霧化法制備高性能鈦合金粉末工藝研究進(jìn)展

胡浩群 倪沛 楊彥 皮志超

蕪湖創(chuàng)聯(lián)新材料科技有限公司 安徽 蕪湖 241199

引言

鈦合金因具有良好的熱塑性和可焊性，成為激光增材制造重要原材料[1-4]。根據(jù)激光增材制造工藝過程，其原材料必須為粉末形態(tài)，且粉末粒度需要小于45μm[5]。此外，由于激光增材制造制件將保留原材料中的雜質(zhì)元素（常見的雜質(zhì)元素有氮、氧、氫等非金屬元素），雜質(zhì)含量對激光增材制造制件的力學(xué)性能有不利影響[6]，因此原材料的雜質(zhì)含量應(yīng)較低。在實(shí)際操作過程中，非球形的粉末存在流動性差、利用率低的問題，易造成堵塞現(xiàn)象，同時(shí)還影響制件性能[7]，所以激光增材制造原材料鈦合金粉末還需具有較高的球形度。

優(yōu)質(zhì)鈦合金粉末是獲得高性能激光增材制造制件的基礎(chǔ)，因而鈦合金粉末制備工藝尤為重要[8-10]。當(dāng)前鈦合金粉末制備工藝主要有霧化法、氫化脫氫法和金屬熱還原法，其中氫化脫氫法和金屬熱還原法制備的鈦合金粉末存在粉末形狀不規(guī)律、雜質(zhì)含量高等問題，不適用于激光增材制造。霧化法因其制備的鈦合金粉末具有粒度可控、球形度高、雜質(zhì)含量低等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前主流的激光增材制造用鈦合金粉末制備方法[11-12]。

霧化法是通過物理方法將熔融鈦液分散成金屬小液滴，在自身表面張力的作用下，金屬小液滴逐漸球形化，冷卻凝固后形成金屬粉末[13]。霧化法按照鈦合金霧化的能量來源可分為氣霧化法、等離子霧化法和離心霧化法。

1 氣霧化法

氣霧化是利用高速氣流的動能來霧化鈦合金，通過高速氣流沖擊熔融鈦合金，使熔融鈦合金破碎并分散成細(xì)小的鈦合金小液滴，冷凝后形成鈦合金粉末[14]。氣霧化法的工藝核心是霧化噴嘴，其決定制粉效率、影響制粉性能。霧化噴嘴按照結(jié)構(gòu)形式分為自由降落式噴嘴和限制型噴嘴兩類，如圖1所示[15]。自由降落式噴嘴存在霧化效率低、耗能高的問題，導(dǎo)致細(xì)粉收得率低，細(xì)粉制備成本高，不能滿足經(jīng)濟(jì)性要求。限制型噴嘴是對自由降落式噴嘴進(jìn)行優(yōu)化改良得到，提高了霧化效率和粉末性能[16-18]，但生產(chǎn)過程更易發(fā)生粉末堵塞。

圖1 自由落體式和限制型噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖[15]

氣霧化法制備的鈦合金粉末具有球形度高、雜質(zhì)含量低的特點(diǎn)，粉末粒徑分布在0～500μm之間，分布范圍較寬，0～45μm細(xì)粉末比例約為35%[19]。氣體沖擊霧化導(dǎo)致氣霧化法相比其他霧化工藝空心粉（熔融鈦合金金屬液滴包裹沖擊氣體冷凝后形成的中空粉末）和衛(wèi)星粉（粉末粒度不同的兩個(gè)或多個(gè)粉末凝固在一起形成的衛(wèi)星狀粉末）的問題較重，從而在霧化工藝制備的鈦合金粉末中該工藝制備的鈦合金粉末的雜質(zhì)含量、球形度略差。常見的氣霧化法包括惰性氣體霧化法和電極感應(yīng)熔化氣霧化法。

惰性氣體霧化法是在惰性氣體氛圍保護(hù)下進(jìn)行，在經(jīng)過預(yù)處理的坩堝內(nèi)電弧加熱熔化鈦合金，熔融鈦合金通過導(dǎo)流管形成穩(wěn)定的液流從噴嘴中霧化噴出，冷凝后得到鈦合金粉末[20-21]。劉辛等人[22]通過該工藝制備出中值粒度為62.23μmTiAl3鈦合金粉末，粉末中球形和近球形粉末比例高，球形度好。劉學(xué)暉[23]等通過該工藝制備了低氧含量、高收得率的TC4鈦合金粉末。

圖2 惰性氣體霧化示意圖[12]

電極感應(yīng)熔化氣霧化法采用電極感應(yīng)線圈加熱熔化合金棒材，再利用高速惰性氣體霧化粉碎鈦液制備鈦合金粉末[24]。該工藝具備了惰性氣體霧化法的優(yōu)點(diǎn)，制備的粉末球形度高及表觀質(zhì)量好，同時(shí)，由接觸式的坩堝電弧熔煉改為非接觸式的電極感應(yīng)熔煉，進(jìn)一步減少了雜質(zhì)引入的風(fēng)險(xiǎn)[25]。但電極感應(yīng)熔煉也存在局限性，由于熔化產(chǎn)生的鈦液液滴不穩(wěn)定，造成限制型霧化噴嘴難以使用，限制了噴嘴的選擇，從而影響了細(xì)粉收得率。

該工藝目前是激光增材制造球形鈦合金粉末的主要制備方式[27-28]。郭快快[29]等使用電極感應(yīng)熔化氣霧化法制備研究TC4合金粉末后發(fā)現(xiàn)，粉末形貌和粉末粒度受功率影響較大，低熔煉功率時(shí)，細(xì)粉比例低，且出現(xiàn)一定比例的棒形和啞鈴狀粉末顆粒，當(dāng)功率增大，細(xì)粉比例明顯增大，不規(guī)則形狀的粉末顆粒逐漸消失。陸亮亮等[30]提出高頻感應(yīng)熔化金屬絲氣體霧化技術(shù)，通過優(yōu)化霧化氣體壓力、熔體溫度和送絲速度，制備出平均粒徑為41.8μm的鈦合金粉末。黃傳收等[31]通過對噴嘴的樣式、霧化壓力和熔煉功率進(jìn)行研究調(diào)整，制備出球形度高、衛(wèi)星粉少的TC4鈦合金粉末。

圖3 電極感應(yīng)熔化氣霧化法示意圖[26]

2 等離子霧化法

等離子旋轉(zhuǎn)電極法是將鈦合金制成自耗電極置于高速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸上，在真空或者惰性氣體保護(hù)下，通過等離子體加熱熔化其端面形成金屬液膜，利用電極旋轉(zhuǎn)離心霧化形成鈦合金小液滴，液滴在飛行過程中冷凝形成鈦合金粉末[32]。等離子熱源相比感應(yīng)加熱或電弧加熱擁有更高的溫度，不僅有利于雜質(zhì)的控制，還讓鈦合金小液滴球化更加充分，制備的鈦合金粉末球形度更好。但該工藝當(dāng)前還存在需要優(yōu)化之處，其制備的鈦合金粉末的粉末粒度偏大，細(xì)粉收得率低，從而讓該工藝在高端性能鈦合金粉末制備領(lǐng)域無法推廣使用[33-34]。王琪[35]等采用該工藝制備出了球形度高、表面光亮圓滑的TC15鈦合金球形粉末，粉末粒度在106～246μm之間，細(xì)粉比例小。

圖4 等離子旋轉(zhuǎn)電極法示意圖[36]

等離子火炬霧化法是一種利用等離子熱源霧化金屬液滴制備球形粉末的方法，借助高溫的等離子體火炬加熱鈦絲，熔化、蒸發(fā)成鈦金屬蒸汽，在沉積過程中與冷卻用的惰性氣體發(fā)生熱交換，凝固得到近球形粉末[37]。該工藝原材料鈦合金熔化、汽化過程同時(shí)進(jìn)行，提高了霧化效率。等離子熱源的高溫特性讓粉末球形度提高。劉暢[38]等利用自主研發(fā)超音速等離子霧化工藝得到可應(yīng)用于醫(yī)療、航空領(lǐng)域的鈦合金粉末，粉末粒度集中于50～61μm，粉末圓潤，鈦合金粉末純度高。

圖5 等離子火炬霧化工藝示意圖[5]

3 離心霧化法

離心霧化法是通過在惰性氣體氛圍中將熔融鈦合金離心甩出，粉碎成液滴，冷卻凝固得到球形粉末。離心霧化法制備的鈦合金粉末的粉末粒度與離心轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，轉(zhuǎn)速越高制備的鈦合金粒度越細(xì)。由于現(xiàn)階段工藝設(shè)備局限性，該工藝無法獲得理想的轉(zhuǎn)速，同時(shí)設(shè)備還易污染粉末，使得制備的鈦合金粉末不僅粉末粒度較大，雜質(zhì)含量還略高，使得該工藝推廣受到限制，但該工藝具有制備的粉末球形度高的優(yōu)點(diǎn)。離心霧化法有旋轉(zhuǎn)電極法和電子束旋轉(zhuǎn)盤法兩種工藝。

圖6 旋轉(zhuǎn)電極法示意圖[4]

旋轉(zhuǎn)電極法是將棒狀鈦合金制成自耗電極，利用固定鎢電極上激發(fā)的電弧產(chǎn)生高溫熔化電極的端面，再借助電極旋轉(zhuǎn)的離心力霧化液滴制備球形粉末[39]。該工藝制備的鈦合金粉末直徑受電弧強(qiáng)度、自耗電極轉(zhuǎn)速影響極大，電弧強(qiáng)度越大、自耗電極轉(zhuǎn)速越快獲得的鈦合金粉末越細(xì)[40]。由于設(shè)備的掣肘，當(dāng)前設(shè)備的轉(zhuǎn)速較低，獲得的粉末較粗。

電子束旋轉(zhuǎn)盤法是采用電極感應(yīng)加熱將合金材料熔化，通過導(dǎo)流管將熔化的金屬液均勻滴落到下方高速旋轉(zhuǎn)的圓盤上，利用轉(zhuǎn)盤的離心力霧化液滴制備球形粉末。此方法在實(shí)施過程存在旋轉(zhuǎn)圓盤易變形、粉末閉孔內(nèi)夾雜氣體多和坩堝漏嘴污染等諸多問題，基本不采用該工藝來制備鈦合金粉末[41]。

圖7 電子束旋轉(zhuǎn)盤法示意圖[42]

4 對比分析

氣霧化法制備的鈦合金粉末雜質(zhì)含量低、球形度良好，其在霧化工藝中細(xì)粉收得率最高、成本最經(jīng)濟(jì)，是當(dāng)前主要高性能鈦合金粉末生產(chǎn)工藝。粉末雜質(zhì)含量及球形度最佳的鈦合金粉末霧化制備工藝是等離子霧化工藝，但其因?yàn)槌杀据^高、細(xì)粉收得率較低，限制了該工藝的廣泛應(yīng)用。離心霧化工藝由于工藝設(shè)備存在大量問題，且制備的鈦合金粉末各項(xiàng)指標(biāo)均不如等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備的鈦合金粉末，已被后者替代。霧化工藝對比如表1：

表1 霧化工藝對比表

氣霧化法中，電極感應(yīng)霧化法在限制型霧化噴嘴適用性方面存在技術(shù)難點(diǎn)，相比惰性氣體霧化法需要更高的技術(shù)能力支撐。該工藝相比惰性氣體霧化法優(yōu)勢在于雜質(zhì)含量更低。

等離子霧化法中，等離子旋轉(zhuǎn)電極法與等離子火炬霧化法由于存在成本高、細(xì)粉收得率低的問題導(dǎo)致應(yīng)用不廣泛。但它們制備的鈦合金粉末都有具有雜質(zhì)含量低、球形度高、粒度分布均勻等優(yōu)點(diǎn)。細(xì)粉收得率方面兩者相比，等離子火炬霧化法在高等離子旋轉(zhuǎn)電極法2倍以上，但因?yàn)槠渲苽涞拟伜辖鸱勰┝６确植驾^廣，需要額外進(jìn)行粒度分級，產(chǎn)品成本提高，導(dǎo)致其應(yīng)用情況不如等離子旋轉(zhuǎn)電極法[43]。

5 展望

霧化法因其制備的鈦合金不僅粉末球形度高、雜質(zhì)含量低，且細(xì)粉收得率高，使其在鈦合金粉末制備工藝中脫穎而出，成為國內(nèi)外主流的鈦合金粉末制備工藝。目前鈦合金粉末制備工藝中，國內(nèi)以氣霧化工藝為主，國外以等離子霧化工藝為主。

氣霧化法因其具有較高細(xì)粉收得率和工藝簡單等優(yōu)勢，從而成為現(xiàn)階段國內(nèi)主要鈦合金粉末制備工藝。通過工藝參數(shù)優(yōu)化和霧化噴嘴技術(shù)改良，該工藝在制備的鈦合金粉末品質(zhì)及細(xì)粉收得率方面仍有提升空間，但若想將品質(zhì)提升到媲美等離子霧化工藝制備的鈦合金粉末十分困難。

等離子霧化法相比其他鈦合金粉末制備工藝，其制備的鈦合金粉末具有十分優(yōu)秀的粉末品質(zhì)，但是該工藝的細(xì)粉收得率較低，造成細(xì)粉制備成本極高，限制了其推廣。國外對該工藝研究較深，目前已經(jīng)解決了該工藝細(xì)粉收得率較低的問題，從而使得該工藝在國外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)對該工藝的研究未達(dá)到國外的水平，因此如何提高工藝的細(xì)粉收得率降低細(xì)粉制備成本將成為國內(nèi)該工藝未來主要研究方向。