3D打印(3D Printing)，又称增材制造(Additive Manufacturing，简称AM)，兴起于上世纪九十年代[1]。与传统的“减材”加工措施不同的是，3D打印是基于计算机软件，经过设计、扫描等方式树立三维模型，以逐层叠加的方式将离散资料(粉末、丝材)加工成形的一种技术[2, 3]。3D打印大多运用球形粉末作为原料，经过集中的热源有选择地凝结，并在随后的冷却中固化构成打印件[4]。3D打印用球形粉末的制备措施有气雾化法、等离子火炬雾化法、旋转电级雾化法、羰基法等。其中应用最为普遍的为气雾化法。

气雾化法(Gas Atomization, GA)来源于20世纪20年代，是应用高速气流作用于金属熔液，将气体动能转化为熔滴名义能，进而构成微小金属液滴并冷却凝固成球形金属粉末的工艺[5]。该法制备的金属粉末粒度小、成分平均、球形度高、活动性好，已完成范围化消费[6]。统计显现，采用气雾化法制备的球形金属粉末占总产量的30%～50%[7]，此措施已成为3D打印用球形金属粉末的主要制备措施[8]。

1、气雾化制备球形金属粉末机理概述

依据See[9]和Dombrowski[10]的研讨，气雾化过程分为一次破碎、二次破碎及球化与凝固三个阶段，主要包含气流散布状态、合金凝结、熔体破碎、球化、凝固等过程，气雾化过程及喷雾照片[11](高速相机获取)如图1所示。首先，气流经过雾化喷嘴加速并构成稳定气流场，当熔融金属液流接触气流之后，高速、高压气流冲击、破碎液流，将气体动能转化为金属熔滴的名义能，构成细小熔滴。熔滴在气流拖拽作用下高速飞行，飞行途中受名义张力的影响进而球化，在高速雾化气流中快速冷却凝固得到球形粉末颗粒。

图1 气雾化过程表示图(a)及喷雾照片(b)

2、金属粉末资料

在当前3D打印产业当中，金属3D打印占领了相当大一部分比例，而且随着金属3D打印技术的日益成熟和成本大幅降落，其应用范围、深度和范围都在不时突破。好比在航空航天范畴，金属3D打印曾经从制造测试样件进入到批量消费的阶段；在齿科范畴，3D打印金属牙冠也成为牙齿技工所的常规伎俩；在骨科范畴，3D打印金属植入体开端范围化应用；在模具、散热器等范畴正在替代传统工艺；在汽车范畴还有庞大的应用潜力等候发掘[12]。

作为金属3D打印最常用的原资料之一，金属球形粉末发挥着至关重要的作用。由于3D打印在制造工艺上的特殊性，其所需的金属粉末也有区别于传统的粉末冶金措施，目前打印用粉末多是以球形度高、活动性好、纯度高的细粉为主。因而，像传统的恢复法、电解法等措施消费出的不规则粉末难以在金属3D打印中得到实践应用。近年来，随着金属产品在配备制造范畴应用的提高，金属3D打印的应用市场也不时扩展。为完成金属3D打印产业化大范围展开，对原资料金属粉末的产量、成本等请求也需求不时进步[12]。

目前3D打印金属粉末资料主要有钛合金、不锈钢、工具钢、铝合金、高温合金等。由于3D打印金属粉末技术壁垒高，消费艰难，招致市场产量严重缺乏，而且国产3D打印金属粉末在纯真度、颗粒度、平均度、球化度、含氧量等对打印废品性能影响较大的原料指标方面相比国外仍存在差距，使得我国高性能金属粉末资料仍依赖进口。未来国内金属3D打印资料替代进口资料市场潜力庞大。2022年3月24日，IDTechEx发布的综合技术讲演提供了金属3D打印的细致状况和前景，基于普遍的市场历史和大量的初步采访，对市场提供了公正的预测，包含过去两年COVID-19大盛行的影响和复苏。讲演预测2022年到2032年，全球金属3D打印的市场总量将增长到为180亿美圆/年。

2.1 高温合金资料

2.1.1 高温合金与粉末高温合金

高温合金又称超合金，具有良好的抗氧化性、抗腐蚀性能、优秀的拉伸、耐久、疲倦性能和长期组织稳定性，是为了满足各种高温运用条件下的现代航空航天技术的请求而展开起来的，在先进的航空航天发起机范畴显现出强大的生命力。

粉末冶金高温合金是采用粉末冶金的措施制备的高温合金，与传统的铸锻高温合金相比，具有组织平均，无宏观偏析，以及屈从强度高、疲倦性能好等优点，抑止常规工艺产生的偏析(不平均)，所运用的预合金化粉末的每个颗粒就是一个“显微钢锭”，合金偏析只能在粉末颗粒的细小范围内发作，能够进步合金的综合性能，并且能减少切削加工量,进步了合金的应用率。特别是随着高温合金成分日趋复杂、零件尺寸不时增大，粉末冶金高温合金显现出更大的优越性[13]。

2.1.2 高温合金分类

高温合金依照含有的主金属元素分类主要包含镍基、钴基、铁基三类，镍基高温合金占比约80%，钴基和铁基高温合金占比合计约20%。

镍基高温合金是以镍为基体(含量普通大于50%)在650～1000 °C范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀才干的高温合金。能够中止热、冷变形加工，工作温度范围-253～1320 °C，具有良好的力学性能和综合的强、韧性指标，具有较高的抗氧化、抗腐蚀性能的一类合金。如GH4698、GH4742、GH4033、GH4133、GH4049、GH4037、K417、K417G、DZ417G和DD403等。

钴基高温合金是含钴量40～65%的奥氏体高温合金。在730～1100 °C条件下具有一定的高温强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化才干。适于制造航空喷气发起机、工业燃气轮机、舰船燃气轮机的导向叶片和喷嘴导叶以及柴油机喷嘴等。如K640、DZ640M、GH5605、GH5188和GH6159等。

铁基高温合金是以高合金化的Fe基奥氏体或FeNi基奥氏体为基的合金或者说以铁或铁镍为主要元素的合金,含镍量达25%～50%，如GH2135、GH2035、AGH2984、GH901、GH2761、GH2132、GH2302、K213和K214等。

2.1.3 高温合金市场需求及趋向

高温合金全球每年的消费量和运用量约28万吨，中国每年的消费量和运用量约2万吨，占比缺乏10%，主要由于高温合金应用主要集中在航空航天、核能等高端制造范畴，技术壁垒高，中国目前仍处于追逐和国产化替代过程。

未来高温合金的需求增长来源主要可分为四个方面：一是航空航天范畴，军用或民用航空发起机未来10年仍将坚持稳步增长趋向，且随同我国航空发起机研发消费才干的提升，国产化步伐加快，航空航天高温合金需求或加速增长；二是燃气轮机范畴，燃气轮机具备高更新频率的特性，且我国舰船编队范围将持续扩展，带来可观的高温合金需求增长；三是核电范畴，依照规划未来10年我国有望坚持每年6～8台的核电机组投产范围，对应高温合金年需求量4000吨；最后是汽车范畴，随着我国汽车产量的稳步增长及汽车涡轮增压器装配率的上升，汽车用高温合金需求有望迎来显著增长。

2.2 高温合金粉末资料

当前市场上常见的高温合金粉末为镍、钴基类粉末，见表1。其中消费厂家较多，市场需求量较大的粉末有5种，分别是GH4169 (IN718)，GH3625 (IN625)，Ni60，CoCrW，CoCrMoW等。

表1 国内市场常见的镍、钴基合金粉末种类

粉末牌号

国内外主要消费厂家

GH4169 (IN718)

中航迈特、飞而康、盘星新型、威拉里、塞隆、欧中、宁波中物力拓、南京尚吉、河北敬业、Hoganas、Arcam、Sandvik、Praxair、Carpenter、GKN、EOS、Concept Laser

GH3625 (IN625)

GH3536

中航迈特、威拉里

GH5188

中航迈特

NiTi

中航迈特

Ni60

中航迈特、理工合金、宁波中物力拓、河北敬业

FeNi

安徽哈特三维、Praxair

NiCrAlY

中航迈特、Praxair

Ni3Al

Praxair

NiCr

理工合金

高熵合金

威拉里，临沂研新资料

Co40

中航迈特、理工合金、Arcam、Sandvik

CoCrMoW

中航迈特、威拉里、飞而康、盘星新型、塞隆、欧中、理工合金、Hoganas、Arcam、Sandvik、Praxair、Carpenter、Concept Laser、H.C.Starck

CoCrW中航迈特、威拉里、飞而康、盘星新型、塞隆、理工合金、Hoganas、H.C.Starck

2.2.1 国外高温合金粉末主要消费商

当前，国外具备较强实力的3D打印金属粉末供给商有：瑞典Arcam、Hoganas、Sandvik，英国GKN，法国Erasteel，德国EOS、Concept laser、H.C.Starck，比利时Solvay，美国Carpenter、Praxair等，见表2，它们成立时间较早，在粉末冶金等范畴有着较强的技术沉淀。

表2 海外主要3D打印高温合金粉末供给商

公司称号

成立

国别

主要产品

Arcam

1997

瑞典

EBM硬件、金属粉末和粉末处置设备

Hoganas

1797

瑞典

金属粉末

Sandvik

1862

瑞典

3D打印用气雾化金属粉末

GKN

1759

英国

金属粉末添加剂、合金钢雾化、磁性粉末

Erasteel

1907

法国

抢先的高速钢、不锈钢、镍合金粉末供给商

EOS

1989

德国

铝、钴/铬合金和钢等3D打印资料

Concept laser

2000

德国

金属3D打印机器和系统技术的供给商

H.C.Starck

1940

德国

铌、钽、钨等金属和高性能陶瓷资料供给商

Solvay

1863

比利时

3D打印用金属粉末

Carpenter

1889

美国

铁镍钴、不锈钢、钛合金金属粉末

Praxair

1907

美国

3D打印用镍、钴、铁、钛和铜合金粉末

2.2.2 国内高温合金粉末主要消费商

国内能提供高质量金属粉末的公司主要有中航迈特、飞而康、赛隆金属、西安欧中，铂力特，高研钢纳、湖南顶立科技等，这些公司或其相关业务都是近十年才展开起来的。国内高温合金粉末主要消费商见表3，其中范围最大，展开速度最快的就是中航迈特。

表3 国内高温合金粉末主要消费商

企业

称号

成立

年份

产 能 概 况

中航

迈特

2015

目前总设计产能1600吨。

江苏

威拉里

2015

3D打印粉末年产能50吨以上。

河北

敬业

2015

具有2台200kg、1台500kg真空惰性雾化炉设备、300kg级非真空气雾化细微粉末消费线、150kg水气分离雾化消费线2条。

西安

欧中

2013

年产钛合金，特种钢等合金粉末1000吨；等离子雾化设备约10台。目前有钛合金、高温合金、不锈钢等100多个牌号。

西安

赛隆

2013

目前具备年产100吨金属粉末、20台套设备、上万件3D打印件的消费才干；研发了100余种3D打印复杂金属构件，其中300余件椎间融合器和关节等在临床上取得了胜利应用。

南京

尚吉

2017

设备主要用于研发和实验。

盘星新型合金

2018

增材事业部聚焦增材制造新型合金粉末的研发和消费，编制及参与了多项国度增材用金属粉末规范。

南通中天上材

2018

VIGA年产能400吨，EIGA年产能50吨。目前，年产190吨金属3D打印粉末。中天科技集团与上海资料研讨所合资成立。

航发

优材

2017

不详

南通

金源

2004

该公司开发消费的数十种金属粉末具有纯真度高、活动性强、球形度好、批次稳定等优点，满足各种3D打印技术对合金粉末的请求，年产能1000吨。

陕西宇光飞利

2000

现有的制粉设备每天单台单班消费才干为 150 公斤，年产合金粉末总量可抵达 300 吨以上。

江苏

金物

2018

消费包含钛合金、镍基合金、高温高熵合金粉末等。年产钛合金粉末100吨。

浙江亚通焊材

2006

公司主要努力于高温镍基钎料(主营焊接资料)。

长沙

唯特

2011

现已能消费全系列增材制造（3D打印）金属资料。钛合金粉末合计年产能90吨。

安徽哈特三维

2017

研发出多种适用于3D打印的金属粉体资料：钛合金、高强铝合金、镍基高温合金、不锈钢、模具钢、钴铬合金等。

安徽中体新材

2017

金属资料、粉末、粉末冶金资料的消费、销售及技术开发，新资料科技专业范畴内的技术开发。

安徽

盛赛

2020

高端合金粉末研发、制造、销售。

江西悦安新材

2004

从事羰基铁粉、磁性资料粉末、雾化合金粉末、金属注射成形喂料、3D打印用合金粉末、储能资料的研发、消费、销售的国度高新技术企业。

苏州英纳特

2013

主要从事金属粉末的研制消费。年消费才干10吨。

佛山金纳新材

2016

一家具有中心技术的纳米、微米金属粉末的高新科技消费企业。为高端前沿的电子资料、高分子聚合物改性资料、金属3D打印资料等行业处置关键原资料的供给及应用难题。

辽宁冠达

2018

公司采用真空气雾化金属粉体制备工艺，主要从事镍基高温合金、钴铬合金、铁基不锈钢、高熵合金、个性化定制等多种高端金属粉体消费。

山东康普锡威

2019

主要从事微电子专用焊接资料、3D打印用金属资料及高性能软磁资料研发、消费、销售和效劳的高新技术企业。

陕西英博金属

2017

主要运用等离子体旋转电极雾化法（PREP）制备球形金属粉末，主要产品有：钛及钛基合金、镍及镍基合金、钴基合金、铁及铁基合金、铜及铜基合金。

宁波众远新材

2018

纳米资料的研发、设计；新资料、金属制品、机械设备的研发、消费、加工、销售。

湖南

顶立

2006

公司树立了湖南省首条金属3D打印全产业链消费线，技术涵盖母合金设计、熔炼、制粉、增材制造、热处置、性能检测等。

2.2.3 国内高温合金粉末主要客户

表4所列为国内高温合金粉末主要客户。客户信息大部分来自企业官网、招招标网和相关专业网站，少部分来源于前期的展会交流和宣传资料。

表4 国内高温合金粉末主要客户

公司

成立年份

主停业务引见

铂力特

2011

打印设备配件(自研)；定制化产品；3D打印原资料；代理销售。

鑫精合

2015

专业从事复杂金属构件定制化产品制造、产品设计与优化、软件定制开发与销售、技术咨询与效劳；产品再制造与修复。

浙江

久恒

2015

泵阀行业主要修复球阀名义、油泵的密封部件、闸阀密封面、蝶阀等激光熔覆修复。发起机转子、汽轮机动叶片、汽轮机静叶片等激光熔覆修复。

西安国宏天易

2014

(1)、金属增材制造产品消费效劳；(2)、激光修复再制造消费效劳；(3)、金属增材制造工艺技术效劳。

杭州盛镭激光

2016

中大型激光配备的制造和改造，激光名义先进制造资料和工艺(熔覆/再制造、激光3D打印)研发及应用。

北京易加三维

2014

以金属3D打印技术为中心，为航空航天、高性能工业制造、模具制造、精准医疗等范畴提供专业的增材制造应用处置计划。

湖南华

曙高科

2009

消费基于选择性激光烧结技术的高分子资料3D打印机，及基于选区极光消融技术的金属资料3D打印机，并为客户提供多样化、全方位的增材制造处置计划。

飞而康

2012

消费航空航天、医疗器械、海洋船舶等行业用高质量零件。

常州钢

研极光

2021

北京钢研高纳科技股份有限公司及钢研投资有限公司主导及参投。3D打印新资料研发、高端精密增材制造、先进后处置产品。一期投资2亿，今年投产。

重庆安

德瑞源

2016

集正向设计、设备研发、工艺开发、打印效劳的专业化创新型增材制造公司。由杭州德迪智能、安世亚太科技和钢铁研讨总院共同出资树立。

河北

敬业

2015

河北敬业增材制造科技有限公司从属于敬业集团，成立于2015年，总投资范围23.4亿元人民币。

西安

研讨院

2016

国度增材制造创新中心，由卢秉恒院士主导树立。从事技术研发中止中实考证，技术性能测试，提供技术效劳。

广州雷

佳增材

2017

专业从事金属3D打印设备研发、制造、销售以及提供金属3D打印效劳的高新技术企业。担任人杨永强教授(华南理工)。

河北

春蕾

2019

项目已投资10亿元。规划了3D打印技术设备将制造区，3D打印新资料消费区，智能制造产品展开区和3D打印技术研发中心。

中科

煜宸

2013

公司于2015年在沈阳成立了沈阳中科煜宸科技有限公司，主要从事激光增材制造加工业务。

航天

7103厂

2014

我国独一的大型液体火箭发起机研制消费厂。2014年组建增材制造创新中心，努力于以3D打印技术推进航天液体动力工艺技术展开和制造才干提升。

湖南云

箭集团

2003

湖南云箭集团增材制造应用研讨事业部中心研发、消费、销售和应用效劳才干，可针对客户需求提供SLA、FDM、3DP研发、应用、消费、效劳全套处置计划。

厦门

华易迅

2014

SLM金属3D打印效劳，公司有金属3D打印二次精加工及检测，喷油、丝印等整套设备。

上海

探真

2016

公司由国内配备制造业龙头企业上海电气集团股份有限公司（SH601727），分离华中科技大学知名教授团队设立。目前业务有金属3D打印机、金属3D打印效劳，打印软件。

苏州

西帝摩

2015

提供SLM金属打印设备及成套技术、应用开发、技术效劳。

北京

汇天威

2005

Hori弘瑞是北京汇天威科技有限公司旗下品牌。从成立至今不时努力产品技术研发及消费。

北京三

帝科技

2013

专业从事工业级3D打印系统（设备、资料、工艺、软件）的研发、消费、销售。

上海云

铸三维

2015

公司构成了业务精深的近百人团队，累积提供了逾100万件产品/零件；与航天科工、航天科技、中国航发、中国商飞、上海汽车、上海交通大学、同济大学、建桥学院、海事大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、南京艺术学院等在内的诸多国内外知名企业和院校树立了长期协作关系。

上海镭

镆科技

2019

专注于将金属3D打印技术深度应用于模具制造及应用范畴的高科技企业。

3 3D打印产业展开示状及趋向

3.1产业展开示状

近年来，随着增材制造技术的不时成熟，产业总收入持续增加，优势企业展开壮大。据中国增材制造产业联盟预算，2021年增材制造企业营收约为265亿元，近四年平均增长率30%，较全球年均复合增长率20.4%高出10个百分点，细致如图2所示[14]。

国度统计局数据显现，中国增材制造范围以上企业由2016年的20余家增加至2021年的100余家，营收超越1亿的企业数量已超越40家。目前，国内现有以增材制造为主停业务的上市公司22家(含新三板)，国度级专精特新“小伟人”企业10家。在2021年中国增材制造企业融资额抵达48亿元，鑫精合、上海联泰、西安赛隆等企业单次融资均超越1亿元[14]。

图2 2018-2021中国增材制造产业营收状况[14]

2022年3月，中国增材制造产业联盟面向成员单位，组织展开企业信息调研统计工作。此次调研涵盖了国内配备企业、资料供给商、效劳供给商等50家范围以上企业。50家企业资料营收抵达14.7亿元。以PLA、ABS、PA为主的高分子资料(包含生物、医疗类原资料如干细胞等)的年产量约800吨，营收为6.5亿元，占资料营收的44%；以高温合金、钛合金、铝合金为主的金属资料年产量约700吨，营收抵达5.5亿元，占资料营收的37%；以陶瓷和砂型为代表的无机非金属资料的年产量约400吨，营收为2.7亿元，占资料营收的18%，各种类资料营收占好比图3所示。

图3 各类资料消费状况[14]

3.2 产业展开趋向

（1）产业融资需求迫切，范围将超70亿元

据统计，2021年，全球增材制造融资总额650亿，融资增速66%。中国增材制造企业融资总额抵达48亿元左右，较2020年增加33.3%，现有投资总额与投资增速与国外相比仍有差距。估量2022年中国增材制造行业融资需求将超70亿元。

（2）中端配备用零部件有望完成全国产化替代

近年来国内增材制造零部件厂商研发投入不时增加，大族思特、武汉锐科等国产零部件已在齿科激光选区凝结、光固化等配备稳定运用。随着需求不时增加，零部件国产化进程加速，中端配备用零部件有望完成全国产化替代。

（3）工业级配备呈现大尺寸、高效率、专用化趋向随着技术进步和工艺改造、应用请求持续提升、应用场景不时拓展，增材制造配备逐步呈现大尺寸、高效率、专用化趋向。同时，针对医疗、建筑、文物维护范畴的不同需求特性，目前国内企业已推出齿科用激光选区凝结配备、文物仿制专用平面光固化配备、建筑用机械摇臂资料挤出配备。

（4）效劳市场范围持续扩展，铸造等范畴将迎来爆发。Wohlers Report讲演数据显现，国际增材制造效劳企业占比逐年增加，2021年增材制造效劳市场范围约为62.5亿美圆，占整个市场范围的41%，也意味着效劳曾经成为行业展开的重要推进力气。国内增材制造效劳商目前依旧较少，依据调研企业统计数据显现仅为21%左右。国内现有的效劳商如鑫精合、康硕集团等企业新建的厂房曾经陆续投产，估量2022年国内效劳市场范围将有较大提升。依据中铸协统计，我国有26000家铸造厂，砂型铸件的市场范围约1200亿元，应用增材制造可将铸造的工艺流程从15步缩减至8步。在“双碳”背景下，增材制造技术持续赋能铸造行业，估量未来五年砂型增材制造配备的需求量将超越2000台。

4 我国3D打印资料产业展开存在的问题

关键原资料依赖进口。固然我国的增材制造原料已有一定的基础，但是批次的稳定性较差，应用还很有限，还需求依托进口。目前，添加剂制造的特殊原料，特别是军用特殊金属或陶瓷原料，都来自进口。以美国为首的西方国度发现，中国在军事范畴运用这些原资料后，立刻与欧洲相关公司协作，中止向中国出口高质量的添加剂制造专用原资料。国内独立开发的粉末制备设备技术落后，价钱高，交货期长，不能满足3D打印机粉末资料的大范围批量消费。

短少行业规范。我国增材制造原资料缺乏具有指导意义的技术规范，评价平台也尚未树立。技术规范的缺失直接影响着增材制造最终产品的质量，无法保障资料的规范化乃至市场的次序，从而招致产业不能健康规范的展开。

专业人才短缺。固然国内3D打印技术不时展开，行业范围不时扩展，但特地研讨相关技术的人才短缺难题一直搅扰着增材制造产业的展开。据统计，我国增材制造技术人才缺口高达千万，其中，研讨增材制造技术中资料、设备和工艺的技术型人才更是严重匮乏，无法向企业输送研讨人员。

5 结论与瞻望

3D打印技术自20世纪90年代呈现以来，从一开端高分子资料的打印逐步聚焦到金属粉末的打印，一大批新技术、新设备和新资料被开发应用。当前，信息技术创新步伐不时推进，工业消费正步入智能化、数字化的新阶段，而3D打印技术将是工业智能化展开的强大推力。近年来，高温合金粉末3D打印技术取得了一定成果，在航空航天、生物医疗、汽车范畴有普遍的应用。3D打印产业快速展开，国内产业营收抵达265亿元，近四年年平均增长率为30%，范围以上企业抵达100多家。

目前，我国高温合金粉末3D打印技术实践上仍面临许多应战：一方面包含粉末活动性和粉末粒度散布、与热源的相互作用、构成的分层微观结构、减少缺陷和更好地量化冶金特征；另一方面包含工艺参数优化、实时监控、审定规范的树立、高通量测试和放大组件的制造。3D打印用高温合金粉末的设计必须统筹可制造性、力学分歧性、稳定性和成本。

资料瓶颈势必影响3D打印技术的推行，3D打印技术对资料提出了更高的请求。3D打印高温合金粉末资料的展开方向主要有三个方面：一是在现有资料的基础上强化资料性质和结构之间的关联，进一步优化工艺参数，增加打印速度，降低孔隙率和氧含量，改善打印件名义质量；二是研发新资料使其适用于3D打印，如开发具有优秀耐腐蚀、耐高温和综合力学性能的新高温合金粉末资料；三是修订并完善3D打印粉体资料技术规范体系，完成高温合金资料打印技术规范的制度化和常态化。

参考文献

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