粉末冶金產業(yè)聯盟平韶波：粉末冶金助力金屬增材制造快速發(fā)展

2020年8月20日-21日，中國增材制造產業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇暨2020年中國增材制造產業(yè)年會在安徽蕪湖市舉行，此次年會由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心、安徽省經濟和信息化廳、蕪湖市人民政府指導，中國增材制造產業(yè)聯盟主辦，繁昌縣人民政府協辦，南極熊作為支持媒體對本次會議進行了直播。

△粉末冶金產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯盟副秘書長平韶波

在“中國增材制造產業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇”上，粉末冶金產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯盟副秘書長平韶波發(fā)表主題演講，題目是《粉末冶金助力金屬增材制造快速發(fā)展》，以下是本場演講的現場速記，經大會組委會授權發(fā)布。
△視頻：粉末冶金助力金屬增材制造快速發(fā)展 演講

平韶波：各位領導、專家及來賓朋友們，大家下午好。就像剛才左處長說的，增材制造領域有材料、有服務，有裝備三大塊，其中材料占了24%，這是一個非常重要的部分。就此，我從粉末冶金角度談一下如何助力金屬增材制造快速發(fā)展，一方面是粉末冶金工藝及產業(yè)概述，另一方面是粉末冶金與金屬增材制造協同發(fā)展思考。

我們知道粉末冶金是以金屬粉末為原料，經過成形和固結制造金屬材料、復合材料及制品的一種綠色、可持續(xù)性制造技術。主要工藝包括制粉、混料、成形、燒結以及后續(xù)的后處理等一系列工藝。而粉末冶金技術之所以有它的優(yōu)勢，主要在于它的材料利用率比較高，而且零件的能耗又較低。右上角的兩幅圖上面那一個是美國金屬粉末工業(yè)聯合會的標識，下面是日本粉末冶金工業(yè)會的，它們都顯現出了綠色環(huán)保的標識，也證明粉末冶金技術是21世紀首選的節(jié)能節(jié)材、綠色環(huán)保的金屬成形解決方案。同時，粉末冶金技術也是新材料領域的朝陽技術，也是最關鍵的共性技術之一，可生產其他工藝無法制造的高硬度、耐高溫、過濾分離等結構性、功能性、復合性的材料及制品。

這是粉末冶金制品的種類，我們可以看出種類非常豐富，而且覆蓋領域非常廣，從家電、汽車制造到金屬行業(yè)、石油化工、航空航天都得到了廣泛應用，比如摩擦材料、高溫合金、硬質合金、金剛石工模具鋼等都屬于粉末冶金領域以及它的制品。同時，粉末冶金在國防軍工關鍵戰(zhàn)略領域也得到廣泛應用，諸如航空航天領域的關鍵零部件、核電、兵器等方面的多種產品都屬于粉末冶金的應用范圍。

我們國家對粉末冶金非常重視，從《中國制造2025》當中發(fā)現，五項重點工程和十個重點領域中各有多個工程和領域與粉末冶金相關，諸如高溫合金、3D打印以及鈦合金等。而且從國家的《新材料產業(yè)發(fā)展指南》中，我們也把關鍵戰(zhàn)略材料列為三大發(fā)展方向之一，而且到今年為止要實現30多種以上的關鍵材料產業(yè)化以及它的應用示范，同時從這30多種當中，有多種重點發(fā)展的材料與粉末冶金相關。譬如，高端裝備用的特種合金以及稀土功能材料。保守估計，目前國內的粉末冶金全行業(yè)整體產值達到1500億元，已經是全球前三。像圖中展示的鐵基粉末、銅基粉末等已居全球首位，相關同行也可以發(fā)現粉末冶金類企業(yè)現在已有千余家。

粉末冶金與增材制造有什么關系？如何助力增材制造的發(fā)展呢？

粉末冶金的原料與金屬增材制造的原料有非常相似之處。粉末冶金的主要原料有如鐵基、銅基、高溫及難熔合金等粉末，而它的工藝采用霧化法、還原法、旋轉電極法等。同時，我們知道粉末冶金的原料粉末粒度范圍大概在1微米到100微米之間，而且有不同的形狀，如球形以及不規(guī)則形狀，還有一些其他的要求，純凈度高、氧含量低等。

這是我國選取的幾種比較特殊的主要金屬粉末的生產技術以及產品情況和發(fā)展趨勢，可以看到鐵基、銅基、高溫合金、鋁合金、鈦合金這些大多與增材制造的原料相似，而且它的趨勢逐漸在向球形化以及可靠性、低成本發(fā)展。

可以看出金屬增材制造工藝的原材料當下最主要有不銹鋼、鋁合金、鈦合金、高溫合金這些粉末，基本涵蓋在粉末冶金的原材料中。而且，金屬增材制造的這五種工藝基本是粉末冶金制造工藝的延伸。我們可以發(fā)現金屬增材制造現在最主要用的原料粉末粒度范圍在25-45微米，但是要求形貌、球形度必須非常好，而且其他要求也與粉末冶金的其他要求基本相似。所以，目前粉末冶金工藝的主要原料已經覆蓋了金屬增材制造工藝的粉末原料，這從很大程度上可以節(jié)約金屬增材制造粉末的成本。而且現有的金屬增材制造工藝均為粉末冶金的主要制備工藝。如果我們金屬增材制造工藝下產生了粉末有一部分達不到它所需要的25-45微米的要求，剩下過小或者過大的包括以及非球形粉末都可以重新應用在粉末冶金工藝當中，增加它的綜合利用率和綜合收益。

這張是當下世界各地與中國主要典型的制粉企業(yè)。傳統的粉末巨頭如美國、瑞典、德國、法國等還是以它們?yōu)橹髟谧鲈霾闹圃祛I域的粉末，而專業(yè)性的金屬增材制造粉末廠商也有英國、加拿大、日本和德國的TLS。中國企業(yè)也有一部分涉足，如中國航發(fā)北京航空材料研究院、鋼研高納、中航邁特等，但是國內廠商的市場份額非常小。就像剛才所講的金屬增材制造材料占一部分，裝備也占一部分，由于粉末要與打印機以及工藝相匹配，所以市場上目前為止金屬增材制造粉末主要是由傳統金屬粉末巨頭生產，由打印設備廠家捆綁銷售并同時提供一些工藝參數。

目前國內金屬增材制造行業(yè)的打印設備和原材料粉末處于跟蹤模仿階段，與國際先進水平尤其是國外領軍企業(yè)差距明顯。2018年底美國商務部出臺了一份針對關鍵技術與相關產品的出口管制提案預告，涉及到3D打印工藝技術以及相關粉末生產裝備、大規(guī)格熱等靜壓裝備等均在擬限制出口之列，所以有可能造成國產的金屬增材制造出現“斷奶”情況。當前，雖然國內外的經濟政治形勢比較嚴峻，但是有得必有失，在“卡脖子”技術產生的同時，面對重大挑戰(zhàn)的同時也是給國內產業(yè)的相關企業(yè)、科研院所提供了機遇，促使我們開發(fā)創(chuàng)新，走上自主創(chuàng)新的道路。這是國際權威機構曾經預測在2025年，我們的金屬增材制造工藝原材料粉末，全球市場份額可以達到50億美金的市場規(guī)模，而且年增長率在39.5%。中國2025年的工藝原料粉末市場規(guī)模達到12億，而且在《中國制造2025》當中，從技術路線圖可以發(fā)現，未來十年對于金屬增材制造的原材料粉末需求量也是非常可觀的，年均增長基本在30%左右，今年需求量預估達到800噸，到2025年預計達到2000噸，所以市場其實是很可觀的。

這是2014年麥肯錫做的一份報告，當時就預測增材制造與金屬注射成形是接下來未來五年的頂尖技術。到2018年麥肯錫又重新做了一份報告，發(fā)現在十大先進制造技術當中，增材制造技術以及金屬粉末注射成形技術位列最具潛力的技術前兩名。因此我們可以發(fā)現增材制造技術確實是接下來一個時期的重點攻關技術。

然而我們怎么樣把傳統的粉末冶金工藝技術和增材制造技術協同發(fā)展？讓它產生“1+1＞2”的良好趨勢呢？傳統粉末冶金技術有它的優(yōu)勢，但也有它的缺點，開發(fā)成本高、周期長；然而，增材制造可以縮短開發(fā)周期，但是它所帶來的原材料和成本比較高，加工成本也比較高。因此，我們如果通過將增材制造以及傳統的注射成形技術相互融合，既可以克服原有產品的開發(fā)周期，同時可以把增材制造的材料成本降下來，這將是我們協同發(fā)展的思路。美國Desktop Metal公司就研制出了3D打印+MIM技術和裝備，他們已經獲得了4.38億美元的融資，而且估值非常高，達到3倍以上超過了15億美元。但是相關的技術在國內還處于起步階段，這張圖是國外廠商采用的復合工藝技術。

另外，我們通過金屬增材制造的產品還可以添加后處理工序如熱等靜壓技術，來減少增材制造當中產品產生的缺陷，可以使它進行致密化。這張圖就是對于增材制造通過熱等靜壓技術明顯改善產品表面和內部缺陷的實例。這是我們做了的實驗，通過兩種增材制造技術，一種是EBM，一種是DMLS，對比兩種結果可以發(fā)現經過熱等靜壓技術后處理之后，它們的性能均會有大幅度提升。

接下來我簡單講一下中國鋼研科技集團在這方面的布局。正如剛才潘書記說的，鋼研院也進駐了繁昌，在此成立了鋼鐵研究院華東分院。中國鋼研集團在粉末冶金領域有巨大的優(yōu)勢，而鋼鐵研究總院、安泰科技、鋼研高納、鋼研納克、和鋼研新冶在增材制造領域都有一定的優(yōu)勢和布局，不管是材料還是工藝方面。所以我們也是想把這種優(yōu)勢相結合，通過相關的同行企業(yè)加強合作，產生“1+1＞2”的良好效果。

中國鋼研在金屬增材制造工藝平臺的建設上包括前處理、燒結成形等制造工藝搭建了相關的設備平臺。目前，中國鋼研開發(fā)的金屬粉末大概有鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金和鎢等幾種，通過開發(fā)不同的系列以及不同的應用場景需要不同的粉末粒度。目前我們所制備的純鎢產品相比行業(yè)純鎢的性能已有一定的優(yōu)勢。

這是我們旗下的熱等靜壓后處理平臺�？梢钥闯�，從大尺寸的直徑1.6×3.2米一直到小尺寸直徑80×100mm都有相應的平臺支撐我們的后處理工藝。所以對于增材制造與粉末冶金相結合，如何結合能實現它的效益最大化？這也是我們協同發(fā)展的思考。

因為這次是代表粉末冶金產業(yè)技術戰(zhàn)略聯盟作的報告。在這里簡單介紹一下，粉末冶金產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯盟（CPMA）是2010年8月成立，發(fā)起單位一共有33家，含有冶金企業(yè)骨干、高等院校和科研機構等。當時，有幸請到了師昌緒師老在聯盟成立大會進行了致辭。

CPMA主要是通過將制粉骨干企業(yè)、裝備制造骨干企業(yè)和機械零部件的骨干企業(yè)以及主流用戶，和高校院所加上一些投資、情報機構綜合服務產生的聯盟機構。主要目標就是集中全行業(yè)資源力量全面提高行業(yè)創(chuàng)新能力，同時促進相關產業(yè)結構升級，滿足國家戰(zhàn)略需求，形成產業(yè)鏈間持續(xù)穩(wěn)定的戰(zhàn)略合作關系。目前為止已經達到100多家。我們的名譽理事長有干勇院士，專家委員會主任為黃伯云院士。從2013年10月份已經上升為國家試點聯盟，我們在2017年《產業(yè)技術創(chuàng)新聯盟活躍度評價報告》中，聯盟以滿分100分的成績連續(xù)3年位列第一名，入圍“創(chuàng)新中國年度服務平臺”名單。而且2018年我們在北京成功主辦了世界粉末冶金大會暨展覽會，這也是世界粉末冶金大會60年來首次在中國舉辦。

2015年國家標準化改革有一個國務院的文件，而且要建立政府主導制定的標準與市場自主制定的標準協同發(fā)展、協調配套的新型標準體系，打破政府單一制定的格局。聯盟從2017年底成立了標委會。我們對于增材制造方面已經有《3D打印醫(yī)療植入物用鈦金屬粉末》團體標準，因為今年疫情有一些耽擱，但現在已基本恢復，稍過段時間團體標準也將會完成發(fā)布。

最后借用歐洲粉末冶金協會的倡議，金屬增材制造與傳統的粉末冶金技術不是誰強誰弱的問題，而是互為補充，是優(yōu)勢相結合，協同發(fā)展的趨勢。金屬增材制造有它的優(yōu)勢，適合幾公斤的小型或中型零件，而熱等靜壓可以制造幾百公斤的大型近終形零件，相信兩者的技術結合將達到“1+1＞2”的效果。

我們也相信在各行業(yè)的共同努力下，通過材料的融合、工藝的結合以及應用組合、聯盟合作的方式，突破增材制造新技術以及抓住當前增材制造發(fā)展新機遇，共創(chuàng)粉末冶金、增材制造協同發(fā)展的新局面。

謝謝大家，我的報告到此結束。