增材制造用球形鈦合金粉等離子制備技術(shù)及發(fā)展前景分析

供稿|王彥軍，張鑫，張思源，賈坤樂，胡曉蕾 / WANG Yan-jun, ZHANG Xin,ZHANG Si-yuan, JIA Kun-le, HU Xiao-lei

內(nèi)容導(dǎo)讀

近年來金屬材料作為3D打印耗材發(fā)展迅速，特別是鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金等金屬粉末材料大量應(yīng)用于3D打印技術(shù)領(lǐng)域。球形鈦合金粉是增材制造(3D打印)耗材最普遍的一種金屬材料，文章系統(tǒng)介紹了球形鈦合金粉等離子制備方法，包括等離子旋轉(zhuǎn)電極法、等離子火炬霧化法及感應(yīng)等離子球化法，對各種方法的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并對未來增材制造用球形鈦合金粉發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

增材制造技術(shù)(又稱“3D打印” )被譽(yù)為“21世紀(jì)最具潛力的技術(shù)”，在“中國制造2025戰(zhàn)略”中明確提出將增材制造作為未來智能制造的重點(diǎn)技術(shù)加以扶持[1]。而要使增材制造技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用，所用耗材是決定其發(fā)展的關(guān)鍵物質(zhì)基礎(chǔ)[2]。目前，增材制造耗材主要包括：塑料、樹脂、橡膠、陶瓷和金屬等材料[3]，其中金屬材料作為增材制造技術(shù)的耗材近年來發(fā)展速度很快，特別是鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金等金屬粉末材料大量應(yīng)用于增材制造技術(shù)領(lǐng)域[2]。鈦合金具有低密度、高強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性能及高熔點(diǎn)等特點(diǎn)[4]，是增材制造技術(shù)最常用金屬原料之一，在航空、航天、汽車、生物等領(lǐng)域作為結(jié)構(gòu)件廣泛應(yīng)用。通常，增材制造技術(shù)主要工藝包括：激光熔化堆積快速成型(LENS)和選區(qū)激光熔化直接成型(SLM)兩種，SLM技術(shù)適用于精密復(fù)雜小型零件制造，應(yīng)用廣泛，其所使用的鈦合金粉的粒徑為20～50 μm，且要求粉末具有高球形度[2]、純度及流動性。等離子是由中性粒子、陽離子和電子等組成的整體呈電中性的物質(zhì)集合體[5]，常被作為加熱介質(zhì)廣泛應(yīng)用于球形鈦合金粉的制備領(lǐng)域，目前已形成的主要方法包括：等離子旋轉(zhuǎn)電極法、等離子火炬霧化法和感應(yīng)等離子球化法。本文主要對目前等離子制備適合增材制造用球形鈦粉技術(shù)進(jìn)行分析，并對其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

等離子制備球形鈦粉技術(shù)

等離子旋轉(zhuǎn)電極法

等離子旋轉(zhuǎn)電極法(Plasma Rotating Electrode Process，PREP)是制備球形鈦合金粉常用方法之一，其原理主要是以鈦合金棒材作為自耗電極，制粉時讓電極保持高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，等離子作為熱源逐步熔化電極，所產(chǎn)生的液體通過離心力作用甩出后形成細(xì)小液滴，在表面張力作用及惰性氣體保護(hù)的環(huán)境中冷卻固化為球形顆粒[6]。PREP制粉原理示意圖，如圖1所示。

圖 1 等離子旋轉(zhuǎn)電極法制粉示意圖[7]

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電極法(REP)采用鎢電極，在金屬霧化時，鎢電極也會被腐蝕，作為雜質(zhì)成分進(jìn)入粉體中，采用等離子旋轉(zhuǎn)電極法避免了鎢電極產(chǎn)生雜質(zhì)問題，保證了所制備粉末的純度[8]。1998年北京鋼鐵研究院和航天材料及工藝研究所從俄羅斯引進(jìn)PREP設(shè)備，并進(jìn)行了一系列球形鈦粉制備的研究工作[9]。王琪等[10]利用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備出了TC15鈦合金球形粉末。所制備的粉末化學(xué)成分與原來棒材成分近似，顆粒呈規(guī)則的球形，表面光亮圓滑，其粒徑范圍為106～246 μm，細(xì)粉(＜106 μm)所占比例較低。西安寶德粉末冶金公司在國內(nèi)首先開展PREP制備鈦及其他合金粉，其研制的PREP設(shè)備制備的金屬粉體粒徑47～381 μm[8]。采用PREP制備的鈦合金粉球形度好、致密度高且氧含量低，但由于電極轉(zhuǎn)速的限制，制備的粉末適合于選區(qū)激光熔化成型工藝(SLM)要求的細(xì)粉(20～50 μm)產(chǎn)出率較低[11]。

等離子火炬霧化技術(shù)

等離子火炬霧化技術(shù)(Plasma Atomization，PA)是將金屬及其合金以棒坯、絲材、顆?；蛘咭簯B(tài)蒸汽形式，通過特制的進(jìn)料設(shè)備以恒定的送料速度送入爐內(nèi)，并利用在爐體上布置的等離子火炬產(chǎn)生的聚焦等離子射流將物料熔融霧化，然后經(jīng)過冷卻得到球形粉體[12]。通常采用等離子火炬霧化技術(shù)制備鈦及鈦合金粉主要原料為鈦或其合金絲，體系在整個過程中均處于惰性氣氛保護(hù)下，可減少粉末氧化，獲得高純粉體[6]。根據(jù)專利[13]繪制該工藝示意圖，如圖2所示。該技術(shù)采用等離子作為霧化熱源，可使目標(biāo)物料熔融更充分，結(jié)合冷卻速度的合理控制，可得到球形度高、氧含量低及粒度細(xì)的粉末。但由于該技術(shù)以高功率等離子槍為熱源，能源消耗大，會增加球形鈦及鈦合金粉的制備成本[14]。此外，等離子火炬霧化法所得球形粉體粒度分布較寬，使用前必須進(jìn)行粒度分級，且微細(xì)粉體產(chǎn)率較低，產(chǎn)品成本高，限制了大面積推廣應(yīng)用[15]。采用PA法與PREP法制備的粉末性能基本一致，具有顆粒球形度好、粒度分布均勻、氧含量低、純度高、流動性好等特點(diǎn)，細(xì)粉收得率比PREP高2倍以上[12]。

圖 2 等離子火炬霧化法制粉示意圖

等離子球化法

等離子球化法(Plasma Spheroidization)是由位于燈具管外的感應(yīng)線圈產(chǎn)生溫度達(dá)104～105K的高頻感應(yīng)熱等離子體[16]，利用高溫的等離子體熔化不規(guī)則的粉末，粉體表面在高溫下迅速受熱熔化，熔融的顆粒在表面張力作用下形成球形度很高的液滴，并通過快速冷凝固化得到球形顆粒[17]，圖3為等離子球化制粉示意圖。

目前加拿大TEKNA公司開發(fā)的射頻等離子體粉體處理系統(tǒng)處于世界領(lǐng)先地位，該公司已經(jīng)利用射頻等離子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了Ti、W、Mo、Ta、Ni、Cu等金屬粉末的球化處理[9]。Hedger等[18]也利用射頻等離子體球化技術(shù)對Ti粉進(jìn)行了球化處理，處理后粉末的球化率達(dá)到85%。古忠濤等[19-20]采用射頻等離子體球化顆粒形狀不規(guī)則的鈦粉，通過SEM觀察其外觀形貌，粉體顆粒球形度高、表面光滑、流動性好及松裝密度高，且采用該方法可去除顆粒中的裂縫及空隙。但目前該方法仍存在氧含量偏高的問題，降低粉體中的氧含量是等離子球化技術(shù)獲得推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。礦冶科技集團(tuán)有限公司引進(jìn)了TEKNA公司的感應(yīng)等離子設(shè)備，并開展了球形鈦合金粉球化制備工藝研究，所制備的球形鈦合金粉微觀形貌如圖4所示，顆粒球形度高、表面光潔、粒徑為20～50 μm，流動性為38 s/50 g，可滿足增材制造SLM工藝的需求。

圖 3 等離子球化制粉示意圖

圖 4 鈦合金粉原料及球化后的鈦合金粉SEM圖

未來發(fā)展前景分析

(1)近年來，增材制造被認(rèn)為是智能制造領(lǐng)域最前沿和最具潛力的技術(shù)發(fā)展方向之一，而作為打印耗材的金屬材料必然與增材制造發(fā)展同步進(jìn)行，根據(jù)咨詢公司SmarTech預(yù)測，到2024年全球用于金屬粉末增材制造的市場規(guī)模將達(dá)到110億美金。而鈦合金因具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性、耐腐蝕、低密度和生物相容性等特點(diǎn)，將在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，市場需求前景非常廣闊。

(2)等離子技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展為鈦合金粉的制備提供技術(shù)支持，等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝受電極轉(zhuǎn)速等因素的限制，得到的粉體粒度較粗，適合SLM工藝用鈦合金粉成品率低；等離子火炬霧化工藝是獲取球形鈦及鈦合金粉的主要方式，但該方法生產(chǎn)小于50 μm細(xì)粉產(chǎn)率仍然偏低，且由于專利保護(hù)及技術(shù)封鎖等原因?qū)е缕鋬r格昂貴，短期內(nèi)難以大范圍推廣應(yīng)用。感應(yīng)等離子球化技術(shù)具有原料來源廣、生產(chǎn)工藝簡單、粉末粒度可控、球形率高等特點(diǎn)，而針對該方法氧化程度高的問題，可通過控制設(shè)備的密封性和加強(qiáng)惰性氣體保護(hù)的控制，減少粉體的氧化。但目前國內(nèi)感應(yīng)等離子球化設(shè)備多采用國外進(jìn)口，其核心技術(shù)尚不能完全掌握，因此，開發(fā)國產(chǎn)等離子球化設(shè)備也是推動球形鈦合金粉及其他金屬粉末在國內(nèi)增材制造領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。