價(jià)格2000元每公斤，射頻等離子體短流程制備微細(xì)球形鈦粉

本文導(dǎo)讀：文深度介紹，利用射頻等離子體實(shí)現(xiàn)段流程制備工藝，在最新第四代設(shè)備，細(xì)粉率可以在99%以上，平均力度在21個(gè)微米，壓含量小于0.1%，價(jià)格僅有2000元每公斤，價(jià)格比同質(zhì)量產(chǎn)品成本減少40%，性能雜質(zhì)含量較適用水平低30%以上。

2018年11月27-28日，2018增材制造全球創(chuàng)新大賽在北京豐臺(tái)舉行，南極熊發(fā)現(xiàn)了不少非常好的3D打印項(xiàng)目。例如蘆博昕團(tuán)隊(duì)——射頻等離子體短流程制備微細(xì)球形鈦粉。
下面是現(xiàn)場(chǎng)速記，南極熊希望可以很好還原其項(xiàng)目路演過(guò)程。

射頻等離子體短流程制備微細(xì)球形鈦粉

——蘆博昕

項(xiàng)目背景
說(shuō)起3D打鈦合金大家都聽(tīng)說(shuō)過(guò)，將球形鈦粉逐層堆積，利用激光進(jìn)行燒結(jié)，最終得到復(fù)雜形狀鈦合金零部件，目前已經(jīng)應(yīng)用在航空航天、汽車建材、生物醫(yī)療等領(lǐng)域，避免了難加工問(wèn)題、節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間、節(jié)約生產(chǎn)成本，現(xiàn)在在民用領(lǐng)域難以得到廣泛應(yīng)用，主要原因在于原料粉末球形鈦粉。

球形鈦粉存在的問(wèn)題就是問(wèn)題特點(diǎn)，首先是粉末粒度偏粗，由于3D打印鈦合金采用逐層鋪粉進(jìn)行打印，每鋪一層粉末燒結(jié)一次，鋪粉層的厚度決定了打印精度。

鋪粉層厚度主要是由粉末力度決定的，目前市售粉末在50微米以上，很難做到50微米以下，所以就造成了打印精度嚴(yán)重不足，其次雜質(zhì)含量偏高，鈦合金性能比較活潑，每經(jīng)過(guò)一道供需氧氮含量增加，目前常規(guī)工藝生產(chǎn)球形鈦粉過(guò)程比較長(zhǎng)，流程比較長(zhǎng)，工藝比較復(fù)雜。因此氧氮水平偏高。

粉末價(jià)格昂貴，限制鈦合金發(fā)展最重要的因素，目前市收粉末價(jià)格在3000到5000塊錢(qián)，如果打印一個(gè)100克左右眼鏡框僅原料成本300到500元一般民用市場(chǎng)難以接受。

缺乏獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，主要針對(duì)于制粉設(shè)備而言，目前普遍球形鈦粉采用購(gòu)買(mǎi)先進(jìn)設(shè)備回國(guó)進(jìn)行自己生產(chǎn)。這對(duì)于我們國(guó)家自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面是十分不利的。

解決方案
利用射頻等離子體實(shí)現(xiàn)段流程制備工藝，利用高頻電源，對(duì)于惰性氣體進(jìn)行電離，得到高溫等離子區(qū)，簡(jiǎn)單講，像一臺(tái)微波爐一樣，我們利用等離子體高溫性能達(dá)到1萬(wàn)度，粗氫化鈦顆粒迅速釋放氫氣，由于氫化鈦顆粒具有特性，遇到高溫會(huì)釋放氫氣，內(nèi)部的氫氣迅速炸裂形成成細(xì)小顆粒，將射頻等離子體和氫爆聯(lián)系起來(lái)，將大顆粒氫化鈦渣炸成小顆粒，小顆粒在高溫作用下變成球形，得到了力度細(xì)、含氧低球形鈦。技術(shù)路線很簡(jiǎn)單，利用海綿鈦將其氫化，用普通的設(shè)備破裂成粗顆粒氫化鈦粉，利用射頻等離子體球化設(shè)備，變成了微細(xì)低氧球形鈦粉，該工藝流程短設(shè)備簡(jiǎn)單是分適合工業(yè)化生產(chǎn)。

創(chuàng)新點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了20微米以下球形鈦粉的規(guī)�；�的設(shè)備，保證這一批粉末全部在20微米以下，通過(guò)氫化鈦?zhàn)鳛樵�料，�?shí)現(xiàn)短流程生產(chǎn)，大大提高生產(chǎn)效率，最后通過(guò)氫爆反應(yīng)提高了粉末球化率。

市場(chǎng)分析
目前主打是3D打印市場(chǎng)，3D打印市場(chǎng)在2016年全球市場(chǎng)份額達(dá)到60億美元，其中原料所占的比例1/3，120億元人民幣，鈦合金占據(jù)了打印市場(chǎng)1/3左右，40億元人民幣，市場(chǎng)還是很廣闊的。除此之外現(xiàn)在各個(gè)商業(yè)巨頭也都開(kāi)發(fā)目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)了3D打印市場(chǎng)，美國(guó)業(yè)在6億美元在3D打印。美國(guó)通用電氣等等大公司拓展3D打印粉末業(yè)務(wù)。

注射成型市場(chǎng)之外，目前幾十億市場(chǎng)份額主要是不銹鋼為主，原因就是注射成型所用鈦粉粒度更細(xì)，成本要求更低，目前市售無(wú)法滿足需求，國(guó)際上APC公司剛剛開(kāi)發(fā)了注射成型鈦合金粉末，生產(chǎn)了30噸定單，在國(guó)外形成了一定規(guī)模，國(guó)內(nèi)仍需大力發(fā)展。

競(jìng)品分析
目前市售球形鈦粉主要是旋轉(zhuǎn)電極霧化法和氣霧化法。

存在主要問(wèn)題細(xì)粉率不足，由于工作原理決定的，旋轉(zhuǎn)電極霧化法是將鈦?zhàn)龀呻姌O，加熱熔融變成液體，通過(guò)旋轉(zhuǎn)電極把液體甩出，之后冷凝得到細(xì)小的粉末。這樣帶來(lái)的問(wèn)題，冷凝旋轉(zhuǎn)速度以及溶液黏度是有限的，你剛剛形成溶液就把它甩出來(lái)它也無(wú)法達(dá)到很細(xì)的力度。

氣霧化法，用高速氣流進(jìn)行沖擊，最終得到冷凝粉末，但是由于鈦合金性能活潑，與常見(jiàn)材料發(fā)生反應(yīng)，因此熔煉鈦的時(shí)候采用無(wú)坩堝熔煉方式過(guò)濾度嚴(yán)重不夠。在霧化粉過(guò)程中過(guò)渡不夠，細(xì)粉率就下降了。

因此帶來(lái)的問(wèn)題細(xì)粉率不足，不足30%，價(jià)格偏高，大批量供貨存在一定的困難。這是性能對(duì)比，我們的粉末，最新第四代設(shè)備可以99%以上，平均力度在21個(gè)微米，壓含量小于0.1%，價(jià)格僅有2000元每公斤。

運(yùn)營(yíng)情況
2010年開(kāi)發(fā)出出帶樣機(jī)，生產(chǎn)出球形粉末。2013年第二代樣機(jī)針對(duì)鈦合金特點(diǎn)進(jìn)行改造，2015年第三代樣機(jī)，年產(chǎn)100噸進(jìn)行了小批量的生產(chǎn)。我們?yōu)楸本┐髮W(xué)提供原料粉末，他們負(fù)責(zé)做一些臨床實(shí)驗(yàn)，目前項(xiàng)目接近結(jié)題。第四代樣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)年產(chǎn)300噸的規(guī)模，急需融資拓展市場(chǎng)。

我們和清華大學(xué)激光工程中心進(jìn)行合作，開(kāi)發(fā)了一些TC4的3D打印件，經(jīng)過(guò)他們的測(cè)試，我們的力學(xué)性能與常規(guī)鈦粉相比，強(qiáng)度提高了10%，延伸率提高了20%，除了3D打印之外，注射成形廠家提供了樣品，下面是可穿戴設(shè)備零部件和智能手表表殼。

商業(yè)模式
前期計(jì)劃于常規(guī)粉體銷售為主，主打低價(jià)戰(zhàn)略，以常規(guī)利潤(rùn)產(chǎn)品占據(jù)市場(chǎng)，合作伙伴3D打印服務(wù)平臺(tái)中小型3D打印企業(yè)，中期以定制粉體銷售為主，目前客戶為大型集團(tuán)公司，通過(guò)我們的技術(shù)優(yōu)勢(shì)提供納米改性粉體產(chǎn)品，滿足不同領(lǐng)域需求。后期希望與設(shè)備制造廠商合作，也就是3D打印制造廠商，實(shí)現(xiàn)模塊化的生產(chǎn)。

項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)
技術(shù)具有獨(dú)創(chuàng)性不易仿制。價(jià)格比同質(zhì)量產(chǎn)品成本減少40%，性能雜質(zhì)含量較適用水平低30%以上。下面是申請(qǐng)國(guó)內(nèi)國(guó)際專利。

本輪融資2000萬(wàn)元，出讓10%的股份，采用低成本工藝，毛利率達(dá)到60%，這是資金的用途。

團(tuán)隊(duì)介紹
負(fù)責(zé)人是郭志猛教授，北京科技大學(xué)粉末冶金研究所所長(zhǎng)，目前享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼。研發(fā)負(fù)責(zé)人郝俊杰教授。運(yùn)營(yíng)王海英女士負(fù)責(zé)本項(xiàng)目市場(chǎng)推廣，我是本項(xiàng)目研發(fā)工程師，負(fù)責(zé)粉沫力度控制和相關(guān)研究工作。這是年輕富有朝氣的團(tuán)隊(duì)，謝謝大家！

專家點(diǎn)評(píng)
張嘉振：基本產(chǎn)業(yè)清脆法是不是自己發(fā)明專利？中科院也在做相似的事情，你們跟他們有區(qū)別嗎？
蘆博昕：這個(gè)不清楚，我們專利在2010年申請(qǐng)了。

張嘉振：這個(gè)粉達(dá)到每公斤2000塊錢(qián)，現(xiàn)在市場(chǎng)價(jià)？
蘆博昕：3千到5千是均價(jià)。

張嘉振：國(guó)內(nèi)的鈦粉在2500左右。
蘆博昕：主要看它的力度，如果粗力度我們也可以便宜。

張嘉振：我們指的細(xì)分，不是電子束，如果國(guó)內(nèi)2500，你這個(gè)2000力度好像沒(méi)有那么大。第二你買(mǎi)（APMC）可能貴一點(diǎn)，在3000左右。
蘆博昕：不光是力度，還有球形度和氧含量和雜性含量都有優(yōu)勢(shì)，我們可以綜合比較一下，如果他們價(jià)格跟我們持平。

張嘉振：（海信）研究院1700左右一公斤。另外用你們粉力學(xué)性能大約10%左右，做沒(méi)有做過(guò)一個(gè)比較細(xì)致的研究，是因?yàn)榉鄣脑�因，還是打印不穩(wěn)定性等等機(jī)器的匹配，這里面因素很多，是不是因?yàn)榉蹖?dǎo)致了同樣的機(jī)器，同樣的流程，同樣的控制過(guò)程，你的粉和別人比打出來(lái)什么樣的東西。
蘆博昕：這是和北航激光打印中心，他們用我們粉和別人粉一起打印，同一批打印出來(lái)的。

張嘉振：他們是用粗粉。
蘆博昕：我們有他們給出的檢測(cè)報(bào)告。具體聯(lián)系方面不是我負(fù)責(zé)聯(lián)系的。

吳西鎮(zhèn)：以20微米球形一次性能夠大概占比例多少。
蘆博昕：我們的粉占90%以上。

吳西鎮(zhèn)：中間經(jīng)過(guò)篩選？
蘆博昕：后期可以經(jīng)過(guò)篩選，因?yàn)橐淮纬鰜?lái)之后得到90%以上細(xì)粉率，后期一般會(huì)經(jīng)過(guò)篩選，把個(gè)別粗大給剔除掉了。

吳西鎮(zhèn)：現(xiàn)在根據(jù)粉體的特點(diǎn)，有沒(méi)有想過(guò)在哪一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景上作為重點(diǎn)應(yīng)用和圖怕？
蘆博昕：我們希望把（鑄造）成形成為開(kāi)拓領(lǐng)域，目前3D打印比較成熟以銷售為主。（鑄造）成形鈦合金咱們國(guó)家發(fā)展緩慢，我們有低價(jià)粉把這個(gè)市場(chǎng)打開(kāi)，對(duì)于力度要求更為嚴(yán)格。（鑄造）成形對(duì)于粉末要求更細(xì)，要不然無(wú)法為料。