细粒径粉体。根据等离子旋转雾化制粉机理，通过公式（1）可以得出影响粉末粗细最直接的四个参数之间的关系，即等离子旋转雾化制粉粒径与液滴表面张力成正比关系，与液滴密度、电极棒极限转速、电极棒直径成反比关系。CCM合金液滴黏性较钛合金、铝合金小，密度较大，因此影响CCM粉末粒径最直接的参数是电极棒转速与电极棒直径。

d=（3σ/ρπ²）^1/2·（1/n）·（1/D^1/2） （2）

其中，σ为液滴表面张力、d为液滴直径、D为电极棒直径、ρ为液滴密度、n为电极棒转速。

表1 CCM粉体粒径理论计算公式

从表1中可以看出，当电极棒转速达到60000rpm时，能够获得较好的细粉收得率（d50达到40μm）。因此，提升CCM粉末细粉率，降低生产成本最直接的方式是增大电极棒转速。顶立科技通过攻克无动态密封高速旋转及微量氧控制技术、高速大电流柔性动平衡技术、高速旋转在线修正技术等技术瓶颈，成功实现60000rpm超高转速等离子旋转雾化制粉设备的研制，设备结构示意图如图5所示。

图5 60000转超高转速等离子旋转雾化制粉装备结构示意图

该设备的技术特点在于：

（1）设备采用独特的立式结构设计，摒弃了传统卧式结构，消除了重力对电极棒的偏心影响，实现超高转速；

（2）电极棒采用内置式，摒弃了传统外露式，无需动密封，一方面消除了动密封对电极棒转速的制约，实现更高转速；另一方面有效杜绝内外气体交换，降低粉末氧增量；

（3）攻克高速大电流柔性动平衡技术，可在高转速、3000A以上大电流下传递扭矩与电流，实现高效制粉；

（4）攻克高速旋转在线修正技术，可在线及时、准确调节电极棒同轴度，实现超高转速。

3 CCM粉体应用

CCM粉体通过激光选区熔化（SLM）、电子束选区熔化（EBSM）等增材制造技术，已经成功应用于义齿、骨科植入体等生物医疗领域，并且极有可能取代钛合金。国内某公司CCM义齿达到的技术指标如表2所示（气雾化CCM粉）。

表2 国内某CCM义齿技术指标

采用顶立科技自制的CCM粉体，其优势在于：

1）粉末实心，打印过程中不会存在空心球带来的气隙、卷入性和析出性气孔、裂纹等缺陷；

2）粉末粒径小，粒度分布窄，打印过程中少/无球化现象，表面光洁度更高，且打印的一致性与均匀性可以得到充分保障；

3）粉末球形度高，流动性好，松装密度高，打印得到的制品致密度高；

4）粉末流动性好，铺粉均匀性好；

5）粉末氧含量低，表面活性小，润湿性好，少/无球化现象，熔化效果好。

表3 顶立科技CCM义齿技术指标

国内某型号发动机旋流器由于俄罗斯停止向中国出口，只能通过自主研制。顶立科技通过SLM增材制造技术，成功实现旋流器的快速制造，其整体制造精度高于精密铸造，室温抗拉强度、高温抗拉强度、高温持久性能均超过用户要求。

图6 某型号发动机旋流器结构示意图

4 结束语

1、采用等离子旋转雾化法制备的CCM粉体性能优异，是义齿、骨科植入体、航空发动机部件增材制造的理想原料，但细粉收得率受限，制造细粉的成本仍居高不下，成为该项技术亟待解决的瓶颈；

2、顶立科技在等离子旋转雾化制粉技术及系统方面取得重大技术突破，实现60000rpm超高转速，可依托现有成果，进行推广应用，实现高品质CCM粉体材料国产化；

3、新一代等离子旋转雾化制粉技术及系统的成功开发，颠覆了等离子旋转雾化法只适于制备粗粉的论断。