等離子旋轉(zhuǎn)霧化制備航空用3D打印金屬粉體材料研究

戴煜 李禮

獲得高品質(zhì)、低成本的球形粉體材料是滿足金屬3D打印技術(shù)及制備高性能金屬構(gòu)件的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?，F(xiàn)階段，快速凝固制粉工藝是制備金屬3D打印粉體材料的核心技術(shù)之一[1，2]?？焖倌碳夹g(shù)是將金屬、合金熔體直接霧化制得球形粉末，或通過高壓霧化介質(zhì)（水或氣體）的強(qiáng)烈沖擊，或通過離心力使之破碎，高速冷卻凝固實(shí)現(xiàn)的[3]。

目前，應(yīng)用于金屬3D打印粉體材料制備的快速凝固技術(shù)主要有惰性氣體霧化法（AA法）、真空感應(yīng)氣霧化法（VIGA法）、無坩堝電極感應(yīng)熔化氣體霧化法（EIGA法）、等離子火炬法（PA法）以及等離子旋轉(zhuǎn)霧化法（PREP法）等。其中，PREP法制備的粉末具有表面清潔、球形度高、伴生顆粒少、無空心/衛(wèi)星粉、流動(dòng)性好、高純度、低氧含量、粒度分布窄等優(yōu)勢，適合金屬3D打印。但是，PREP工藝受限于電極棒大幅提速后導(dǎo)致的密封、振動(dòng)等相關(guān)技術(shù)瓶頸，采用該法仍難以低成本制備符合3D打印技術(shù)要求的細(xì)粒徑粉體（45μm以下）[4]。

本文立足湖南頂立科技有限公司（以下簡稱“頂立科技”）新一代等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉技術(shù)及系統(tǒng)，結(jié)合PREP制粉技術(shù)特點(diǎn)、現(xiàn)階段國內(nèi)外研究進(jìn)展與技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，重點(diǎn)闡述PREP制粉工藝、制粉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與智能化程度等對(duì)粉末粒徑的影響，以期為我國3D打印金屬粉體材料國產(chǎn)化提供重要參考。

一、等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉技術(shù)特點(diǎn)

等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉過程（見圖1）可簡單描述為：將金屬或合金制成自耗電極，自耗電極端部在同軸等離子體電弧加熱源的作用下熔化形成液膜，液膜在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下被高速甩出形成液滴，熔融液滴與霧化室內(nèi)氬（Ar）氣摩擦，在切應(yīng)力作用下進(jìn)一步破碎，隨后熔滴在表面張力的作用下快速冷卻凝固成球形粉末[5]。

相對(duì)于氣霧化技術(shù)，PREP工藝不以高速惰性氣流直接分散金屬液流霧化，因此可以避免氣體霧化法中出現(xiàn)的“傘效應(yīng)”，直觀表現(xiàn)在金屬、合金粉末的粒度分布以及形貌上。采用氣霧化制備的粉末粒度主要集中在40～150μm范圍，而等離子旋轉(zhuǎn)霧化法制備的合金粉末粒度主要集中在4～10μm和70～130μm。相比氣體霧化法，等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備粉末粒度分布更集中（如圖2所示）。

氣霧化法制備的粉末具有不規(guī)則形狀、破碎顆粒、較大尺寸金屬長薄片等特點(diǎn)，如圖3（a）所示。高速Ar氣流對(duì)熔體的沖擊分散易在粉末顆粒內(nèi)部形成閉合孔隙，該閉孔內(nèi)含有一定量的Ar氣體，Ar氣通常不熔于金屬，在3D打印過程中不易消除，形成氣隙、卷入性和析出性氣孔、裂紋等缺陷，即便采用熱等靜壓也無法消除該類缺陷，在隨后熱處理過程中易發(fā)生熱誘導(dǎo)孔隙長大[6]。而采用等離子旋轉(zhuǎn)霧化法制得的粉末球形度更高、流動(dòng)性更好、氣體體積分?jǐn)?shù)低，如圖3（b）所示，是金屬3D打印的理想原料。此外，若采用陶瓷坩堝氣霧化制粉，特別是高溫合金粉制備方面，存在陶瓷夾雜現(xiàn)象，而等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉技術(shù)能有效杜絕陶瓷夾雜物。

二、國內(nèi)外研究進(jìn)展及技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

1.國外等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉技術(shù)研究進(jìn)展

等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉技術(shù)始于20世紀(jì)70年代的美國，在俄羅斯得到發(fā)展應(yīng)用。目前，俄羅斯掌握著世界上最先進(jìn)的等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉技術(shù)及裝備。如俄羅斯某公司第2代等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉設(shè)備，-325目以下的細(xì)粉收得率已經(jīng)達(dá)到6%～8%。該公司新近開發(fā)的第3代等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉設(shè)備，通過攻克電極棒高速旋轉(zhuǎn)技術(shù)、高速旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封技術(shù)、連續(xù)進(jìn)給技術(shù)、無縫連接技術(shù)、智能控制系統(tǒng)升級(jí)等技術(shù)瓶頸，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)25根以上金屬棒料的連續(xù)霧化制粉，-325目以下細(xì)粉收得率更是達(dá)到15%以上。其主要性能指標(biāo)如表1所示。

2.國內(nèi)等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉技術(shù)研究進(jìn)展

現(xiàn)階段，國內(nèi)等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉技術(shù)的研究大體可分為2類。一類是以直接引進(jìn)俄羅斯最先進(jìn)的制粉技術(shù)及裝備為基礎(chǔ)，開展金屬3D打印粉體的研制工作，如西北有色金屬研究院、廣州有色金屬研究院為代表的國內(nèi)科研院所，采用的是俄羅斯某公司第2代等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉技術(shù)及裝備。另一類則以俄羅斯20世紀(jì)70年代的技術(shù)及裝備為基礎(chǔ)，通過“引進(jìn)-消化吸收-再創(chuàng)新”的方式進(jìn)行自主研發(fā)，制備技術(shù)方面主要包括電極棒轉(zhuǎn)速及直徑、等離子弧電流強(qiáng)度、等離子槍與電極棒端部間距、電極棒進(jìn)給速度等工藝參數(shù)研究；設(shè)備方面主要包括旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備改造、旋轉(zhuǎn)電極制粉機(jī)組的設(shè)計(jì)開發(fā)、旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備的報(bào)警系統(tǒng)研制、高壓等離子點(diǎn)火裝置以及等離子槍的改進(jìn)等。取得了一些成績，但是總體上來說，國內(nèi)研發(fā)成果相對(duì)較少、改進(jìn)力度不大、質(zhì)量不高，與國外相比差距還較大，細(xì)粉收得率（-325目以下）不到5%。

頂立科技通過自主研發(fā)，已經(jīng)完成第2代、第3代、第4代等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉系統(tǒng)的研制工作，新一代等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉系統(tǒng)（4代機(jī)）整機(jī)性能可與俄羅斯最新的技術(shù)比肩，細(xì)粉收得率可達(dá)16%左右（見表2）。

3.技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

從技術(shù)層面看，等離子旋轉(zhuǎn)霧化技術(shù)的瓶頸仍在于如何高效、低成本制備適用于金屬3D打印的細(xì)粒徑粉體。國內(nèi)外等離子旋轉(zhuǎn)霧化技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)在于：細(xì)粉收得率低，直接導(dǎo)致3D打印粉體材料制備成本居高不下。以國內(nèi)外最先進(jìn)、使用最頻繁的無坩堝電極感應(yīng)熔化氣體霧化（EIGA）工藝制備金屬3D打印粉體材料為例，通過調(diào)整熔煉功率與進(jìn)給速度等工藝參數(shù)，其細(xì)粉收得率最高可達(dá)27.5%左右[7]。采用等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉技術(shù)提高細(xì)粉收得率，最直接的方法是增大電極棒直徑與極限轉(zhuǎn)速。研究發(fā)現(xiàn)，即便大幅度提升電極棒直徑與極限轉(zhuǎn)速，如果不能有效匹配等離子旋轉(zhuǎn)霧化工藝參數(shù)，細(xì)粉收得率仍將保持在一個(gè)相對(duì)較低的水平，普遍只有5%左右。不提升細(xì)粉收得率，降低粉末制備成本只能是空談。

此外，提升電極棒直徑與極限轉(zhuǎn)速導(dǎo)致的高速動(dòng)密封、振動(dòng)等技術(shù)難題，母合金棒料的純凈化熔煉控制、棒料表面與尺寸精加工、霧化過程中料頭余料等都將影響粉末制備的成本。

三、等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉工藝參數(shù)對(duì)粉末性能的影響

1.電極棒直徑與極限轉(zhuǎn)速

根據(jù)等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉機(jī)理，對(duì)液滴進(jìn)行受力分析，可得到液滴形成的臨界條件，即：

其中，ρ為液滴密度、n為電極棒轉(zhuǎn)速。

由公式（2）可知，等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉粒徑與液滴表面張力成正比關(guān)系，與液滴密度、電極棒極限轉(zhuǎn)速、電極棒直徑成反比關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)[8，9]記載的各類金屬、合金的表面張力數(shù)值，獲得幾類典型金屬、合金粉末粒徑的理論計(jì)算公式，具體如表3所示。

由表3可知，理論平均粒徑與實(shí)際檢測的平均粒徑結(jié)果相吻合，造成偏差的原因主要是粉末顆粒尺寸大小受棒料振動(dòng)等影響，在理論值附近波動(dòng)。為了更好的說明公式的準(zhǔn)確性，以Ti-8Al-2Si-2Zr（1#）與Ti-6.5Al-1.4Si-2Zr-0.5Mo-2Sn（2#）鈦合金為例，分別在15 000r/min、18 000r/min以及12 000r/min、18 000r/min （棒料直徑均為50mm）下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，2種成分合金粉末粒度分布都較窄，隨轉(zhuǎn)速加快，粉末中小粒徑粉末比例增加，粒度分布曲線向小粒徑方向移動(dòng)。轉(zhuǎn)速為18 000r/min時(shí)，對(duì)比1#、2#兩種合金粉末粒度分布情況，硅（Si）含量相對(duì)較少的2#試樣小顆粒粉末所占比例更大，因?yàn)楹辖鹬行纬傻墓杌飼?huì)增加液態(tài)金屬表面張力，金屬液膜在被甩出合金棒料時(shí)需要更大的離心力。

2.等離子弧電流強(qiáng)度

由于每次等離子霧化制粉過程嚴(yán)格控制充入霧化室的Ar氣體量（霧化室壓力130kPa），故在整個(gè)制粉過程中等離子弧電壓的變化不大，等離子弧電流的強(qiáng)度變化基本上反映了等離子槍輸出功率的變化。研究發(fā)現(xiàn)，粉末平均粒徑隨等離子弧電流強(qiáng)度的增大而有明顯細(xì)化的趨勢。但是，提高電流會(huì)帶來諸多弊端，其一是粉末粒度的分布范圍隨電流強(qiáng)度的增大而變寬的趨勢十分明顯，如圖5所示。

電流大小反映等離子槍的能量。增大電流的另一弊端在于，能量越大意味著等離子弧溫度越高，越容易造成低熔點(diǎn)元素的燒蝕。以Ti-8Al-2Si-2Zr（1#）與Ti-6.5Al-1.4Si- 2Zr-0.5Mo-2Sn（2#）鈦合金為例，在1 700A的恒定電流下，針對(duì)不同粒徑范圍進(jìn)行了粉末的合金成分分析，與初始電極棒合金成分對(duì)比情況如表4所示。

從表4可以看出，制粉過程雜質(zhì)O增量均<0.03%，小顆粒粉末比表面積大，更容易吸收O等其他雜質(zhì)元素，故隨著粉末粒徑的減小O含量會(huì)有略微的增加。Ti、Si、Zr、Mo、（Sn元素含量均在名義成分誤差范圍內(nèi)。Al元素?fù)p失較大，約為1.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），其原因如下：①Al元素沸點(diǎn)較低，在制粉過程中，真空爐內(nèi)溫度較高，導(dǎo)致低沸點(diǎn)的Al元素部分燒蝕；②爐內(nèi)真空度較高（4×10-3Pa以上），也會(huì)造成棒料熔煉過程中部分元素的損失。

3.等離子槍與電極棒端部間距

試驗(yàn)表明，對(duì)于轉(zhuǎn)移弧模式工作的等離子槍而言，等離子束的有效熱功率與棒料端部的距離有關(guān)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在電流強(qiáng)度和電壓保持一定的情況下，等離子槍與棒料端部的距離除了影響棒料的熔化速度外，還影響端部熔池形狀。粉末粒度的分布兩者都相關(guān)：等離子槍與電極棒端部間距越小（10mm），獲得的等離子束有效熱功率越大，熔化越充分，粉末粒度細(xì)化趨勢越明顯。當(dāng)?shù)入x子槍與棒料端部距離由10mm變?yōu)?0mm時(shí)，粉末粒度的分布范圍有增寬的趨勢。

減小等離子槍與電極棒端部間距可以有效提高細(xì)粉收得率，但同時(shí)也會(huì)加劇等離子槍噴嘴和鎢電極的損耗，噴嘴及鎢電極部分材料熔化進(jìn)而隨著等離子流進(jìn)入粉末中，影響粉末質(zhì)量。圖6為等離子槍與電極棒端部間距為10mm時(shí)，篩選不銹鋼316L粉末雜質(zhì)后做的能譜分析。從圖6中可以明顯發(fā)現(xiàn)，雜質(zhì)含量來源于損耗的鎢電極。根據(jù)多次試驗(yàn)，等離子槍與電極棒端部最佳間距范圍在50～60m m之間，此時(shí)鎢電極損耗最低，同時(shí)可獲得較好的細(xì)粉收得率。

四、新一代等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉技術(shù)及設(shè)備特點(diǎn)

從等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉工藝對(duì)粉末性能的影響可以看出，欲制備高品質(zhì)金屬3D打印粉體材料除了弄清旋轉(zhuǎn)霧化機(jī)理外，設(shè)備改進(jìn)也是極為重要的環(huán)節(jié)。

需在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究連續(xù)進(jìn)給料、密封、自動(dòng)起弧與信息反饋、智能控制等裝備制造技術(shù)和旋轉(zhuǎn)霧化制粉工藝，需攻克等離子槍進(jìn)給式旋轉(zhuǎn)制粉裝置的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、無刷電極旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、輸電腔及冷卻腔的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、高速動(dòng)密封及其控制技術(shù)、霧化過程不活潑氣氛保護(hù)控制技術(shù)、無油浮環(huán)動(dòng)密封技術(shù)、離心式水冷電刷、高速大電流柔性聯(lián)軸系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)霧化在線修正系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，還需大幅提升等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉及裝備技術(shù)水平，頂立科技研制開發(fā)的最新一代等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)航空用3D打印金屬粉體材料的研制與生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

1.新一代等離子旋轉(zhuǎn)霧化（N-PREP）制粉系統(tǒng)特點(diǎn)

該設(shè)備除具備較大的棒料直徑（100mm）與棒料轉(zhuǎn)速（30 000r/min）外，還集成了棒料連續(xù)進(jìn)給技術(shù)，細(xì)粉（-325目）收得率高，達(dá)16%左右，其主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)如下：

①棒料連續(xù)進(jìn)給技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)40根以上金屬棒料的連續(xù)霧化制粉；②棒料高速無縫連接技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)無減速連續(xù)傳輸棒料，并有效解決料尾問題；③自定位轉(zhuǎn)移弧等離子槍，具有安裝方便、自動(dòng)對(duì)中、冷卻充分等特點(diǎn)；④進(jìn)給式旋轉(zhuǎn)電極制粉裝置，大大提高設(shè)備的穩(wěn)定性；⑤無刷電極旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，消除碳刷與銅電極的磨損，提高生產(chǎn)效率；⑥高速動(dòng)密封控制技術(shù)，保證霧化室的高度密封性；⑦高速旋轉(zhuǎn)振動(dòng)消除技術(shù)，整個(gè)過程噪音??；⑧特殊爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定；⑨實(shí)現(xiàn)智能控制。

研制的新一代等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉設(shè)備如圖7所示。

2.等離子旋轉(zhuǎn)霧化粉末特點(diǎn)

圖8為N-PERP法制備的金屬細(xì)粉SEM照片。由圖8可知，N-PREP法制備的粉末具有球形度高、伴生顆粒少、無空心/衛(wèi)星粉、流動(dòng)性好、高純度、高松裝密度、低氧含量、粒度分布窄等優(yōu)勢，是金屬3D打印的理想材料。

采用N-PERP法制備鈦合金粉末，材料的組織主要由等軸狀和條狀α′相組成，靠近粉末界面α′較多且均勻分布，如圖9所示。鈦合金粉末的微觀組織與制備工藝密切相關(guān)。粉末制備過程中熔融的金屬液滴表面與其內(nèi)部冷卻不同步，粉末外層較快的冷卻速率，能夠抑制外層晶粒的生長和組織的粗大，使粉末外層具有較細(xì)的組織。另外，粉末顆粒邊緣處較細(xì)的組織，有利于再結(jié)晶的進(jìn)行，一方面，這些組織在變形中更容易碎裂；另一方面，細(xì)小的組織中具有較高的能量，也有利于3D打印過程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的進(jìn)行。

大顆粒鈦合金粉末主要由α′相組成，極少的β相。隨著粉末粒度的減小，α′相XRD衍射峰強(qiáng)度降低，小顆粒粉末中等軸α′相為主要結(jié)構(gòu)，如圖10所示。這與前面金相顯微組織分析一致。

五、結(jié)語

采用等離子旋轉(zhuǎn)霧化法制備的金屬粉體性能優(yōu)異，是金屬3D打印的理想原料，但細(xì)粉收得率受限，制造細(xì)粉的成本仍居高不下，成為該項(xiàng)技術(shù)亟待解決的瓶頸。細(xì)粉收得率的提升，在很大程度上取決于等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉工藝的機(jī)理研究、等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及裝備智能化程度。新一代等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉技術(shù)及系統(tǒng)的成功開發(fā)，顛覆了等離子旋轉(zhuǎn)霧化法只適于制備粗粉的論斷，在等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉技術(shù)及系統(tǒng)方面已經(jīng)有了取得重大技術(shù)突破，細(xì)粉收得率達(dá)到16%，可依托現(xiàn)有成果，進(jìn)行推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)金屬3D打印粉體材料國產(chǎn)化。

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