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从雾化制粉到3D打印，熔融金属难题解决方案之氮化硼喷嘴

发布时间：

2023-01-04

粉末冶金（Powder metallurgy）具有材料利用率高、单位能耗低、环保等核心工艺优势，是符合未来碳中和方向的技术。近几年随着粉末冶金技术的成熟和零部件小型化的趋势，金属注射成型（MIM）和3D打印（AM）两种新兴工艺路线迅速崛起...

粉末冶金（Powder metallurgy）具有材料利用率高、单位能耗低、环保等核心工艺优势，是符合未来碳中和方向的技术。近几年随着粉末冶金技术的成熟和零部件小型化的趋势，金属注射成型（MIM）和3D打印（AM）两种新兴工艺路线迅速崛起。同时，高品质粉体原材料的供应问题开始成为制约产业发展的主要因素。

粉末冶金

传统压制成型工艺适用于大体积，中低密度，形状简单的制品生产，对金属和合金粉末的要求相对不高（粒径100μm左右）；但小而复杂的零件无疑更适合注射成型和3D打印（粒径20μm甚至更小），并且已越来越多地应用到航空航天、医疗、电子、军工等高端领域，因此制备纯净度高、球形度好，粒度小且分布窄，氧含量低的金属粉体成了新的业内焦点，这些参数对金属制品的质量有着至关重要的影响。

1、雾化制粉与喷嘴

最早用于MIM的铁粉和镍粉以羰基法生产，这种方法虽然成熟，但难以制备含两种以上元素的合金粉体，品种有限且生产毒性大。因此，后来的水雾化法、气雾化法、油雾化法、气水联动雾化法、等离子雾化法被纷纷开发并取代羰基法成为主流，以上这些工艺统称为雾化制粉，而雾化制粉的关键部件——喷嘴，很大程度上决定了雾化率（细粉收得率），继而也决定了生产效率和粉体质量。业内不断探索对喷嘴的改进，比如通过设计改变气体、熔体、液体流场等，提升气液比，控制氧含量，但喷嘴面临的是冲蚀、磨损、高温、剧烈热震的恶劣工况，其材质决定了工艺稳定性和部件寿命。

最常见的氧化锆陶瓷喷嘴

在金属氧化物材料中，氧化锆的高温稳定性、隔热性能最好，同时氧化锆陶瓷具有耐磨性好、硬度大的特点，制备工艺相对简单，坯体成本较低，易于市场化应用，因此氧化锆陶瓷喷嘴最早在金属雾化制粉应用中普及。

但是传统氧化锆喷嘴缺乏严格的公差和干净的边缘，这导致雾化不均匀稳定，收得粉末粒度分布较宽；此外氧化锆与金属熔体的摩擦力过高，这导致喷嘴容易发生堵塞。高纯氮化硼陶瓷具备优异的耐高温性能,而复合氮化硼陶瓷则稍许牺牲耐高温性能，换来如耐腐蚀、耐磨性、抗热震性等不同方向能力的提升。复合氮化硼喷嘴可最大限度地减少堵塞和金属蠕变，从而降低喷嘴更换频率。由于氮化硼的低摩擦系数，光滑的表面光洁度和更严格的公差提供了批次之间可预测的粒度分布。此外，极强的抗热震性使氮化硼喷嘴无需大量预热即可使用。

2、3D打印与喷嘴

3D打印相比注射成型的最大区别在于，3D打印不需要模具，更利于个性化、多样化生产。由于没有模具的约束和辅助作用，其生产工艺自然更依赖于打印设备和粉体原料的性能。喷嘴是决定成品质量的关键零部件，根据需求选取喷嘴才能得到满意结果——最好理解的比如追求速度就要放弃精度选择大喷嘴，追求精度就要放弃速度则选择小喷嘴。

黄铜喷嘴

黄铜喷嘴是塑料、树脂、蜡等常规高分子材料的主力，应用广泛，性价比高。黄铜的莫氏硬度为3，最高打印温度不超过300℃，热膨胀系数高达18m/m.K，这些材料特性决定了它易于加工，却无法用于高温耗材和高精度打印，比如用于金属和合金材料。

随着金属3D打印技术的发展，氮化硼为金属雾化带来的好处与这些新的3D打印技术越来越相关。比如，一些3D打印制造商目前正在寻找在高温下应对熔融金属的方法——高温会给机械部件带来巨大的热应力，从而在打印机设计中带来新的挑战；除此之外还有不粘结、不浸润熔融金属液等要求……氮化硼陶瓷的高抗热震性和低热膨胀系数使其能够承受高的热梯度，其高导热性有助于沉积后金属的快速凝固。