緊耦合氣霧化參數(shù)對(duì)3D打印用金屬粉末性能的影響

李 響，曾克里?，何鵬江，羅 浩，朱 杰，宋信強(qiáng)

廣東省科學(xué)院材料與加工研究所，廣州 516050

?通信作者, E-mail: 13928867032@139.com

3D打印是將設(shè)計(jì)好的物體轉(zhuǎn)化為三維設(shè)計(jì)圖，采用分層加工、迭加成形的方式逐層增加材料來(lái)打印真實(shí)物體。3D打印技術(shù)的核心是打印材料，目前3D打印無(wú)法取代傳統(tǒng)制造技術(shù)的主要原因就是沒(méi)有開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)越、成本合適的打印材料[1]。近年來(lái)，國(guó)外3D打印金屬粉末發(fā)展迅速，3D打印金屬粉末材料的市場(chǎng)主要被國(guó)外產(chǎn)品所占據(jù)，如英國(guó)LPW科技有限公司、英國(guó)Sandvik Osprey公司、德國(guó)TLS公司等[2]。金屬3D打印機(jī)供應(yīng)商主要是來(lái)自德國(guó)的EOS、SLM SULOTIONS、ConceptLASER，瑞典的Arcam和英國(guó)的Renishaw等公司，他們借助專業(yè)粉末生產(chǎn)商的平臺(tái)研制開(kāi)發(fā)金屬粉末。國(guó)內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)3D打印專用金屬粉末自主生產(chǎn)的企業(yè)屈指可數(shù)，市場(chǎng)上的金屬粉末依然主要用于粉末冶金制品加工，與3D打印的技術(shù)要求尚有距離。除此之外，國(guó)內(nèi)尚無(wú)一套完整的3D打印用金屬粉末及打印后工件的性能評(píng)價(jià)規(guī)范。因此，研制高性能且價(jià)格合理的3D打印用金屬粉末，對(duì)于國(guó)內(nèi)3D打印企業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。隨著粉末冶金工藝的不斷發(fā)展，Inconel 625合金從傳統(tǒng)的變形高溫合金逐漸被開(kāi)發(fā)成為粉末高溫合金材料，因此采用激光選區(qū)熔化（selective laser melting，SLM）成形技術(shù)制備形狀復(fù)雜、性能優(yōu)異的Inconel 625合金零件具有較大的發(fā)展?jié)摿脱芯績(jī)r(jià)值。

目前，激光選區(qū)熔化成形技術(shù)制備Inconel 625合金的研究集中在激光成形工藝及后續(xù)熱處理對(duì)成形制品的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的影響方面，對(duì)用于激光選區(qū)熔化制備Inconel 625合金粉末的性能研究較少，本文立足這一背景，對(duì)此展開(kāi)相關(guān)研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

選用Inconel 625合金作為試驗(yàn)材料，其化學(xué)成分列于表1。原材料采用99.99%高純單質(zhì)棒料和塊料，加入真空感應(yīng)爐中熔煉為鋼液，在緊耦合霧化設(shè)備（通入99.999%高純氬氣）制備出Inconel 625合金粉末，該設(shè)備噴嘴是自行研發(fā)的超音速拉瓦爾（Laval）噴嘴。在真空密閉條件下對(duì)原材料進(jìn)行熔煉，待金屬熔體溫度達(dá)到1600 ℃時(shí)，將金屬液倒至導(dǎo)流管開(kāi)始霧化；霧化粉末在集粉罐中冷卻后，經(jīng)機(jī)械振動(dòng)篩分出15～53 μm粒度段的粉末。

表 1 Inconel 625合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of Inconel 625 alloys %

采用英國(guó)馬爾文公司Mastersizer 3000激光粒度分析儀分析Inconel 625合金粉末的粒度，利用日本電子JXA-8100型掃描電子顯微鏡表征合金粉末的微觀形貌，使用鋼研納克檢測(cè)技術(shù)有限公司的ONH-3000型氧氮分析儀分析合金粉末的氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉末的粒度尺寸分布特征

雖然粉末粒度尺寸分布（particle size distribution，PSD）是一個(gè)取決于其使用環(huán)境的術(shù)語(yǔ)，但粒度尺寸分布是一種屬性，它由大塊固體中的單個(gè)顆粒的尺寸明確定義，不依賴于任何其他外部參數(shù)。寬的粒度尺寸分布偏向于細(xì)顆粒，即多模態(tài)粒度尺寸分布，導(dǎo)致了更高的層密度[3]。此外，許多學(xué)者研究表明，粒度尺寸分布對(duì)最終零件質(zhì)量（由選區(qū)激光熔化（selective laser melting，SLM）、激光粉末床熔覆（laser powder bed cladding，LPBF）或電子束熔化（electron beam melting，EBM）生產(chǎn)）有影響[4?8]。

用50目標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼篩網(wǎng)篩分去除Inconel 625高溫合金粉末中的大顆粒、大塊，然后進(jìn)行粒度測(cè)試。圖1為高純氬氣霧化Inconel 625合金粉末的粒度尺寸分布，其中導(dǎo)液管內(nèi)徑4.5 mm。由圖可知，利用自主設(shè)計(jì)的緊耦合霧化設(shè)備制得的Inconel 625高溫合金粉末粒度分布范圍較廣，其中粒徑小于53 μm的粉末收得率可達(dá)到50%以上，無(wú)特別細(xì)小的粉末顆粒，能夠完全滿足各種3D打印設(shè)備對(duì)粉末粒度的要求。

圖 1 氬氣霧化Inconel 625合金粉末粒度分布Fig.1 Particle size distribution of the argon atomized Inconel 625 superalloy powders

2.2 導(dǎo)液管內(nèi)徑對(duì)粉末收得率及形貌的影響

在保持其它霧化參數(shù)和篩分工藝相同的條件下，分別使用內(nèi)徑為3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5和6.0 mm的導(dǎo)液管進(jìn)行霧化試驗(yàn)，圖2為不同導(dǎo)液管內(nèi)徑下的粉末收得率，即15～53 μm目標(biāo)粒度段粉末的收得率。如圖所示，粉末收得率隨導(dǎo)液管內(nèi)徑增大而逐漸降低，因?yàn)閷?dǎo)液管內(nèi)徑越大，單位時(shí)間進(jìn)入霧化區(qū)域的熔液體積流量越大，但是單位時(shí)間內(nèi)流出的霧化氣體量是一定的，即破碎能量一定，轉(zhuǎn)化為粉末的表面能也是一定的，所以單位體積溶液所受到的高壓氣體沖擊力會(huì)明顯減少，熔液未得到充分破碎，從而在一定程度上增加了粉末顆粒的平均尺寸，進(jìn)而降低了目標(biāo)段粉末的收得率。如果導(dǎo)液管漏嘴內(nèi)徑尺寸過(guò)小，熔體在漏嘴里的溫度會(huì)明顯降低，導(dǎo)致熔體黏度增加，在霧化過(guò)程中非常容易凝固堵包。導(dǎo)液管漏嘴內(nèi)徑在4.5 mm以下時(shí)，會(huì)頻繁發(fā)生堵包，從而導(dǎo)致霧化失敗，所以暫不考慮漏嘴內(nèi)徑4.5 mm以下的導(dǎo)液管。因此，本研究的最佳漏嘴內(nèi)徑為4.5 mm。

圖 2 不同導(dǎo)液管內(nèi)徑下的粉末收得率Fig.2 Yield of the metal powders in the different inner diameter of delivery tubes

圖3為導(dǎo)液管內(nèi)徑不同時(shí)所制備出的粉末形貌圖。如圖所示，粉末顆粒為近球形，球形度較好，粉末中的衛(wèi)星顆粒較少，表現(xiàn)出真空感應(yīng)氣霧化粉末的典型微觀結(jié)構(gòu)特征。氣體霧化制備球形或者圓滑顆粒需要經(jīng)歷三個(gè)階段：最初顆粒的形成，即由熔融金屬形成原始的液滴→原始液滴破碎成顆粒，被稱之為二次顆粒形成→顆粒與其它顆粒聚合。

圖 3 不同導(dǎo)液管內(nèi)徑下粉末形貌：（a）3.0 mm；（b）5.5 mmFig.3 Powder morphology in the different inner diameter of delivery tubes: (a) 3.0 mm; (b) 5.5 mm

粉末顆粒形貌對(duì)粉體特性產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)加工性能和最終零件質(zhì)量產(chǎn)生影響是復(fù)雜的。對(duì)光滑的粗顆粒來(lái)說(shuō)，球形粗顆粒的流動(dòng)性比粗糙、鋒利的非球形顆粒要好；對(duì)細(xì)顆粒來(lái)說(shuō)，顆粒間粘合力較大，粗顆粒可能表現(xiàn)出更為良好的流動(dòng)特性。Spierings等[9]發(fā)現(xiàn)橢圓度對(duì)霧化鐵鎳粉流動(dòng)性能有影響，橢圓度的增加改善了顆粒的一般流動(dòng)性。

從圖3可見(jiàn)，隨導(dǎo)液管內(nèi)徑的增大，粉末顆粒相互粘結(jié)程度增加，大顆粒球狀粉末形成“衛(wèi)星球”的趨勢(shì)增加。冷卻時(shí)，部分小液滴因沒(méi)有完全冷卻凝固就和大液滴相互碰撞、粘結(jié)合并，形成“衛(wèi)星球”，妨礙了顆粒的相互移動(dòng)，增大了粉末粒徑，也導(dǎo)致粉末收得率降低和整體流動(dòng)性較差。3D打印成形要求金屬粉末具有一定的流動(dòng)性，粉末中的衛(wèi)星球會(huì)影響鋪粉的流動(dòng)性，顆粒間衛(wèi)星球越嚴(yán)重，粉末的流動(dòng)性越低。不同導(dǎo)液管內(nèi)徑下粉末流動(dòng)性如表2所示。3D打印成形對(duì)粉末顆粒中的衛(wèi)星球有一定的要求，以保證粉末具有一定的流動(dòng)性，如果粉末流動(dòng)性較差，鋪粉時(shí)會(huì)造成粉末層局部不均勻，粉末堆積密度下降，得到的成形制品組織不均勻，相對(duì)密度降低。由表2可知，所制粉末的衛(wèi)星球相對(duì)較少，能夠滿足3D打印成形的要求。

2.3 導(dǎo)液管內(nèi)徑對(duì)粉末氧含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的影響

如圖4所示，不同導(dǎo)液管內(nèi)徑下得到的粉末在含氧量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）上有很大的差異。不同導(dǎo)液管內(nèi)徑下得到的粉末粒度大小不同，粉末粒度越小，相對(duì)表面積越大，對(duì)氧的吸附能力將越強(qiáng)，從而導(dǎo)致粉末含氧量上出現(xiàn)較大的差異。由于氧的污染，

表 2 不同導(dǎo)液管內(nèi)徑下Inconel 625合金粉末的流動(dòng)性Table 2 Flowability of the Inconel 625 alloy powders in the different inner diameter of delivery tubes

在顆粒表面會(huì)形成氧化物，增加顆粒之間的相對(duì)摩擦系數(shù)。金屬氧化物密度比金屬的低，氧化物在粉末顆粒表面的存在降低了顆粒比重。隨著含氧量的增加，粉末的流動(dòng)性會(huì)減小[10?11]，這與表2的結(jié)果完全相符。較寬的粉末顆粒分布有助于提高振實(shí)密度；另一方面，與粗顆粒相比，細(xì)小粉末的表面積與體積之比較大，因此減少細(xì)小顆粒的含量有助于將粉末的氧含量降至最低。

圖 4 不同導(dǎo)液管內(nèi)徑下的粉末氧含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Fig.4 Oxygen content (mass fraction) of the Inconel 625 alloy powders in the different inner diameter of delivery tubes

在真空感應(yīng)熔煉加惰性氣體霧化成粉末的過(guò)程中，粉末顆粒的表面積與體積比增加，所以粉末往往具有較高氧含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），通常超過(guò)100×10-6[12?17]。值得注意的是，預(yù)合金粉末的高氧含量會(huì)導(dǎo)致固結(jié)材料中原始顆粒邊界的形成，影響合金力學(xué)性能。

3 結(jié)論

（1）利用自主設(shè)計(jì)研發(fā)的緊耦合霧化制粉裝置，通過(guò)真空感應(yīng)熔煉氣霧化工藝制備出的3D打印用Inconel 625合金粉末得粉率較高，粉末粒度分布范圍較廣，其中粒徑小于53 μm的粉末收得率可達(dá)到50%以上，無(wú)特別細(xì)小的粉末顆粒，完全能夠滿足各種3D打印設(shè)備對(duì)粉末粒度的要求。

（2）粉末收得率隨導(dǎo)液管內(nèi)徑的增大而逐漸降低，導(dǎo)液管漏嘴內(nèi)徑在4.5 mm以下時(shí)，會(huì)頻繁發(fā)生堵包，從而導(dǎo)致霧化失敗，本研究的最佳漏嘴內(nèi)徑為4.5 mm。

（3）粉末顯微形貌顯示顆粒為近球形，球形度較好，粉末中的衛(wèi)星顆粒較少，表現(xiàn)出真空氣霧化粉末的典型微觀結(jié)構(gòu)特征。

（4）隨導(dǎo)液管內(nèi)徑的增大，粉末中的含氧量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）逐漸降低；隨著含氧量的降低，粉末的流動(dòng)性能更好；減少細(xì)小顆粒的含量有助于將粉末的氧含量降至最低。