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3D千亿国际打印用高温合金粉末材料产业现状分析

  • 来源:千亿国际
  • 发布时间:2023-12-01

3D千亿国际打印用高温合金粉末材料产业现状分析

  • 分类:千亿国际
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  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”加工方法不同的是,3D打印是基于计算机软件,通过设计、扫描等方式建立三维模型,以逐层叠加的方式将离散材料(粉末、丝材)加工成形的一种技术[2, 3]。3D打印大多使用球形粉末作为原料,通过集中的热源有选择地熔化,并在随后的冷却中固化形成打印件[4]。3D打印用球形粉末的制备方法有气雾化法、等离子火炬雾化法、旋转电级雾化法、羰基法等。其中应用最为广泛的为气雾化法。

  气雾化法(Gas Atomization, GA)起源于20世纪20年代,是利用高速气流作用于金属熔液,将气体动能转化为熔滴表面能,进而形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、成分均匀、球形度高、流动性好,已实现规模化生产[6]。统计显示,采用气雾化法制备的球形金属粉末占总产量的30%~50%[7],此方法已成为3D打印用球形金属粉末的主要制备方法[8]。

  根据See[9]和Dombrowski[10]的研究,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,主要包括气流分布状态、合金熔化、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形成稳定气流场,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表面能,形成细小熔滴。熔滴在气流拖拽作用下高速飞行,飞行途中受表面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。

  在当前3D打印产业当中,金属3D打印占据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下降,其应用范围、深度和规模都在不断突破。比如在航空航天领域,金属3D打印已经从制造测试样件进入到批量生产的阶段;在齿科领域,3D打印金属牙冠也成为牙齿技工所的常规手段;在骨科领域,3D打印金属植入体开始规模化应用;在模具、散热器等领域正在替代传统工艺;在汽车领域还有巨大的应用潜力等待挖掘[12]。

  作为金属3D打印最常用的原材料之一,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方法,目前打印用粉末多是以球形度高、流动性好、纯度高的细粉为主。因此,像传统的还原法、电解法等方法生产出的不规则粉末难以在金属3D打印中得到实际应用。近年来,随着金属产品在装备制造领域应用的普及,金属3D打印的应用市场也不断扩大。为实现金属3D打印产业化大规模发展,对原材料金属粉末的产量、成本等要求也需要不断提高[12]。

  目前3D打印金属粉末材料主要有钛合金、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,生产困难,导致市场产量严重不足,而且国产3D打印金属粉末在纯净度、颗粒度、均匀度、球化度、含氧量等对打印成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材料仍依赖进口。未来国内金属3D打印材料替代进口材料市场潜力巨大。2022年3月24日,IDTechEx发布的综合技术报告提供了金属3D打印的详细状况和前景,基于广泛的市场历史和大量的初步采访,对市场提供了公正的预测,包括过去两年COVID-19大流行的影响和复苏。报告预测2022年到2032年,全球金属3D打印的市场总量将增长到为180亿美元/年。

  高温合金又称超合金,具有良好的抗氧化性、抗腐蚀性能、优异的拉伸、持久、疲劳性能和长期组织稳定性,是为了满足各种高温使用条件下的现代航空航天技术的要求而发展起来的,在先进的航空航天发动机领域显示出强大的生命力。

  粉末冶金高温合金是采用粉末冶金的方法制备的高温合金,与传统的铸锻高温合金相比,具有组织均匀,无宏观偏析,以及屈服强度高、疲劳性能好等优点,克服常规工艺产生的偏析(不均匀),所使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生,能够提高合金的综合性能,并且能减少切削加工量,提高了合金的利用率。特别是随着高温合金成分日趋复杂、零件尺寸不断增大,粉末冶金高温合金显示出更大的优越性[13]。

  高温合金按照含有的主金属元素分类主要包括镍基、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总计约20%。

  镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50%)在650~1000 °C范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。可以进行热、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能力。适于制作航空喷气发动机、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。

  高温合金全球每年的生产量和使用量约28万吨,中国每年的生产量和使用量约2万吨,占比不足10%,主要因为高温合金应用主要集中在航空航天、核能等高端制造领域,技术壁垒高,中国目前仍处于追赶和国产化替代过程。

  未来高温合金的需求增长来源主要可分为四个方面:一是航空航天领域,军用或民用航空发动机未来10年仍将保持稳步增长趋势,且伴随我国航空发动机研发生产能力的提升,国产化步伐加快,航空航天高温合金需求或加速增长;二是燃气轮机领域,燃气轮机具备高更新频率的特点,且我国舰船编队规模将持续扩大,带来可观的高温合金需求增长;三是核电领域,按照规划未来10年我国有望保持每年6~8台的核电机组投产规模,对应高温合金年需求量4000吨;最后是汽车领域,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。

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

  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

  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发展起来的。国内高温合金粉末主要生产商见表3,其中规模最大,发展速度最快的就是中航迈特。

  拥有2台200kg、1台500kg线kg级非真空气雾化细微粉末生产线kg水气联合雾化生产线条。

  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。

  目前具备年产100吨金属粉末、20台套设备、上万件3D打印件的生产能力;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获得了成功应用。

  增材事业部聚焦增材制造新型合金粉末的研发和生产,编制及参与了多项国家增材用金属粉末标准。

  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材料研究所合资成立。

  该公司开发生产的数十种金属粉末具有纯净度高、流动性强、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要求,年产能1000吨。

  现有的制粉设备每天单台单班生产能力为 150 公斤,年产合金粉末总量可达到 300 吨以上。

  现已能生产全系列增材制造(3D打印)金属材料。钛合金粉末总计年产能90吨。

  研发出多种适用于3D打印的金属粉体材料: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。

  金属材料、粉末、粉末冶金材料的生产、销售及技术开发,新材料科技专业领域内的技术开发。

  从事羰基铁粉、磁性材料粉末、雾化合金粉末、金属注射成形喂料、3D打印用合金粉末、储能材料的研发、生产、销售的国家高新技术企业。

  一家拥有核心技术的纳米、微米金属粉末的高新科技生产企业。为高端前沿的电子材料、高分子聚合物改性材料、金属3D打印材料等行业解决关键原材料的供应及应用难题。

  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生产。

  主要从事微电子专用焊接材料、3D打印用金属材料及高性能软磁材料研发、生产、销售和服务的高新技术企业。

  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。

  纳米材料的研发、设计;新材料、金属制品、机械设备的研发、生产、加工、销售。

  公司建立了湖南省首条金属3D打印全产业链生产线,技术涵盖母合金设计、熔炼、制粉、增材制造、热处理、性能检测等。

  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、招投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。

  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、技术咨询与服务;产品再制作与修复。

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

  (1)、金属增材制造产品生产服务;(2)、激光修复再制造生产服务;(3)、金属增材制造工艺技术服务。

  中大型激光装备的制造和改造,激光表面先进制造材料和工艺(熔覆/再制造、激光3D打印)研发及应用。

  以金属3D打印技术为核心,为航空航天、高性能工业制造、模具制造、精准医疗等领域提供专业的增材制造应用解决方案。

  生产基于选择性激光烧结技术的高分子材料3D打印机,及基于选区极光融化技术的金属材料3D打印机,并为客户提供多样化、全方位的增材制造解决方案。

  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打印新材料研发、高端精密增材制造、先进后处理产品。一期投资2亿,今年投产。

  集正向设计、设备研发、工艺开发、打印服务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究总院共同出资建立。

  河北敬业增材制造科技有限公司隶属于敬业集团,成立于2015年,总投资规模23.4亿元人民币。

  国家增材制造创新中心,由卢秉恒院士主导建设。从事技术研发进行中试验证,技术性能测试,提供技术服务。

  专业从事金属3D打印设备研发、制造、销售以及提供金属3D打印服务的高新技术企业。负责人杨永强教授(华南理工)。

  项目已投资10亿元。规划了3D打印技术设备将制造区,3D打印新材料生产区,智能制造产品发展区和3D打印技术研发中心。

  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。

  我国唯一的大型液体火箭发动机研制生产厂。2014年组建增材制造创新中心,致力于以3D打印技术推动航天液体动力工艺技术发展和制造能力提升。

  湖南云箭集团增材制造应用研究事业部中心研发、生产、销售和应用服务能力,可针对客户需求提供SLA、FDM、3DP研发、应用、生产、服务全套解决方案。

  SLM金属3D打印服务,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。

  公司由国内装备制造业龙头企业上海电气集团股份有限公司(SH601727),联合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打印服务,打印软件。

  Hori弘瑞是北京汇天威科技有限公司旗下品牌。从成立至今一直致力产品技术研发及生产。

  专业从事工业级3D打印系统(设备、材料、工艺、软件)的研发、生产、销售。

  公司形成了业务精湛的近百人团队,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建立了长期合作关系。

  近年来,随着增材制造技术的不断成熟,产业总收入持续增加,优势企业发展壮大。据中国增材制造产业联盟估算,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,具体如图2所示[14]。

  国家统计局数据显示,中国增材制造规模以上企业由2016年的20余家增加至2021年的100余家,营收超过1亿的企业数量已超过40家。目前,国内现有以增材制造为主营业务的上市公司22家(含新三板),国家级专精特新“小巨人”企业10家。在2021年中国增材制造企业融资额达到48亿元,鑫精合、上海联泰、西安赛隆等企业单次融资均超过1亿元[14]。

  2022年3月,中国增材制造产业联盟面向成员单位,组织开展企业信息调研统计工作。此次调研涵盖了国内装备企业、材料供应商、服务供应商等50家规模以上企业。50家企业材料营收达到14.7亿元。以PLA、ABS、PA为主的高分子材料(包括生物、医疗类原材料如干细胞等)的年产量约800吨,营收为6.5亿元,占材料营收的44%;以高温合金、钛合金、铝合金为主的金属材料年产量约700吨,营收达到5.5亿元,占材料营收的37%;以陶瓷和砂型为代表的无机非金属材料的年产量约400吨,营收为2.7亿元,占材料营收的18%,各种类材料营收占比如图3所示。

  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达到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。预计2022年中国增材制造行业融资需求将超70亿元。

  近年来国内增材制造零部件厂商研发投入不断增加,大族思特、武汉锐科等国产零部件已在齿科激光选区熔化、光固化等装备稳定使用。随着需求不断增加,零部件国产化进程加速,中端装备用零部件有望实现全国产化代替。

  (3)工业级装备呈现大尺寸、高效率、专用化趋势随着技术进步和工艺革新、应用要求持续提升、应用场景不断拓展,增材制造装备逐步呈现大尺寸、高效率、专用化趋势。同时,针对医疗、建筑、文物保护领域的不同需求特点,目前国内企业已推出齿科用激光选区熔化装备、文物仿制专用立体光固化装备、建筑用机械摇臂材料挤出装备。

  (4)服务市场规模持续扩大,铸造等领域将迎来爆发。Wohlers Report报告数据显示,国际增材制造服务企业占比逐年增加,2021年增材制造服务市场规模约为62.5亿美元,占整个市场规模的41%,也意味着服务已经成为行业发展的重要推动力量。国内增材制造服务商目前仍然较少,根据调研企业统计数据显示仅为21%左右。国内现有的服务商如鑫精合、康硕集团等企业新建的厂房已经陆续投产,预计2022年国内服务市场规模将有较大提升。根据中铸协统计,我国有26000家铸造厂,砂型铸件的市场规模约1200亿元,利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,预计未来五年砂型增材制造装备的需求量将超过2000台。

  关键原材料依赖进口。虽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,还需要依靠进口。目前,添加剂制造的特殊原料,尤其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家发现,中国在军事领域使用这些原材料后,立即与欧洲相关公司合作,停止向中国出口高质量的添加剂制造专用原材料。国内独立开发的粉末制备设备技术落后,价格高,交货期长,不能满足3D打印机粉末材料的大规模批量生产。

  缺少行业标准。我国增材制造原材料缺乏具有指导意义的技术标准,评价平台也尚未建立。技术标准的缺失直接影响着增材制造最终产品的质量,无法保证材料的标准化乃至市场的秩序,从而导致产业不能健康规范的发展。

  专业人才短缺。虽然国内3D打印技术不断发展,行业规模不断扩大,但专门研究相关技术的人才短缺难题始终困扰着增材制造产业的发展。据统计,我国增材制造技术人才缺口高达千万,其中,研究增材制造技术中材料、设备和工艺的技术型人才更是严重匮乏,无法向企业输送研究人员。

  3D打印技术自20世纪90年代出现以来,从一开始高分子材料的打印逐渐聚焦到金属粉末的打印,一大批新技术、新设备和新材料被开发应用。当前,信息技术创新步伐不断推进,工业生产正步入智能化、数字化的新阶段,而3D打印技术将是工业智能化发展的强大推力。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、汽车领域有广泛的应用。3D打印产业快速发展,国内产业营收达到265亿元,近四年年平均增长率为30%,规模以上企业达到100多家。

  目前,我国高温合金粉末3D打印技术实际上仍面临许多挑战:一方面包括粉末流动性和粉末粒度分布、与热源的相互作用、形成的分层微观结构、减少缺陷和更好地量化冶金特征;另一方面包括工艺参数优化、实时监控、鉴定标准的建立、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兼顾可制造性、力学一致性、稳定性和成本。

  材料瓶颈势必影响3D打印技术的推广,3D打印技术对材料提出了更高的要求。3D打印高温合金粉末材料的发展方向主要有三个方面:一是在现有材料的基础上强化材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,改善打印件表面质量;二是研发新材料使其适用于3D打印,如开发具有优异耐腐蚀、耐高温和综合力学性能的新高温合金粉末材料;三是修订并完善3D打印粉体材料技术标准体系,实现高温合金材料打印技术标准的制度化和常态化。

  [12] 南极熊3D打印网. 3D打印金属粉末材料专题报告. 2021年6月


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