3D打印金属粉末产业从"高端定制"向"规模化普惠制造"转型的技术经济分析：宝鸡利泰金属再生粉末循环利用体系构建与Ti175近β型钛合金在导弹弹体结构中的轻量化应用

一、引言

3D打印技术，亦称增材制造技术或快速成形技术，自20世纪80年代发展至今，已从早期的高分子材料打印逐步拓展至金属材料的精密制造领域。相较于传统减材制造，3D打印无需借助模具和大型加工设备，可直接利用计算机图形数据生成各种复杂形状的零件，在降低产品研发成本、缩短研发周期方面具有显著优势。金属粉末作为3D打印技术的核心原材料，其质量直接决定了打印件的组织性能与服役可靠性。

当前，3D打印用金属粉末市场正处于高速增长阶段。据Verified Market Reports数据，2025年全球3D打印金属粉末市场规模约为15亿美元，预计到2034年将达到42亿美元，2026年至2034年复合年增长率（CAGR）约为15.2%。其中，钛合金凭借其优异的比强度、耐腐蚀性和生物相容性，占据金属粉末市场约35%的份额，是航空航天、医疗植入等领域的关键材料。

然而，3D打印用金属粉末对粒径分布、球形度、流动性、氧含量等指标有着严苛要求，传统粉末冶金用金属粉末已难以满足增材制造的工艺需求。我国市场上3D打印用金属粉末长期存在制备难度大、产品质量不稳定、制备成本高等问题，制约了增材制造技术的规模化应用。

二、3D打印用金属粉末制备技术发展现状

2.1 粉末制备技术分类与核心要求

3D打印用金属粉末是指尺寸在1毫米以下的金属颗粒群，是3D打印产业链中价值最高的环节之一。其不仅需要具备良好的可塑性，同时对粒径、粒度分布、流动性及球形度等方面均有较高要求。大体来看，粉末制备技术主要分为机械法制备和物理化学法制备两类。在粉末冶金工业中，电解法、还原法及雾化法等制备工艺应用广泛，但电解法和还原法存在局限性，不适用于合金粉末制备。雾化法适用性广泛，能够有效控制粉末形状、提升雾化效率，是目前3D打印用金属粉末制备的主流技术路线。

2.2 水雾化制备技术

水雾化制备技术成本较低，雾化介质水取材方便、价格低廉，雾化效率较高，在镍基磁性粉末、钢铁粉末及金刚石工具用粉末生产中应用广泛。但水雾化存在明显缺陷：水的比热容较大，雾化过程中金属熔滴快速凝固，难以控制粉末形状，导致球形度不足；同时，活性较高的合金或金属在接触水后易发生反应，增加粉末氧含量，限制了其在低氧含量金属粉末制备中的应用。

针对水雾化球形度不足的问题，国内金川集团公司进行了技术改进，将二次冷水雾化喷嘴设置在水雾化喷嘴下方，显著提升了金属粉末的球形度，粉末粒度更细，制备效果可与气雾化媲美，有效满足了3D打印对球形度的要求。

2.3 气雾化制备技术

气雾化制备技术通过高速气流破碎液态金属，使其凝固为金属粉末。相较于水雾化，气雾化制备的粉末氧含量较低、球形度较高、纯度较高，且可控制粉末粒度，是目前3D打印用金属粉末制备的主流技术。但气雾化也存在破碎效率和雾化效率较低的局限，高压高速气流能量利用率有限，增加了制备成本。

（1）层流雾化制备技术

德国Nanoval公司最先提出层流雾化制备技术，对喷嘴进行了改进，冷却速度可达10⁶~10⁷ K/s，粉末粒度分布较窄，有效提升了雾化效率。该技术具有气体能耗低、成本低的特点，适用于大多数3D打印用金属粉末的生产。但其雾化过程不稳定，金属质量流率较低（一般在1 kg/min以下），限制了大规模工业化生产。针对这一问题，Nanoval公司将金属质量流速提升至2 kg/min，实现了小规模生产和制备中的应用突破。

（2）超声紧密耦合雾化制备技术

英国PSI公司在紧密耦合雾化技术基础上对喷嘴进行了结构优化和改进，气体出口速度可达超音速，显著提升了气雾化效果。该技术能够将金属液流体积流量增加到0.5 L/min以上，有效降低了制备成本，促进其在3D打印用金属粉末工业化生产中的应用。此外，超声紧密耦合雾化技术还可提升粉末冷却速度，在非晶结构粉末及快冷粉末制备中应用效果良好，是气雾化技术的重要发展方向之一。

（3）热气体雾化制备技术

HJE公司和PSI公司联合研制出热气体雾化制备技术，对雾化介质进行了改变。我国引进该技术后，实践表明其能够有效提升细粉末比例，同时节约气体用量，应用效果良好。

2.4 等离子旋转电极雾化法（PREP）

等离子旋转电极雾化法（Plasma Rotating Electrode Process, PREP）是目前制备高品质钛合金粉末的重要技术。PREP通过动力机构带动金属棒料高速旋转，等离子弧作用于棒料端面使其微区熔化，金属熔化层在高速离心力作用下雾化成球形粉末，全过程在惰性气氛保护下进行。PREP法制备的粉末具有球形度高、空心粉和卫星粉少、粒径分布集中、粉末尺寸可控等优点。研究表明，通过改变合金棒料直径、转速和等离子弧电流，可有效控制粉末粒径。采用超高速旋转电极雾化法可制备出满足激光选区熔化（SLM）和电子束选区熔化（EBM）技术要求的钛合金粉末。

目前，钛合金粉末制备技术主要有电极感应熔炼气雾化法（EIGA）、等离子雾化法（PA）和等离子旋转电极雾化法（PREP）。EIGA法制备的粉末成分元素烧损极少，细粉收得率高，但氧增量难以控制，存在空心粉、卫星粉等缺陷；PREP法粉末球形度高、空心粉和卫星粉少，但合金棒料直径小和低转速时粉末粒径较粗。

2.5 国内3D打印用金属粉末制备工艺现状

我国在3D打印用金属粉末制备技术方面进行了积极研发。例如，河南黄河旋风公司研制了真空雾化制备技术和超高压雾化制备技术。真空雾化制备技术在真空条件下对金属或合金进行熔炼，雾化过程中进行气体保护，利用高压气体破碎金属液体，金属液滴在飞行过程中凝固，形成球形或亚球形金属颗粒。超音速雾化制备技术在低气压下产生超音速气流，形成均匀气体速度场，避免了有害激波的出现，有效提升雾化效率，金属粉末粒径较小、分布较窄。

三、3D打印钛合金在重点领域的应用现状

3.1 航空航天领域

钛合金在航空航天领域的应用最为广泛，约消耗了所有3D打印金属的近42%。波音787梦幻客机采用Norsk Titanium的快速等离子沉积技术制造关键钛合金结构件，如机翼支架、舱门框架、起落架组件等，每架波音787的制造成本可节省200~300万美元。空客A350 XWB上大规模应用3D打印技术，主要生产飞机非承力部件，通过选择性激光熔融（SLM）技术实现零件轻量化和结构优化。

在航空发动机领域，3D打印钛合金主要用于制造压气机叶片、盘件、机匣等关键部件。钛合金的高比强度使其在减重方面具有天然优势，而3D打印技术可实现复杂内腔冷却通道的一体化成型，进一步提升发动机热效率。

3.2 船舶与海洋工程领域

船舶与海洋工程领域对材料的耐腐蚀性能、抗疲劳性能和低温韧性要求极高。钛合金在海水环境中具有优异的耐腐蚀性，3D打印技术可制造复杂形状的推进器、阀门、泵体及深海装备结构件。Ti55、Ti7333等中高强度、高韧性钛合金在船舶结构件中具有良好的应用前景，其断裂韧性可达70~90 MPa·m¹/²，能够承受海洋环境的冲击载荷。

3.3 医疗领域

医疗领域是3D打印钛合金粉末增长最快的应用市场之一。钛合金具有优异的生物相容性，与人体组织无排斥反应，被广泛应用于骨科植入物、牙科修复体及外科手术器械。2024年7月，智塑健康（ZSFab）宣布其InterConnect 3D打印钛合金腰椎系统成功完成首次临床应用，采用多孔钛合金设计，结合三重周期最小表面（TPMS）和随机晶格结构，显著提升骨整合效率。

在医疗领域，对粉末的氧含量、杂质含量要求极为严格。TC4 ELI（Extra Low Interstitial）等低间隙元素钛合金是医疗植入物的首选材料，其氧含量通常控制在0.13%以下，以确保良好的生物相容性和疲劳性能。

四、宝鸡利泰金属3D打印钛合金技术工艺与特殊牌号探索

4.1 公司概况与技术定位

宝鸡市利泰有色金属有限公司（以下简称"利泰金属"）扎根中国钛谷——陕西宝鸡高新区，依托区域产业集群优势，深耕钛合金研发、生产与供应领域近二十载。宝鸡作为"中国钛谷"，聚集了700余家钛企，占据全国60%的产能、80%的国内市场份额，承担着国家90%以上高端钛材的攻坚任务。利泰金属已形成集钛合金熔炼、锻造、轧制、机加工、热处理、检测于一体的完整产业链，具备年产各类钛合金材料数千吨的生产能力。

4.2 3D打印制粉钛棒与钛基板产品

利泰金属生产的3D打印制粉棒（球粉棒）和钛合金基板，是钛合金粉末制备的核心原材料，主要应用于3D打印领域及3D冶金制粉末行业。产品材质涵盖TA1、TC4、TA15、TC11、Ti6242、Ti5553、Ti55531等多种牌号。

产品技术参数：

TC4制粉棒化学成分：N≤0.05%，C≤0.08%，H≤0.015%，O≤0.30%，Fe≤0.20%，Al:5.5~6.75%，V:3.5~4.5%

力学性能：抗拉强度≥895 MPa，非比例延伸强度≥825 MPa，断后伸长率≥10%，断面收缩率≥25%

供应规格：直径30/50/70 mm，长度400/600/800/1000 mm，可根据客户要求定制带丝扣、锥度形状

供货状态：退火态M

执行标准：GB/T 2965-2007

生产工艺控制要点：

原料选用0级以上海绵钛，氧含量小于500 ppm，采用真空自耗电弧炉熔炼3次，确保产品成分均匀、无偏析。生产流程为：海绵钛3次熔炼→锻造开坯→轧制钛棒→数控加工→超声波检测→表面检测→包装。每批产品均经过超声波探伤检测和化学成分分析，确保质量稳定。

4.3 特殊牌号钛合金体系与性能特征

利泰金属主推的特殊牌号钛合金涵盖α+β型和β型两大类，共8种核心牌号：Ti175、Ti150、Ti180、Ti55、Ti7333、Ti65、TB17、BT14。这些牌号针对不同领域的高端需求进行精准定位。

各牌号力学性能对比：

从性能对比可见，Ti180抗拉强度最高（≥1800 MPa），Ti150次之（≥1500 MPa），两者属于超高强度钛合金，重点满足对强度要求极高的场景；Ti175、TB17、BT14属于高强度、中韧性钛合金，兼顾强度与韧性；Ti55、Ti65、Ti7333属于中高强度、高韧性钛合金，重点满足对韧性和耐腐蚀性能要求较高的场景。

各牌号3D打印应用方向：

Ti175/Ti150/Ti180：超高强度钛合金，主要应用于航空发动机压气机盘件、起落架锻件、导弹弹体、航天器核心结构件等超高载荷场景。Ti150在600℃时抗拉强度仍可达1050 MPa，100h持久强度≥850 MPa，室温旋转弯曲疲劳强度（10⁷次）≥750 MPa，远高于TC4钛合金（约550 MPa）。

Ti55：α+β型钛合金，耐温上限可达650℃，高温韧性与耐腐蚀性能优异，主要应用于航空发动机高温部件、化工设备高温管道等中低载荷高温环境。密度仅4.48 g/cm³，是上述牌号中最轻的。

Ti7333：综合性能良好，抗拉强度≥1100 MPa，断裂韧性65~85 MPa·m¹/²，主要应用于航空航天结构件、船舶结构件、化工设备等中等载荷场景。

Ti65：近α型高温钛合金，抗拉强度≥1000 MPa，断裂韧性75~95 MPa·m¹/²，延伸率≥11%，主要应用于航空发动机和能源装备的高温部件，高温稳定性和蠕变抗力出色。

TB17：β型钛合金，Mo含量高达10~11%，具有超高强度和良好的冷加工性能，主要应用于航空航天复杂形状零部件、医疗器械、电子设备等。

BT14：俄罗斯牌号β型钛合金，综合性能稳定，主要应用于航空发动机压气机叶片和盘件、船舶推进器、化工设备等。

Ti55531：由俄罗斯VSMPO公司与欧洲空客公司联合开发的新型高强高韧近β钛合金，名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr。退火状态下强度可达1080 MPa，热处理后抗拉强度可超过1500 MPa，具有良好的淬透性和断裂韧性与高强度匹配特性，特别适用于制造大规格承力构件，如机翼/吊挂接头、起落架/机翼接头及起落架等零件。利泰金属已将该牌号纳入3D打印制粉棒产品系列。

4.4 3D打印钛合金精密铸造工艺

利泰金属在3D打印钛合金精密铸造领域进行了深入研究，主要工艺路线为：利用3D打印机制作树脂模或聚乳酸高分子模，组树后采用熔模铸造工艺，通过制壳、浇铸、清理壳体和后续处理等工序得到精密铸件。

关键工艺控制：

制模材料选择：蜡质和聚乳酸高分子模灰分和残留物较少，可满足钛及钛合金精密铸造要求；树脂模灰分和残留物较多，需通过表面涂挂蜡层（0.5~0.6 mm）改善。

制壳工艺：面层采用氧化钇作为耐火材料，粘结剂采用硅酸锆无机水溶液，面层浆料粘度40~60 s，干燥间温度20~24℃，湿度60%~70%；背层采用马来砂和马来粉配制，粘度16~24 s，湿度40%~50%。

焙烧与浇注：蜡模模壳脱蜡后焙烧温度1050℃、时间2 h；聚乳酸和树脂模模壳预热60℃、3 h后，在天然气焙烧炉中1050℃焙烧2 h。

酸洗处理：采用聚合硫酸铁和氢氟酸混合酸进行酸洗，配比为聚合硫酸铁（含铁≥19%）22.9%、水69%、氢氟酸8.1%，可有效去除厚壁铸件表面污染层。

五、3D打印用金属粉末未来发展及前景分析

5.1 市场规模与增长趋势

全球3D打印金属粉末市场正处于快速扩张期。2025年全球3D打印金属粉末市场规模约为15亿美元，预计到2033年将达到95亿美元以上，复合年增长率约19.3%。其中，亚太地区在政府政策、本地供应链发展和OEM普及的推动下，正崛起为金属粉末制造和创新中心。中国市场2024年3D打印金属粉销售收入持续增长，预计2031年将达到更高水平。

金属粉末增材制造打印机市场同样增长迅猛。2025年全球市场规模预计达34.75亿美元，预计2032年达到124.88亿美元，年均复合增长率约20.05%。

5.2 技术发展方向

（1）粉末质量持续提升

未来钛合金粉末制备将更加注重粒径分布更窄、流动性更好、氧含量更低。等离子雾化、冷喷涂及混合粉末生产方法的进步将进一步提高粉末质量并降低成本。人工智能和机器学习在过程控制中的集成将提高粉末一致性和合金开发速度。

（2）成本下降与规模化应用

国内3D打印全产业链自主化进程持续提速，激光器、振镜、扫描系统等核心零部件实现大规模国产替代，设备整机制造成本较早年显著下降。金属粉末、高分子耗材制备工艺迭代升级，钛合金、不锈钢打印粉末价格大幅回落，搭配再生粉末循环利用技术进一步压缩耗材开支。高速打印、多材料复合成型、AI智能切片等工艺持续突破，打印效率成倍提升，推动行业从高端小众定制向规模化普惠制造转型。

（3）定制化与功能化

随着3D打印技术的成熟和工业化应用的拓展，金属粉末的研发将更加细化，针对不同行业和应用场景提供具有特定物理、化学特性的粉末材料。高熵合金、难熔金属、可生物降解金属等新型合金研究拓宽了3D打印的应用范围。

（4）绿色制造与循环利用

通过循环利用和再生技术的开发，金属粉末产业将强化绿色制造理念，实现资源的可持续利用。废钛回收制粉技术将成为重要发展方向，降低对原生海绵钛的依赖。

5.3 应用领域拓展

航空航天：随着航空发动机推重比要求的不断提高，3D打印钛合金在整体叶盘、机匣、燃烧室等关键部件中的应用将进一步扩大。Ti150、Ti180等超高强度钛合金有望在新一代航空发动机中得到验证和应用。

医疗：患者特异性植入物和手术工具的需求持续增长，多孔钛合金结构、梯度功能材料的3D打印技术将推动个性化医疗的发展。TC4 ELI、Ti65等低间隙元素钛合金在骨科植入物中的应用前景广阔。

船舶与海洋工程：深海探测装备、水下航行器、海洋平台等对大规格、高韧性钛合金结构件的需求增加，Ti55、Ti7333等中高强度、高韧性钛合金的3D打印应用将逐步拓展。

六、结论

3D打印用金属粉末制备技术经过多年发展，已从早期的水雾化、气雾化逐步演进至等离子旋转电极雾化、超声紧密耦合雾化、热气体雾化等先进工艺，粉末质量持续提升，成本逐步下降。钛合金作为3D打印金属粉末的主导材料，在航空航天、船舶、医疗等领域展现出巨大的应用价值。

宝鸡利泰金属依托中国钛谷产业集群优势，深耕钛合金领域近二十载，构建了涵盖Ti175、Ti150、Ti180、Ti55、Ti7333、Ti65、TB17、BT14、Ti55531、TC4、TA15等特殊牌号的完整产品体系。其3D打印制粉钛棒、钛合金基板等产品，选用优质海绵钛原料，经3次真空自耗电弧炉熔炼，确保了成分均匀性和低氧含量，为下游粉末制备企业提供了可靠的原材料保障。

展望未来，随着3D打印金属粉末市场规模的持续扩大、制备技术的不断进步以及应用领域的深度拓展，利泰金属等国内钛合金企业应继续加强自主研发，加大技术投入，突破大规格铸锭熔炼、精密锻造、热处理调控等关键技术，推进粉末冶金钛粉、增材制造钛坯的国产化落地，为我国高端装备制造业的发展提供坚实的材料支撑。

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