戴煜 李禮

獲得高品質、低成本的球形粉體材料是滿足金屬3D打印技術及制備高性能金屬構件的關鍵環(huán)節(jié)?，F(xiàn)階段，快速凝固制粉工藝是制備金屬3D打印粉體材料的核心技術之一[1，2]?？焖倌碳夹g是將金屬、合金熔體直接霧化制得球形粉末，或通過高壓霧化介質（水或氣體）的強烈沖擊，或通過離心力使之破碎，高速冷卻凝固實現(xiàn)的[3]。

目前，應用于金屬3D打印粉體材料制備的快速凝固技術主要有惰性氣體霧化法（AA法）、真空感應氣霧化法（VIGA法）、無坩堝電極感應熔化氣體霧化法（EIGA法）、等離子火炬法（PA法）以及等離子旋轉霧化法（PREP法）等。其中，PREP法制備的粉末具有表面清潔、球形度高、伴生顆粒少、無空心/衛(wèi)星粉、流動性好、高純度、低氧含量、粒度分布窄等優(yōu)勢，適合金屬3D打印。但是，PREP工藝受限于電極棒大幅提速后導致的密封、振動等相關技術瓶頸，采用該法仍難以低成本制備符合3D打印技術要求的細粒徑粉體（45μm以下）[4]。

本文立足湖南頂立科技有限公司（以下簡稱“頂立科技”）新一代等離子旋轉霧化制粉技術及系統(tǒng)，結合PREP制粉技術特點、現(xiàn)階段國內(nèi)外研究進展與技術發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，重點闡述PREP制粉工藝、制粉系統(tǒng)結構優(yōu)化與智能化程度等對粉末粒徑的影響，以期為我國3D打印金屬粉體材料國產(chǎn)化提供重要參考。

一、等離子旋轉霧化制粉技術特點

等離子旋轉霧化制粉過程（見圖1）可簡單描述為：將金屬或合金制成自耗電極，自耗電極端部在同軸等離子體電弧加熱源的作用下熔化形成液膜，液膜在旋轉離心力的作用下被高速甩出形成液滴，熔融液滴與霧化室內(nèi)氬（Ar）氣摩擦，在切應力作用下進一步破碎，隨后熔滴在表面張力的作用下快速冷卻凝固成球形粉末[5]。

相對于氣霧化技術，PREP工藝不以高速惰性氣流直接分散金屬液流霧化，因此可以避免氣體霧化法中出現(xiàn)的“傘效應”，直觀表現(xiàn)在金屬、合金粉末的粒度分布以及形貌上。采用氣霧化制備的粉末粒度主要集中在40～150μm范圍，而等離子旋轉霧化法制備的合金粉末粒度主要集中在4～10μm和70～130μm。相比氣體霧化法，等離子旋轉電極法制備粉末粒度分布更集中（如圖2所示）。

氣霧化法制備的粉末具有不規(guī)則形狀、破碎顆粒、較大尺寸金屬長薄片等特點，如圖3（a）所示。高速Ar氣流對熔體的沖擊分散易在粉末顆粒內(nèi)部形成閉合孔隙，該閉孔內(nèi)含有一定量的Ar氣體，Ar氣通常不熔于金屬，在3D打印過程中不易消除，形成氣隙、卷入性和析出性氣孔、裂紋等缺陷，即便采用熱等靜壓也無法消除該類缺陷，在隨后熱處理過程中易發(fā)生熱誘導孔隙長大[6]。而采用等離子旋轉霧化法制得的粉末球形度更高、流動性更好、氣體體積分數(shù)低，如圖3（b）所示，是金屬3D打印的理想原料。此外，若采用陶瓷坩堝氣霧化制粉，特別是高溫合金粉制備方面，存在陶瓷夾雜現(xiàn)象，而等離子旋轉霧化制粉技術能有效杜絕陶瓷夾雜物。

二、國內(nèi)外研究進展及技術發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

1.國外等離子旋轉霧化制粉技術研究進展

等離子旋轉霧化制粉技術始于20世紀70年代的美國，在俄羅斯得到發(fā)展應用。目前，俄羅斯掌握著世界上最先進的等離子旋轉霧化制粉技術及裝備。如俄羅斯某公司第2代等離子旋轉霧化制粉設備，-325目以下的細粉收得率已經(jīng)達到6%～8%。該公司新近開發(fā)的第3代等離子旋轉霧化制粉設備，通過攻克電極棒高速旋轉技術、高速旋轉動密封技術、連續(xù)進給技術、無縫連接技術、智能控制系統(tǒng)升級等技術瓶頸，已經(jīng)實現(xiàn)25根以上金屬棒料的連續(xù)霧化制粉，-325目以下細粉收得率更是達到15%以上。其主要性能指標如表1所示。

2.國內(nèi)等離子旋轉霧化制粉技術研究進展

現(xiàn)階段，國內(nèi)等離子旋轉霧化制粉技術的研究大體可分為2類。一類是以直接引進俄羅斯最先進的制粉技術及裝備為基礎，開展金屬3D打印粉體的研制工作，如西北有色金屬研究院、廣州有色金屬研究院為代表的國內(nèi)科研院所，采用的是俄羅斯某公司第2代等離子旋轉霧化制粉技術及裝備。另一類則以俄羅斯20世紀70年代的技術及裝備為基礎，通過“引進-消化吸收-再創(chuàng)新”的方式進行自主研發(fā)，制備技術方面主要包括電極棒轉速及直徑、等離子弧電流強度、等離子槍與電極棒端部間距、電極棒進給速度等工藝參數(shù)研究；設備方面主要包括旋轉電極制粉設備改造、旋轉電極制粉機組的設計開發(fā)、旋轉電極制粉設備的報警系統(tǒng)研制、高壓等離子點火裝置以及等離子槍的改進等。取得了一些成績，但是總體上來說，國內(nèi)研發(fā)成果相對較少、改進力度不大、質量不高，與國外相比差距還較大，細粉收得率（-325目以下）不到5%。

頂立科技通過自主研發(fā)，已經(jīng)完成第2代、第3代、第4代等離子旋轉霧化制粉系統(tǒng)的研制工作，新一代等離子旋轉霧化制粉系統(tǒng)（4代機）整機性能可與俄羅斯最新的技術比肩，細粉收得率可達16%左右（見表2）。

3.技術發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

從技術層面看，等離子旋轉霧化技術的瓶頸仍在于如何高效、低成本制備適用于金屬3D打印的細粒徑粉體。國內(nèi)外等離子旋轉霧化技術發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)在于：細粉收得率低，直接導致3D打印粉體材料制備成本居高不下。以國內(nèi)外最先進、使用最頻繁的無坩堝電極感應熔化氣體霧化（EIGA）工藝制備金屬3D打印粉體材料為例，通過調整熔煉功率與進給速度等工藝參數(shù)，其細粉收得率最高可達27.5%左右[7]。采用等離子旋轉霧化制粉技術提高細粉收得率，最直接的方法是增大電極棒直徑與極限轉速。研究發(fā)現(xiàn)，即便大幅度提升電極棒直徑與極限轉速，如果不能有效匹配等離子旋轉霧化工藝參數(shù)，細粉收得率仍將保持在一個相對較低的水平，普遍只有5%左右。不提升細粉收得率，降低粉末制備成本只能是空談。

此外，提升電極棒直徑與極限轉速導致的高速動密封、振動等技術難題，母合金棒料的純凈化熔煉控制、棒料表面與尺寸精加工、霧化過程中料頭余料等都將影響粉末制備的成本。

三、等離子旋轉霧化制粉工藝參數(shù)對粉末性能的影響

1.電極棒直徑與極限轉速

根據(jù)等離子旋轉霧化制粉機理，對液滴進行受力分析，可得到液滴形成的臨界條件，即：

其中，ρ為液滴密度、n為電極棒轉速。

由公式（2）可知，等離子旋轉霧化制粉粒徑與液滴表面張力成正比關系，與液滴密度、電極棒極限轉速、電極棒直徑成反比關系。根據(jù)文獻[8，9]記載的各類金屬、合金的表面張力數(shù)值，獲得幾類典型金屬、合金粉末粒徑的理論計算公式，具體如表3所示。

由表3可知，理論平均粒徑與實際檢測的平均粒徑結果相吻合，造成偏差的原因主要是粉末顆粒尺寸大小受棒料振動等影響，在理論值附近波動。為了更好的說明公式的準確性，以Ti-8Al-2Si-2Zr（1#）與Ti-6.5Al-1.4Si-2Zr-0.5Mo-2Sn（2#）鈦合金為例，分別在15 000r/min、18 000r/min以及12 000r/min、18 000r/min （棒料直徑均為50mm）下進行對比試驗分析，結果如圖4所示。

由圖4可以看出，2種成分合金粉末粒度分布都較窄，隨轉速加快，粉末中小粒徑粉末比例增加，粒度分布曲線向小粒徑方向移動。轉速為18 000r/min時，對比1#、2#兩種合金粉末粒度分布情況，硅（Si）含量相對較少的2#試樣小顆粒粉末所占比例更大，因為合金中形成的硅化物會增加液態(tài)金屬表面張力，金屬液膜在被甩出合金棒料時需要更大的離心力。

2.等離子弧電流強度

由于每次等離子霧化制粉過程嚴格控制充入霧化室的Ar氣體量（霧化室壓力130kPa），故在整個制粉過程中等離子弧電壓的變化不大，等離子弧電流的強度變化基本上反映了等離子槍輸出功率的變化。研究發(fā)現(xiàn)，粉末平均粒徑隨等離子弧電流強度的增大而有明顯細化的趨勢。但是，提高電流會帶來諸多弊端，其一是粉末粒度的分布范圍隨電流強度的增大而變寬的趨勢十分明顯，如圖5所示。

電流大小反映等離子槍的能量。增大電流的另一弊端在于，能量越大意味著等離子弧溫度越高，越容易造成低熔點元素的燒蝕。以Ti-8Al-2Si-2Zr（1#）與Ti-6.5Al-1.4Si- 2Zr-0.5Mo-2Sn（2#）鈦合金為例，在1 700A的恒定電流下，針對不同粒徑范圍進行了粉末的合金成分分析，與初始電極棒合金成分對比情況如表4所示。

從表4可以看出，制粉過程雜質O增量均<0.03%，小顆粒粉末比表面積大，更容易吸收O等其他雜質元素，故隨著粉末粒徑的減小O含量會有略微的增加。Ti、Si、Zr、Mo、（Sn元素含量均在名義成分誤差范圍內(nèi)。Al元素損失較大，約為1.5%（質量分數(shù)），其原因如下：①Al元素沸點較低，在制粉過程中，真空爐內(nèi)溫度較高，導致低沸點的Al元素部分燒蝕；②爐內(nèi)真空度較高（4×10-3Pa以上），也會造成棒料熔煉過程中部分元素的損失。

3.等離子槍與電極棒端部間距

試驗表明，對于轉移弧模式工作的等離子槍而言，等離子束的有效熱功率與棒料端部的距離有關。實驗發(fā)現(xiàn)，在電流強度和電壓保持一定的情況下，等離子槍與棒料端部的距離除了影響棒料的熔化速度外，還影響端部熔池形狀。粉末粒度的分布兩者都相關：等離子槍與電極棒端部間距越?。?0mm），獲得的等離子束有效熱功率越大，熔化越充分，粉末粒度細化趨勢越明顯。當?shù)入x子槍與棒料端部距離由10mm變?yōu)?0mm時，粉末粒度的分布范圍有增寬的趨勢。

減小等離子槍與電極棒端部間距可以有效提高細粉收得率，但同時也會加劇等離子槍噴嘴和鎢電極的損耗，噴嘴及鎢電極部分材料熔化進而隨著等離子流進入粉末中，影響粉末質量。圖6為等離子槍與電極棒端部間距為10mm時，篩選不銹鋼316L粉末雜質后做的能譜分析。從圖6中可以明顯發(fā)現(xiàn)，雜質含量來源于損耗的鎢電極。根據(jù)多次試驗，等離子槍與電極棒端部最佳間距范圍在50～60m m之間，此時鎢電極損耗最低，同時可獲得較好的細粉收得率。

四、新一代等離子旋轉霧化制粉技術及設備特點

從等離子旋轉霧化制粉工藝對粉末性能的影響可以看出，欲制備高品質金屬3D打印粉體材料除了弄清旋轉霧化機理外，設備改進也是極為重要的環(huán)節(jié)。

需在已有技術的基礎上，研究連續(xù)進給料、密封、自動起弧與信息反饋、智能控制等裝備制造技術和旋轉霧化制粉工藝，需攻克等離子槍進給式旋轉制粉裝置的設計與制造技術、無刷電極旋轉機構的設計與制造技術、輸電腔及冷卻腔的設計與制造技術、高速動密封及其控制技術、霧化過程不活潑氣氛保護控制技術、無油浮環(huán)動密封技術、離心式水冷電刷、高速大電流柔性聯(lián)軸系統(tǒng)、旋轉霧化在線修正系統(tǒng)等關鍵技術，還需大幅提升等離子旋轉霧化制粉及裝備技術水平，頂立科技研制開發(fā)的最新一代等離子旋轉電極霧化制粉系統(tǒng)，為實現(xiàn)航空用3D打印金屬粉體材料的研制與生產(chǎn)奠定了基礎。

1.新一代等離子旋轉霧化（N-PREP）制粉系統(tǒng)特點

該設備除具備較大的棒料直徑（100mm）與棒料轉速（30 000r/min）外，還集成了棒料連續(xù)進給技術，細粉（-325目）收得率高，達16%左右，其主要技術創(chuàng)新點如下：

①棒料連續(xù)進給技術，可實現(xiàn)40根以上金屬棒料的連續(xù)霧化制粉；②棒料高速無縫連接技術，可實現(xiàn)無減速連續(xù)傳輸棒料，并有效解決料尾問題；③自定位轉移弧等離子槍，具有安裝方便、自動對中、冷卻充分等特點；④進給式旋轉電極制粉裝置，大大提高設備的穩(wěn)定性；⑤無刷電極旋轉機構，消除碳刷與銅電極的磨損，提高生產(chǎn)效率；⑥高速動密封控制技術，保證霧化室的高度密封性；⑦高速旋轉振動消除技術，整個過程噪音小；⑧特殊爐體結構設計技術，確保系統(tǒng)穩(wěn)定；⑨實現(xiàn)智能控制。

研制的新一代等離子旋轉霧化制粉設備如圖7所示。

2.等離子旋轉霧化粉末特點

圖8為N-PERP法制備的金屬細粉SEM照片。由圖8可知，N-PREP法制備的粉末具有球形度高、伴生顆粒少、無空心/衛(wèi)星粉、流動性好、高純度、高松裝密度、低氧含量、粒度分布窄等優(yōu)勢，是金屬3D打印的理想材料。

采用N-PERP法制備鈦合金粉末，材料的組織主要由等軸狀和條狀α′相組成，靠近粉末界面α′較多且均勻分布，如圖9所示。鈦合金粉末的微觀組織與制備工藝密切相關。粉末制備過程中熔融的金屬液滴表面與其內(nèi)部冷卻不同步，粉末外層較快的冷卻速率，能夠抑制外層晶粒的生長和組織的粗大，使粉末外層具有較細的組織。另外，粉末顆粒邊緣處較細的組織，有利于再結晶的進行，一方面，這些組織在變形中更容易碎裂；另一方面，細小的組織中具有較高的能量，也有利于3D打印過程中動態(tài)再結晶的進行。

大顆粒鈦合金粉末主要由α′相組成，極少的β相。隨著粉末粒度的減小，α′相XRD衍射峰強度降低，小顆粒粉末中等軸α′相為主要結構，如圖10所示。這與前面金相顯微組織分析一致。

五、結語

采用等離子旋轉霧化法制備的金屬粉體性能優(yōu)異，是金屬3D打印的理想原料，但細粉收得率受限，制造細粉的成本仍居高不下，成為該項技術亟待解決的瓶頸。細粉收得率的提升，在很大程度上取決于等離子旋轉霧化制粉工藝的機理研究、等離子旋轉霧化制粉系統(tǒng)結構優(yōu)化設計及裝備智能化程度。新一代等離子旋轉霧化制粉技術及系統(tǒng)的成功開發(fā)，顛覆了等離子旋轉霧化法只適于制備粗粉的論斷，在等離子旋轉霧化制粉技術及系統(tǒng)方面已經(jīng)有了取得重大技術突破，細粉收得率達到16%，可依托現(xiàn)有成果，進行推廣應用，實現(xiàn)金屬3D打印粉體材料國產(chǎn)化。

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