三維打印用霧化噴嘴的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢＊

□樊恩想 □付 超 □廖文俊

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

三維打印用霧化噴嘴的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢＊

□樊恩想 □付 超 □廖文俊

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

氣霧化制粉是三維打印用金屬粉材最常用的制備技術(shù)，介紹了多種霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)特征，以及三維打印用金屬粉材霧化噴嘴的發(fā)展歷程，分析了新型霧化噴嘴的設(shè)計與相關(guān)技術(shù)，并對未來發(fā)展進行了展望。

三維打??；霧化制粉；噴嘴

1 課題背景

三維打印技術(shù)被譽為第三次工業(yè)革命，其中金屬三維打印是三維打印技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的重要途徑之一，而作為原材料的金屬粉材一直是技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。目前，我國三維打印用金屬粉材市場存在諸多問題，高端粉末還需要從國外進口[1]。國產(chǎn)粉質(zhì)量較差主要與國內(nèi)生產(chǎn)廠家在制粉技術(shù)與工藝上存在不足有關(guān)，而制粉技術(shù)又與霧化噴嘴息息相關(guān)[2]。通過重點關(guān)注霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)特征及其設(shè)計方法，可以從中把握未來三維打印用金屬粉材制備技術(shù)的發(fā)展方向。

三維打印用金屬粉材的制備技術(shù)主要從傳統(tǒng)粉末冶金或熱噴涂粉材制備技術(shù)發(fā)展而來。當前制粉技術(shù)較多，從霧化介質(zhì)類型方面分為氣、液、固霧化，從熔煉方式方面分為真空、非真空、有無坩堝霧化，從加熱方式方面分為磁感應(yīng)、等離子加熱等[3]。具體制粉技術(shù)介紹、優(yōu)缺點及應(yīng)用范圍見表1。

目前，無論是從成本還是從品質(zhì)角度來看，氣霧化制粉技術(shù)都是生產(chǎn)廠家首選。氣霧化制粉設(shè)備如圖1所示，設(shè)備的主要構(gòu)成見表2。

氣霧化制粉是一個由高速氣體的動能和熔爐提供的熱能向金屬表面能轉(zhuǎn)化的過程。在這個過程中，霧化噴嘴作為能量轉(zhuǎn)化器，其能量轉(zhuǎn)換效率直接決定霧化效率，同時霧化噴嘴對整個霧化過程還起著重要的穩(wěn)定性作用，因此霧化噴嘴為氣霧化制粉系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計為氣霧化制粉的核心技術(shù)。

表1 制粉技術(shù)概況

圖1 氣霧化制粉設(shè)備示意圖

表2 氣霧化制粉設(shè)備構(gòu)成

2 霧化噴嘴發(fā)展歷程

霧化噴嘴的早期設(shè)計為自由落體式結(jié)構(gòu)[10]，如圖2（a）所示。雖然自由落體噴嘴設(shè)計簡單，不易堵嘴且易操作，但霧化效率不高，為了提高霧化效率，霧化噴嘴演變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)緊湊的限制式噴嘴[11]，如圖2（b）所示。

圖2 霧化噴嘴結(jié)構(gòu)

為了進一步縮短氣流到液流匯交的距離，以期獲得更高的霧化效率，霧化噴嘴由限制式噴嘴演變?yōu)榫o耦合式噴嘴[12]，如圖3所示。實踐表明，作為近乎保證氣體自噴嘴出口至液流距離最短的霧化噴嘴，緊耦合式霧化噴嘴在細粉末生產(chǎn)方面非常有效，已成為氣霧化制粉設(shè)備的首選噴嘴。

圖3 緊耦合式霧化噴嘴

盡管常規(guī)緊耦合式霧化噴嘴已在原有基礎(chǔ)上提高了霧化效率，但仍然存在以下兩點不足[13]：一是當霧化氣壓增加至一定值時，導(dǎo)流管出口處將產(chǎn)生正壓，影響霧化進程；二是在高壓霧化條件下，在導(dǎo)流管出口處產(chǎn)生的負壓較大，使金屬液流率增加，不利于細粉末的生產(chǎn)。為了解決上述問題，一些學(xué)者對緊耦合式霧化噴嘴進行優(yōu)化設(shè)計[14]，如氣流通道設(shè)計為Laval管結(jié)構(gòu)，環(huán)縫結(jié)構(gòu)改為環(huán)孔結(jié)構(gòu)，以及優(yōu)化導(dǎo)流管出口處的形狀等，使導(dǎo)流管出口處形成有效負壓，并保證在較低的氣壓下獲得超聲速氣流，以提高金屬液流的霧化效率。

由于氣體所具有的能量是決定霧化效率高低的主要因素，通過加熱霧化氣體可間接提高霧化效率，因此在超聲速緊耦合式霧化噴嘴的基礎(chǔ)上，發(fā)展出熱氣體超聲速霧化制粉技術(shù)。同時，金屬液流量也會影響制粉性能，如果液流量較大，則液流無法充分霧化；如果液流量較小，則所消耗的霧化氣體不能充分利用，所以在霧化噴嘴上又增加了壓差控制技術(shù)。為結(jié)合熱氣體技術(shù)與壓差控制技術(shù)，超聲速緊耦合式霧化噴嘴結(jié)構(gòu)經(jīng)相應(yīng)改動后設(shè)計出改進超聲速緊耦合式霧化噴嘴。

除緊耦合式霧化噴嘴外，還有兩種生產(chǎn)用霧化噴嘴，分別為超聲波霧化噴嘴（圖4）和層流霧化噴嘴（圖5）。超聲波霧化噴嘴[15]將Laval管和Hartman振動管組合在一起，在超聲速氣體破碎液流的同時，還伴有聲波振動的輔助破碎作用，霧化效率隨之提高。層流霧化噴嘴[16]可使氣體通過噴嘴后獲得層流氣場，這一霧化技術(shù)克服了常規(guī)霧化過程中存在的激波與氣體能量因膨脹而損失等問題，霧化效率同樣較高，粉末粒度分布較窄。但是，由于存在諸多還未攻克的技術(shù)問題，此兩類霧化噴嘴始終未得到工業(yè)界的普遍應(yīng)用。

圖4 超聲波霧化噴嘴

圖5 層流霧化噴嘴

對于三維打印用金屬粉材而言，雖然改進超聲速緊耦合式霧化噴嘴已得到行業(yè)的普遍認可，但是其在細粉收得率及衛(wèi)星球、亞球形粉、耗氣量、成本等控制水平上依舊有待提高。為了滿足三維打印用金屬粉材粒徑細小、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求[17]，勢必需要發(fā)展制粉性能更優(yōu)異、制粉成本更低的新型霧化噴嘴。目前，人們對氣霧化制粉的認識是多相耦合作用的復(fù)雜過程[18-19]，其作用機理尚不清楚，較有影響的經(jīng)典理論主要有Lubanska理論、Thompson理論、三階段霧化理論、正態(tài)分布理論與Strauss理論。其中三階段霧化理論較形象地描繪了金屬熔體的霧化過程：首先形成液膜，繼而破碎成帶，最后破碎成小液滴，如圖6所示[19]。但是，上述氣霧化理論為噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計提供的指導(dǎo)性有限，霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)優(yōu)化也因此發(fā)展緩慢。

圖6 三階段霧化理論

3 新型霧化噴嘴

雖然霧化機理沒有重大突破，但不妨礙人們對現(xiàn)有霧化技術(shù)與霧化噴嘴特征進行整合創(chuàng)新。多層霧化噴嘴與復(fù)合介質(zhì)霧化噴嘴將當下已成熟的制粉技術(shù)進行有效耦合，以期發(fā)揮多種霧化技術(shù)優(yōu)勢，為探索制粉性能更佳、制粉成本更低的霧化噴嘴提供了新思路。

傳統(tǒng)霧化噴嘴基本采用單層噴嘴，為了進一步提高霧化介質(zhì)的能量轉(zhuǎn)化效率，雙層或多層霧化噴嘴的探索逐漸引起人們的重視。

3.1 雙層非限制式霧化噴嘴

雙層非限制式霧化噴嘴[20]通過固定螺栓將兩層非限制式的霧化噴嘴安裝在一起，如圖7所示。在雙層噴嘴的作用下，霧化氣體與金屬液流之間的能量傳遞效率得到增強，液滴凝固時間縮短，使得粉末因碰撞而引起變形和粘結(jié)的幾率降低，因此球形度得到改善。另外，在輔助噴嘴的保護氣作用下，避免了金屬液流沿導(dǎo)流管向上回流的現(xiàn)象，有利于霧化過程的順利進行。整體來看，在制粉過程中，雙層霧化噴嘴能夠?qū)崿F(xiàn)在增大氣體壓力的同時消除霧化制粉過程所產(chǎn)生的鼓泡、反濺等現(xiàn)象，霧化制粉的生產(chǎn)效率、細粉收得率和金屬粉末產(chǎn)品的質(zhì)量都得到較大幅度提升。

3.2 雙層緊耦合式霧化噴嘴

相比非限制式霧化噴嘴，緊耦合式霧化噴嘴的效率更高，更具商業(yè)價值。圖8是一種雙層緊耦合式霧化噴嘴[21]，第一層是傳統(tǒng)緊耦合霧化結(jié)構(gòu)，第二層是帶有Laval管的超聲速霧化噴嘴。該霧化噴嘴可通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，在較低耗氣量的情況下獲得細粉收得率更高的金屬粉體。

圖8 雙層緊耦合式霧化噴嘴

傳統(tǒng)的霧化介質(zhì)僅限于單純的氣體或液體，但氣霧化成本相對較高，而水霧化制備的粉體性能較差，為了克服傳統(tǒng)霧化介質(zhì)存在的弊端，并發(fā)揮各霧化介質(zhì)的優(yōu)勢，復(fù)合霧化介質(zhì)如水-氣復(fù)合、氣-固復(fù)合等新型霧化介質(zhì)同樣受到人們的重視。

3.3 水-氣復(fù)合霧化噴嘴

水-氣復(fù)合霧化技術(shù)是在結(jié)合水霧化低成本的同時保持氣霧化高球形度、低氧含量的優(yōu)勢。水-氣復(fù)合霧化噴嘴結(jié)構(gòu)如圖9所示，上部為氣霧化噴嘴，下部為高壓水噴嘴。下部噴嘴噴出的高壓水邊緣交于兩個點，并形成一段相對封閉的空間，相比交于一點的霧化噴嘴，可以延緩霧化液滴的凝固，并使液滴經(jīng)多次打擊而分離，從而得到粒徑更小的粉末。整個水-氣復(fù)合霧化過程是金屬液在重力與高壓氣流引起負壓的雙重作用下進入霧化區(qū)域，金屬液流先被高壓氣體分離為液滴，再經(jīng)高壓水流打擊，最后小液滴受表面張力作用，在下落過程中收縮成近球形，并凝固成為金屬粉末[22]。

此類水-氣復(fù)合霧化噴嘴特點是粉末的球化時間長，球形度比水霧化好，粉末粒度比氣霧化細，氧含量較水霧化低。

圖9 水-氣復(fù)合霧化噴嘴

3.4 氣-固復(fù)合霧化噴嘴

氣-固復(fù)合霧化技術(shù)將霧化介質(zhì)改變?yōu)橐环N含有可除去高濃度固體介質(zhì)顆粒的高速氣流。由于固體顆粒介質(zhì)有很高的動能，經(jīng)含有高能顆粒的高速氣流與金屬液流相互碰撞、撕裂后，氣-固復(fù)合霧化制得粉末相比普通氣體霧化所得粉末更細，能量利用率得到提高。如果再將氣-固復(fù)合霧化技術(shù)與雙層霧化噴嘴結(jié)合，得到的氣-固復(fù)合霧化噴嘴（圖10）能量轉(zhuǎn)化率會更高[23]。

4 霧化噴嘴局部結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 輔助風(fēng)孔與導(dǎo)流管

除了上述霧化噴嘴的復(fù)合設(shè)計外，霧化噴嘴本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計依舊存在挖掘的潛力[24-25]。為了防止噴嘴堵嘴并降低流速比，在霧化噴嘴中可考慮設(shè)計輔助風(fēng)孔，使部分氣體通過輔助風(fēng)孔向下流動，維持噴嘴口附近的氣壓平衡，減少紊流作用[26]，防止熔體液滴返回風(fēng)口，設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖10 氣-固復(fù)合霧化噴嘴

圖11 霧化噴嘴輔助風(fēng)孔設(shè)計

另外，圖11中霧化噴嘴可適當增加導(dǎo)流管的伸出長度，因為霧化噴嘴下端的氣流場分布為噴嘴端口附近的抽吸力較小，適當增加導(dǎo)流管伸出長度，能增大液流出口處的抽吸力以避免液流倒吸等問題[27]。同時，適當增加導(dǎo)流管伸出長度，可縮短熔體與氣流之間的距離，以減少氣體損耗。但如果導(dǎo)流管伸出長度過長，導(dǎo)流管會受到氣體的沖擊，受熱不均，容易開裂，所以霧化噴嘴最佳的導(dǎo)流管伸出長度需要控制在一個合理范圍內(nèi)。

4.2 進氣管與冷卻水腔

傳統(tǒng)氣腔為單管單向進氣，盡管進氣管與氣腔相切，但不可避免地存在氣腔內(nèi)氣壓缺失區(qū)，致使后續(xù)噴射流不均勻。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可采用兩個相對平行且與氣腔相切的進氣管結(jié)構(gòu)，如圖12中B－B剖面所示。雖然雙進氣結(jié)構(gòu)增加了制造難度，但霧化噴嘴中兩個氣路的氣壓一致，能夠保證氣腔內(nèi)氣流的穩(wěn)定[28]。

另外，霧化噴嘴工作需要承受較高溫度，通過在霧化噴嘴中增加冷卻結(jié)構(gòu)，能夠提高霧化噴嘴的使用壽命，降低霧化噴嘴的更換頻率，圖12中C－C剖面所示的冷卻水腔結(jié)構(gòu)是常用的冷卻結(jié)構(gòu)之一。

圖12 霧化噴嘴進氣管與冷卻水腔設(shè)計

4.3 霧化噴嘴輔助設(shè)計技術(shù)

由于噴嘴結(jié)構(gòu)決定霧化氣流場，霧化氣流場又影響制粉性能，因此在相關(guān)霧化機理指導(dǎo)下，還需要做大量的氣流場仿真工作，以驗證新型噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。流場仿真軟件是霧化噴嘴前端氣流場模擬的重要工具之一，圖13為某型噴嘴通過計算流體動力學(xué)仿真得到的噴嘴前端氣流速度結(jié)果[29]。一般來說，霧化噴嘴要保證一定的氣體動能及抽吸壓力[30]，從而保證制粉效率，避免堵嘴或液流倒吸問題。

另外，隨著霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計迭代頻率加快，通過金屬三維打印可以快速響應(yīng)新型霧化噴嘴的制備，以縮短試驗驗證與設(shè)計方案論證周期。同時，金屬三維打印技術(shù)還可以實現(xiàn)霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，實現(xiàn)集成度、復(fù)雜度更高的新型霧化噴嘴制備，如將帶有復(fù)雜組件的霧化噴嘴進行一體化設(shè)計并成形，減少了霧化噴嘴分體加工與裝配工序。

圖13 霧化噴嘴氣流場模擬

通過流場仿真技術(shù)與金屬三維打印技術(shù)，新型霧化噴嘴的設(shè)計將得到迅速發(fā)展。未來三維打印用金屬粉材性能將獲得提升，而生產(chǎn)成本則迅速降低。

5 結(jié)束語

目前市面上已有多種三維打印粉材的制備技術(shù)，但主流技術(shù)仍為氣霧化制粉技術(shù)，其最為關(guān)鍵的部件是霧化噴嘴。目前，霧化噴嘴結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)顯著突破，但在局部結(jié)構(gòu)，如輔助風(fēng)孔、導(dǎo)流管、進氣管及冷卻水腔等方面已有優(yōu)化成果。另外，多層霧化噴嘴、復(fù)合介質(zhì)霧化噴嘴有望成為新型霧化噴嘴的未來發(fā)展方向。借助仿真軟件的氣流場分析與金屬三維打印的快速成形，高性能霧化噴嘴的研發(fā)將迎來新的突破。

[1] 戴煜，李禮.金屬基3D打印粉體材料制備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2016（ 6）：23-29.

[2] 曹俊華，饒錫新，林立俊，等.制粉霧化器噴嘴的流場仿真研究[J].機械設(shè)計與制造，2013（ 7）：105-107.

[3] 王建軍.中國霧化制粉技術(shù)現(xiàn)狀簡介[J].粉末冶金工業(yè)，2016，26（ 5）：1-4.

[4] 趙同春，麻洪秋，金成海，等.金屬注射成形用水霧化不銹鋼粉末的制備與應(yīng)用[J].粉末冶金工業(yè)，2013，23（ 3）：26-31.

[5] 張瑩，董毅，張義文，等.等離子旋轉(zhuǎn)電極法所制取的鎳基高溫合金粉末中異常顆粒的研究[J].粉末冶金工業(yè)，2000，10（ 6）：7-13.

[6] 黨新安，劉星輝，趙小娟.金屬超聲霧化技術(shù)的研究進展[J].有色金屬工程，2009，61（ 2）：49-54.

[7] 古忠濤，葉高英，劉川東，等.射頻等離子體球化鈦粉的工藝研究[J].粉末冶金技術(shù)，2010，28（ 2）：120-124.

[8] 歐陽鴻武，陳欣，余文燾，等.氣霧化制粉技術(shù)發(fā)展歷程及展望[J].粉末冶金技術(shù)，2007，25（ 1）：53-58，63.

[9]METZR,MACHADOC，HOUABESM，et al.Nitrogen Spray Atomization of Molten Tin Metal:Powder Morphology Characteristics[J].Journal of Materials Processing Technology，2007，189（ 1-3）：132-137.

[10]SINGH D，DANGWAL S.Effects of Process Parameters on SurfaceMorphology of Metal PowdersProduced by FreeFall Gas Atomization[J].Journal of Materials Science，2006，41（ 12）：3853-3860.

[11]張艷紅，董兵斌.氣霧化法制備3D打印金屬粉末的方法研究[J].機械研究與應(yīng)用，2016，29（ 2）：203-205.

[12]中南大學(xué).用于高效率制備微細金屬及合金粉末的霧化噴嘴：CN101596601[P].2009-12-09.

[13]陳仕奇，黃伯云.金屬粉末氣體霧化制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀與進展[J].粉末冶金技術(shù)， 2004，22（ 5）：297-302.

[14]LAGUTKIN S， ACHELIS L，SHEIKHALIEV S，et al.Atomization Processfor Metal Powder[J].Materials Science andEngineering：A，2004，383（ 1）：1-6.

[15]GRANT N J.Rapid Solidification of Metallic Particulates[J].JOM， 1983，35（ 1）： 20-27.

[16]SCHULZG.Nanoval ProcessOffersFinePowder Benefits[J].Metal Powder Report，1996， 51（ 11） ：30-33.

[17]姚妮娜，彭雄厚.3D打印金屬粉末的制備方法[J].四川有色金屬，2013（ 4）：48-51.

[18]SOBOLEV V V，GUILEMANY J M，MARTIN A J.Powder ParticleStructureFormation duringSolidification in theProcessof Metal Atomization[J].Journal of MaterialsProcessing Technology，1995，54（ 1-4）：249-260.

[19]于朝清，徐永紅，章應(yīng)，等.金屬霧化制粉技術(shù)現(xiàn)狀[J].電工材料，2010（ 2）：9-12.

[20]湖南省冶金材料研究所.一種制備金屬及合金粉末的雙層非限制式霧化噴嘴裝置：CN202367208[P].2011-10-22.

[21]張維濤.雙級耦合霧化法制備合金粉末的研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2013.

[22]朱杰，宗偉，李志，等.水氣聯(lián)合霧化法制備微細球形金屬粉末[J].材料研究與應(yīng)用，2016，10（ 3）：201-204.

[23]代繼義，趙玉剛，周成柱.氣-固兩相流雙層霧化器上層錐角參數(shù)的數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計[J].中國粉體技術(shù)，2016，22（ 1）：15-18.

[24]ALLIMANTA，PLANCHE M P,BAILLY Y，et al.Progressin Gas Atomization of Liquid Metals by Means of A De Laval Nozzle[J].Powder Technology，2009，190（ 1-2）：79-83.

[25]劉福平.環(huán)孔霧化噴嘴設(shè)計參數(shù)的研究[J].粉末冶金工業(yè)，2011，21（ 1）：40-44.

[26]吳涵鋒，樓程華，姚建華，等.激光熔覆專用合金粉末霧化噴嘴的設(shè)計[J].激光與光電子學(xué)進展，2011，48（10）：104-110.

[27]宗偉，羅浩，周晚珠，等.霧化氣體壓力及導(dǎo)流管伸長量對導(dǎo)流管頂端壓力的影響[J].材料研究與應(yīng)用，2016，10（ 2）：111-115.

[28]王華鈺，董鵬，王宇鑫，等.新型霧化噴嘴的試制研究[J].金屬功能材料，2010，17（ 6）：44-48.

[29]ZEOLI N，TABBARA H，GU S.CFD Modeling of Primary Breakup duringMetal Powder Atomization[J].Chemical EngineeringScience，2011，66（ 24）:6498-6504.

[30]司朝潤，王俊彪，張賢杰，等.超音霧化中噴嘴結(jié)構(gòu)對氣體流場與霧化性能的影響[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程，2014，19（ 3）：337-343.

Atomized powder production is the most commonly used preparation technique for metal powder used in 3D printing.Introduced the structural characteristics of various atomizing nozzles and the developing history of atomizing nozzlesfor metal powder used in 3D printing.The design and related technology of the new atomizingnozzlewereanalyzed and thefuturedevelopment wasforecasted.

3D Printing ；Atomized Powder Production ；Nozzle

TH122;TH123.2

B

1672-0555（2017）03-065-06

＊上海電氣集團股份有限公司科技項目（編號：SE16-J39）

2017年4月

樊恩想（1990—），男，碩士，工程師，主要從事金屬增材制造研究工作

（編輯：啟 德）