激光沖擊-離心復合霧化制備錫銅粉末的特征*

趙興科，邢德勝，趙增磊

（1.北京科技大學順德研究生院，佛山528399；2. 北京科技大學材料科學與工程學院，北京100083）

球形金屬粉末具有良好的流動性和松裝密度，廣泛用于粉末冶金、熱噴涂、金屬增材制造等領域。近年來，隨著金屬增材制造技術的快速發(fā)展，對球形金屬粉末品質和品種的需求日益增大。球形金屬粉末主流的制粉方法是熔體霧化法，包括氣霧化[1]、水霧化[2]、超聲霧化[3]和離心霧化[4]等。氣霧化方法生產效率高、粉末純度較高，但惰性氣體消耗大，使用高壓氣體也存在一定安全隱患；水霧化方法成本較低，不適合制備活潑金屬或合金粉末；超聲霧化方法和離心霧化方法不適用于制備高熔點的金屬粉末；旋轉電極法是一種改進的離心霧化方法[5]，可以制備高熔點金屬粉末，但電機轉速高、同時存在鎢污染粉末；激光離心霧化方法采用激光加熱，可以避免鎢極燒損污染粉末的問題，但仍然需要高速電機驅動以產生足夠的離心力[6]。激光作為一種高效加熱熱源，方便與其他霧化技術結合，例如超聲輔助激光霧化制粉方法[7]。此外，激光具有高能量密度的特性，可以瞬間汽化金屬而造成金屬液體飛濺，飛濺出的液滴冷凝后成為金屬顆粒。激光霧化制粉的基本原理是高能脈沖激光對材料表面的燒蝕作用（Laser ablation）[8]。通過激光燒蝕制造納米粒子的注量范圍為1～100J/cm2，脈沖持續(xù)時間從數十納秒到飛秒范圍，使金屬材料發(fā)生劇烈蒸發(fā)沸騰和爆炸沸騰，產生顆粒度為亞微米或/和納米的金屬粉末[9]。以往的研究大多集中在如何利用激光霧化制備細小金屬粉末，采取在液相中激光燒蝕[10]、引入電場[11]等手段以抑制大顆粒金屬粉末的形成。有關增材制造用金屬粉末的激光霧化制備的研究相對缺乏。本文嘗試了高能密度脈沖制備金屬粉末的工藝試驗，系統研究了工藝參數對粉末性能的影響，并探討粉末形成的機制。

試驗方法

試驗材料為厚度5mm的Cu–9Sn青銅板材，加工成直徑20mm圓片試樣，在圓片試樣中心鉆直徑為6.5mm的孔。通過該中心孔將試樣安裝在制粉裝置中的電機轉軸上。

制粉裝置如圖1所示，主要由高能密度激光、電機和霧化室等組成。激光束由光纖激光打標機（山東省聊城市繪天激光設備有限公司）提供。最大平均功率30W，激光波長1064nm，單脈沖能量0.8～1.0mJ，脈沖寬度80～140ns，峰值功率范圍為5.7～12.5kW。

圖1 激光制粉裝置示意圖Fig.1 Schematic of laser device for powder fabrication

制粉試驗工藝參數包括激光參數（功率、脈沖頻率、光斑直徑）和離心力參數（旋轉速度、激光作用半徑）。各工藝參數的取值范圍分別為：激光功率選取總功率（30W）的60%～100%，激光頻率選取4～20kHz，光斑直徑選取0.05～0.45mm，旋轉半徑即試樣表面激光斑點距離安裝軸心的距離，旋轉半徑選取7～15mm，旋轉速度選取800～1600r/min，如表1所示。采用單因素試驗方法，基本工藝參數為各工藝參數的中值，即：激光功率24W，激光頻率12Hz，光斑直徑0.25mm，旋轉半徑11mm，旋轉速度1200r/min。

表1 試驗工藝參數取值范圍Table 1 Value range of test process parameters

采用掃描電鏡觀察金屬粉末的形貌特征。采用ImageJ軟件分析掃描電鏡圖片，測量金屬粉末的粒徑，做出金屬粉末的粒徑分布圖，并計算其粒徑均值和標準差。

結果與討論

1 金屬粉末的形貌

圖2～6為不同參數下制備的合金粉末的SEM形貌。不同激光功率參數下制備金屬粉末的SEM形貌見圖2。在試驗研究的參數范圍內，金屬粉末均為良好的球形，存在少量水滴形（圖2中標注A）或卵形（圖2中標注B）的金屬粉末顆粒。此外，還存在金屬粉末團聚現象（圖2中標注C，標注字母A、B和C在后文各圖中的含義相同）。團聚現象通常發(fā)生在細小粉末顆粒之間或者細小顆粒黏附在稍大的顆粒表面。所有金屬粉末顆粒均呈現出光滑外表。激光功率從18W增加到30W，金屬粉末顆粒直徑在1～20μm。激光功率為21W時金屬粉末的顆粒較為均勻。

圖2 不同激光功率參數下制備金屬粉末的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of metal powder prepared under different laser power parameters

不同光斑直徑參數下金屬粉末的掃描電鏡照片如圖3所示。在試驗研究的參數范圍內，金屬粉末均為良好的球形，表面光滑。在光斑直徑小的情況下，易得到細小金屬粉末顆粒，使得金屬粉末的總體平均尺寸較小。隨著光斑直徑的增加，出現一些較大尺寸的粉末顆粒，粒徑分布增大。同樣地，細小金屬粉末易發(fā)生團聚現象，而較大直徑的粉末顆粒球形度會變差。

圖3 不同光斑直徑條件下的金屬粉末SEM形貌Fig.3 SEM morphology of metal powder under different spot diameter conditions

圖4為不同激光頻率下制備的金屬粉末的掃描電鏡照片。在試驗研究的參數范圍內，金屬粉末顆粒均為良好的球形，并且表面光滑。激光頻率對粉末顆粒的形態(tài)無明顯影響。在8kHz激光頻率下出現一些大粒徑的粉末顆粒。隨著激光頻率增大，粉末顆粒粘連和衛(wèi)星粉末顆粒出現概率增大。

圖4 不同光頻率條件下金屬粉末SEM形貌Fig.4 SEM morphology of metal powder under different light frequency conditions

圖5為不同旋轉半徑參數下金屬粉末的掃描電鏡照片。在試驗研究的參數范圍內，金屬粉末的均為良好的球形，表面光滑。隨著旋轉半徑增加，金屬粉末的顆粒有增大趨勢，出現了一些尺寸較大的顆粒。

圖5 不同旋轉半徑條件下金屬粉末的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of metal powders under different rotation radius conditions

圖6為不同旋轉速度參數下金屬粉末的掃描電鏡照片。在試驗研究的參數范圍內，金屬粉末均為良好的球形，表面光滑。隨著旋轉速度提高，金屬粉末的粒徑略有減小趨勢。

圖6 不同旋轉速度條件下金屬粉末SEM形貌Fig.6 SEM morphology of metal powder under different rotation speed conditions

2 金屬粉末的尺寸

2.1 粉末粒徑

粒徑是金屬粉末的重要性質，一定程度上決定了粉末的應用場景和應用范圍。為了定性地研究不同工藝參數對金屬粉末的影響，將每一個工藝參數值用工藝強度參量表示。工藝強度參量1表示該工藝參數范圍的最低值，5則代表該工藝參數范圍的最高值。

不同工藝強度參量對金屬粉末的平均粒徑有著不同的影響。圖7為金屬粉末的平均粒徑隨工藝強度參量的變化關系?？梢钥闯?，在研究的試驗參數下，金屬粉末的平均粒徑分布區(qū)間為4.6～6.3μm。隨著工藝強度的提高，金屬粉末的粒徑略呈增大趨勢。激光光斑直徑和旋轉半徑對金屬粉末平均粒徑的影響較為明顯，而其他3個工藝參數，即激光功率、激光頻率和旋轉速度，則對金屬粉末的平均粒徑無明顯影響。增大光斑直徑和旋轉半徑、減小激光功率有利于獲得大金屬粒徑粉末。

圖7 金屬粉末的平均粒徑隨工藝強度參量的變化Fig.7 Average particle size of metal powder vs. process strength factors

2.2 粒徑分布

圖8給出了金屬粉末粒徑的標準差隨工藝強度參量的變化關系。可以發(fā)現，金屬粉末粒徑的標準差集中在2～3μm。本研究中5個工藝參數對金屬粉末粒徑分布的影響都不明顯。相對而言，激光功率和光斑直徑對金屬粉末的標準差影響略大于另外3個工藝參數。金屬粉末粒徑分布的標準差隨激光功率增大和激光光斑尺寸減小而減小。兩者的影響規(guī)律可以合并歸結為激光能量密度對金屬粉末粒徑分布的影響，即隨激光能量密度增大（增大激光功率、減小激光光斑直徑），金屬粉末粒徑方差減小。換言之，使用較大的功率密度有利于獲得粒徑分布較窄的金屬粉末。

圖8 金屬粉末粒徑的標準差隨工藝強度參量的變化Fig.8 Standard deviation of metal powder particle size vs. process strength factors

3 激光霧化粉末的成形機理

試驗激光為納秒脈沖激光，單脈沖能量密度高達1.28×108W/cm2。足以在極短的時間內將金屬加熱至沸點以上，從而使金屬液體發(fā)生氣體膨脹飛濺，并在金屬試樣表面形成激光沖擊坑。激光沖擊坑內的一些氣態(tài)金屬還會進一步發(fā)生熱電離，形成高溫、高壓、背離材料向外噴射的稠密等離子體羽（圖9），從而誘發(fā)一個高壓沖擊波使坑內的液體金屬向外噴射而產生金屬液滴。

圖9 激光作用在金屬表面產生的等離子羽Fig.9 Plasma plume generated by laser ablation on metal surface

Phipps等[12]提出了較為經典的壓力負荷解析表達式：

其中，P為等離子體沖擊波對金屬熔池表面的壓強，108Pa；b為與材料有關的常數，其值一般為5.6到6.5；Ia為激光的功率密度，GW/cm2；λ為激光的波長，μm；τ為激光的脈沖寬度，ns。經計算可得本研究試驗參數條件下等離子體對激光熔池的壓強約為1.4×107Pa。這種高壓等離子流對液體金屬有很大的破碎作用，是形成細小顆粒的主要原因。這也說明了在本研究的試驗參數下，所有金屬粉末都是由細小顆粒組成。

在一些試驗參數下出現的少量較大尺寸的粉末顆粒，主要來自于離心力甩出的金屬液滴，如圖10所示。熔池液體金屬越多，離心半徑越大，則獲得大直徑金屬顆粒的概率越高。這可以解釋上述試驗結果，即對金屬粉末平均粒徑影響較大的兩個因素分別是旋轉半徑和光斑直徑，金屬粉末的平均顆粒直徑隨旋轉半徑和光斑直徑的增大而增大。

圖10 激光沖擊–離心復合作用下的試樣表面形貌Fig.10 Surface morphology of sample under the combined action of laser shock and centrifugation

結合本節(jié)關于“金屬粉末的形貌”的試驗結果，對粉末平均粒徑影響明顯的兩個因素是旋轉半徑和光斑直徑。隨著旋轉半徑和光斑直徑的增大，金屬粉末的平均粒徑呈現一個明顯增大的趨勢。隨著旋轉半徑的增大，單脈沖激光熔化金屬液體量不變的情況下，液體甩出量可以發(fā)生明顯的增加，有利于提高金屬粉末的平均粒徑。激光脈沖能量密度高，可以使基板迅速發(fā)生熔化，但是脈沖寬度僅為80～140ns，作用時間短，同時基板的導熱率一定，很難產生一個大的熔深，此時熔池的面積將會是影響熔體量的重要因素。光斑直徑的增加可以迅速增大熔池的面積，提高金屬熔體的量，最終使得金屬粉末的平均粒徑明顯增大。

結合本節(jié)關于“金屬粉末的尺寸”的試驗結果，金屬粉末粒徑分布的標準差隨激光功率增大和激光光斑尺寸減小而減小。隨著激光功率增大、激光光斑直徑減小，激光能量密度增大，高壓等離子流對液體金屬的破碎作用機制加強，產生更多均勻的細小顆粒，從而抑制了較大尺寸金屬液滴的出現，降低了金屬粉末粒徑的分散程度，粉末粒徑分布的標準差降低。反之，隨著激光能量密度減小（減小激光功率，增大光斑直徑），高壓等離子流對液體金屬的破碎作用機制削弱，增大了出現大液滴的概率，從而使粉末粒徑更加分散，標準差增大。

結論

采用自制的高能密度激光沖擊–離心霧化制粉裝置，制備了Cu–9Sn青銅合金粉末。研究了激光參數（功率、脈沖頻率、光斑直徑）和離心力參數（旋轉速度、激光作用半徑）對粉末形貌和尺寸的影響，得到主要結論如下。

（1）在試驗參數下，所有金屬粉末均具有良好的球形度，粒徑主要分布在1～20μm之間，表面光滑。

（2）在試驗參數下，對金屬粉末平均粒徑影響較大的兩個因素分別是旋轉半徑和光斑直徑。金屬粉末的平均顆粒直徑隨旋轉半徑和光斑直徑的增大而增大。

（3）粉末的形成受微觀機制的影響有兩個，一是高能密度激光在液體熔池表面產生的等離子體沖擊力，二是試樣旋轉產生的離心力。前者產生粒度較小的粉末顆粒，后者產生粒度較大的顆粒。

（4）使用較大的能量密度有利于獲得粒徑分布較窄的金屬粉末。