最近，美国国防部牵头的美国国家增材制造创新研究机构America Makes公布了PADAM（Powder Alloy Development for Additive Manufacturing，）2.0，耐火合金3D打印项目成果——美国空军研究实验室为支持该项目，投入达600万美元，开展了包括粉体、工艺和供应链的研究，将其分为：已有耐火合金体系、新型耐火合金体系以及从矿产资源到合格零件的完整供应链评估，共4个团队联合协作。现阶段成果显示，耐火合金3D打印能否实现量产的关键就在于粉体技术！

美国国家增材制造创新研究所

一、为什么是耐火合金和3D打印？

耐高温金属材料主要有钨（W）、钼（Mo）、铌（Nb）、钽（Ta）和铼（Re）等，高温合金的范围更广，常常扩展到铪（Hf）、钒（V）、铬（Cr）、锆（Zr）等——其共同特点是熔点非常高（通常可达约2500℃甚至超过3000℃），令其能够替代传统镍基高温合金、钛合金甚至陶瓷材料，胜任高超声速飞行器热端部件、火箭发动机、燃烧室、喷管、热交换器以及其他极端高温结构件等的长期极端高温工况。

但以上材料在高熔点外，通常还具有较高硬度、较差塑性，部分材料在低温下还存在明显脆性，总之一句话：传统制造的熔炼、铸造、锻造、轧制、机加工等复杂过程加工耐火合金材料非常困难，或者难以经济生产。而金属AM技术不仅可通过近净成形减少加工，还尤其擅长制造复杂内部流道、薄壁结构和拓扑优化结构。

以上便是PADAM项目上马并获得大力支持的根本原因。

二、常见高温合金AM产业痛点：制备、分类及应用

对于镍基、钛合金等成熟材料，气雾化、等离子雾化、等离子旋转电极法（PREP）等制粉工艺已相当成熟，但面对熔点极高的于W、Mo、Ta、Nb、Re等耐火金属，其生产装备本身就是一项巨大挑战，而AM工艺不仅要求粉体粒径范围，也在意流动性，即在意粉体球形度，粉体制备和应用的高温环境也面临水、氧反应以及其他污染。

1、铌基在航空航天领域已有开发和应用基础，其优势在于密度低、高温强度好，但延展弱，还存在高温氧化缺陷。

2、钼基可耐极端高温，高温强度好，但是存在脆性，易受热应力影响导致开裂等事故。

3、钨基的高熔点、高密度带来极高性能，同时也带来极高加工难度。也是目前增材制造项目中最难的部分。

4、钽基具有优异的高温性能和耐腐蚀能力，在化工、航空航天领域的应用潜力极大，但成本也极高，氧含量控制也是产业化一大难点。

其他，比如铼及铼合金在原料成本得到控制前很难进行产业化，暂不讨论。

三、高温合金的3D打印工艺路线

1、激光粉末床熔融LPBF（Laser Powder Bed Fusion）：是当前金属增材制造最主流的技术路线之一，采用铺粉系统和高功率激光逐层作业，过程不断进行，使粉体逐层堆积，最终“生长”成一个三维实体零件，适合高精度复杂结构。

高温耐火合金器件

2、定向能量沉积DED（Directed Energy Deposition），也是主流路线的一种，与LPBF预先铺粉不同，它采用喷嘴同步喷射粉体到工件表面的加工点，喷嘴附近的高能量热源（通常是激光、电子束或等离子弧）会立即将喷射出的材料熔化，通过机械臂或数控机床引导喷嘴按预设路径运动，材料逐层堆积，最终形成三维立体零件，由于不受粉末床尺寸限制，适合制造超大尺寸的零件（如数米长的航空结构件），也适合通过更换粉体制备梯度材料，还利于进行局部修复。

3、电子束粉末床熔融EBM（Electron Beam Melting），与LPBF的主要区别在于热源由激光换成了电子束，而电子束高速扫描整个粉末床进行预热，可加温至接近材料熔点，这样有利于大幅减少零件成型后的内应力。但由于电子束无法像激光那样精细聚焦，零件表面质量不高。

四、粉体和粉体技术之于PADAM 2.0

最近披露的项目资料显示，耐火合金AM目前受到材料性能数据不完整、工艺波动和供应链脆弱等因素限制。而粉体作为矿产品终端的同时，也是AM的原料端，是整个系统工程链条承上启下的核心——从如何制粉到如何制备器件，涉及工艺、配方、装备等方方面面，还包括参数优化所须数据库的建设。

C103粉体形貌及高温耐火合金器件（图片来源：Elmet Technologies）

以C103（一种典型的耐火合金）为例，本身是一种成熟材料，但在AM制造方面仍有待完善，相关报道指出，Elmet Technologies公司仅在单一设备平台上开发C103的3D打印参数就花费约8年时间。引用Auburn University NCAME的调研数据，用于增材制造的C103粉体价格最高可达到约4000美元/kg，这意味着一个重量10kg的部件，仅分体成本就来到数万美元——工业量产不仅需要考虑生产效率，还要考虑材料利用率，回收率等成本控制问题。如果进一步考虑不同的粉体供应商，不同牌号的粉体，采用不同雾化工艺，不同激光功率、厚度以及不同热工设备，意味着参数迁移和性能验证的工作量会迅速增加。

小结

耐火合金3D打印对粉体和提出了包括形貌、氧含量、粒度分布、批次一致性、打印参数窗口、循环使用数据等诸多参数和相关粉体技术的诉求。报道提及C103的开发案例也意在说明真正的产业化关键是降低“每个材料都要重新开发八年”的高昂成本，而金属粉体企业参与相关项目的意义则是打造“高材料价值”、“高零件价值”、“高技术门槛”的“三高”壁垒，它不以最先进的打印机，最昂贵的粉体作为衡量标准，它意味着从“金属粉末供应商”升级为“AM材料解决方案供应商”的产业晋级机遇。

粉体圈 启东