一粒球形金属粉体的“锁喉”之困

球形金属粉体作为一种优质的冶金原材料，具有形状规则、性质稳定、致密度高、流动性极好等特点，不仅适用于传统粉末冶金领域的高端产品制造，还适用于金属基增材制造、热喷涂、金属注射成形和微电子封装以及复合粉体制备、磁粉芯材料制备等领域。可以说，球形金属粉体在高端制造业蓬勃发展的时代将具有巨大的潜力。

世界各国高度重视优质球形金属粉体巨大的市场需求，纷纷投入大量资金开展制粉技术的研究。我国冶金工业经过近些年的发展，粉体种类已经明显增多，但还是无法满足市场需求，在球形粉体制造工艺方面与国外传统优势企业相比差距明显。国内使用的很多高性能球形金属粉体仍依赖国外进口，尤其是增材制造领域的优质球形金属粉体原料，高昂的价格使生产成本增加，也制约了这些先进技术的发展与推广，因而加快开发具有我国自主知识产权的创新制粉工艺具有十分重要的意义。

球形金属粉体的应用领域

• 金属基增材制造

增材制造被誉为第三次工业革命的标志性技术，这项技术显著提高了材料利用率与生产效率。金属具有良好的力学性能与电磁特性，应用广泛，金属基增材制造逐渐成为技术发展的重点。高性能的球形金属粉体是其关键性原材料，粉体的品质和价格直接影响了成型零件的综合力学性能和生产成本。

高品质、低成本的球形金属粉体材料作为增材制造的重要一环，已经成为德国EOS公司、美国Stratasys公司、美国GE公司、美国3D Systems等知名增材制造企业的产业布局重点。

• 金属注射成形

金属注射成形技术是由注射成型、粉末冶金工艺结合发展而来的一种新型成型技术，可提供比压铸更高的强度、比熔模或型砂铸造更好的公差，适用于高密度、高精度金属零件的生产，以及结构复杂的小型金属零件的批量生产。

球形粉体松装密度高、流动特性好，是具有优势的金属注射成形原料。通过将不同粒径的球形粉体配比使用，能够实现更高的临界固体载荷，可将更多的粉体装入聚合物中，减少粘合剂的使用，降低烧结过程中的收缩和变形。此外，球形颗粒没有明确的择优取向，保证了生坯在烧结脱脂过程中具有更好的各向同性收缩。

• 热喷涂

热喷涂技术是一种迅速发展的表面强化技术，该工艺使用高温火焰或等离子体将金属粉末或线材熔化为液滴，然后由高压气体将液滴喷射到处理表面，形成具有特殊性质的涂层。热喷涂工艺操作便捷，制备的涂层性能良好，可有效强化金属的表面性能，增强耐蚀性、耐磨性、导电性等，在军事、航空、航天、机械、电力、生物工程等领域都有所应用。

热喷涂材料种类很多，按原料形状可分为粉体、金属丝、金属棒。使用粉体喷涂时，应具有良好的流动性，以获得平整均匀的涂层。球形金属粉体流动性优良，形状规则，在喷涂过程中送粉更加流畅，可极大程度上避免粉体团聚，恰好能满足热喷涂的工艺要求。

• 微电子封装

电子封装的实现方式是靠“芯片-基板”、“芯片-芯片”的互连，互连焊接凸点通常由导电性优良的纯金属或锡基钎料以及上述材料组成的多层结构所构成。为满足封装质量，需要控制凸点的尺寸、球形度、表面形貌、微观组织结构等，对原料粉体的质量要求相应提高。

一般而言，不同的电子器件和使用场所，所选用的封装粉体成分不同。其中，单粒度的球形铜锡基金属微粉因其强度高、导热快、导电能力强等特点而具有较大潜力。

• 磁粉芯

磁粉芯是中高频变压器磁芯、高频开关电源、高精度变压器和抗电磁干扰器件中的重要组成元件。有研究发现，磁粉芯的性能除取决于原料合金成分外，还受粉体形貌的影响。球形度高的金属磁粉在绝缘包覆过程中易于形成均匀完整的绝缘层，可显著提高磁粉芯的电阻率；且单个磁粉颗粒之间隔离良好，有利于减少涡流损失，提高磁粉芯的综合软磁性能。此外，球形粉体中的孔洞很少，通过合理搭配粒径，能够制备出高密度磁粉芯产品，提升磁导率。

从制备原理看各种工艺的缺陷

• 球形金属粉体的制备原理

球形金属粉体的制备技术根据原理大致可为两类：一类基于液相破碎原理，例如GA工艺、PA工艺、PREP工艺；另一类基于微粒重熔原理，例如PS、液/固界面去润湿法、切丝重熔法。

在基于液相破碎法工艺中，无论是利用高速等离子体冲击分散金属液流的GA工艺、PA工艺，还是利用高速旋转的离心力剥离金属液膜的PREP工艺，都需要借助外力克服液体的表面张力，使微液滴从金属母液中分离并飞出。在飞行过程中，微液滴在表面张力的作用下收缩成球，随后在下落过程中迅速冷却凝固。而基于微粒重熔法的工艺中，由颗粒在高温介质中加热熔化形成微小液滴，而后微液滴在表面张力作用下迅速收缩成球，随后凝固冷却。

总体来看，主流的球形金属粉体的制备工艺可以概括成微液滴形成、收缩成球、快速凝固的关键物理过程，而深入了解这些工艺的物理过程对开发或改进球形金属粉体制备技术极有意义。

• 各种主流制备方法的缺陷

目前，制备球形金属粉体的方法众多，各有优势，但也存在诸多问题。雾化法是目前应用最广的球形粉体商业制备方法，结合不同的工艺形式衍生出多种类型，包括真空感应熔炼雾化、电极感应熔炼气雾化、等离子体雾化。

雾化法的特征在于使用高压气体分散金属液流，强烈的气流冲击会在雾化腔内形成气体回流，凝固的细颗粒会被气流裹挟流回雾化腔中部，与半凝固的颗粒碰撞，形成卫星球颗粒。卫星球增多会显著影响粉体的流动性。

此外，雾化工艺的另一个问题在于，用于雾化的高压气体会被包裹在液态金属中，而雾化过程液滴在高速气流中冷却极快，残留的气泡仍会在凝固的粉末中形成气孔。这些气孔对最终成型零件的机械性能，尤其是疲劳性能损害很大，即使通过热等静压(HIP)也无法消除。到目前为止，仍然缺乏避免这两种雾化工艺中的固有缺陷形成的手段。

等离子旋转电极雾化，卫星球缺陷存在较少。在等离子旋转电极雾化中，液滴由离心力作用下径向飞离金属母材表面；也就是说，微液滴是有序飞出的，液滴和凝固颗粒碰撞形成卫星球的可能性极低。然而，正是因为离心剥离液滴的雾化方法，等离子旋转电极雾化的粉体尺寸粒度较大，生产效率较低。

等离子体球化工艺可有效避免雾化工艺中普遍存在的卫星球和空心球缺陷，特别适用于高熔点金属、难熔合金的制备，对于低熔点金属，无法避免成分烧损，造成成分的不稳定性。高温下烧损挥发的合金元素会重新冷凝形成超微细粉，附着在大颗粒表面，影响颗粒光洁度，降低粉体流动性。

小结

随着金属基增材制造、热喷涂、金属注射成形和微电子封装等先进制造技术的涌现与快速发展，新的制造工艺对金属粉体提出了新的性能要求。大量新兴先进制造技术都需要粒度分布合适、无空心球、卫星球等缺陷，致密性、流动性好，杂质含量低的优质球形金属粉体作为原料支持。然而，目前几种主流的球形粉体的制备工艺仍存在一些缺陷问题，制备性能优良的球形金属粉体引起了国内外的广泛关注。我国球形金属粉体的种类、产量在近几年有了显著增长，但与国外传统优势企业差距较大，高端产品仍不能满足市场需求。因此，研究具有自主知识产权的高端球形粉体的制备工艺，具有重要的战略意义和现实意义。

参考来源：

鲍其鹏博士：金属微粒下落熔融球化原理及其应用，北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室

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