□樊恩想 □付 超 □廖文俊

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

三維打印用霧化噴嘴的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢＊

□樊恩想 □付 超 □廖文俊

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

氣霧化制粉是三維打印用金屬粉材最常用的制備技術，介紹了多種霧化噴嘴的結構特征，以及三維打印用金屬粉材霧化噴嘴的發(fā)展歷程，分析了新型霧化噴嘴的設計與相關技術，并對未來發(fā)展進行了展望。

三維打印；霧化制粉；噴嘴

1 課題背景

三維打印技術被譽為第三次工業(yè)革命，其中金屬三維打印是三維打印技術實現(xiàn)工業(yè)化應用的重要途徑之一，而作為原材料的金屬粉材一直是技術發(fā)展的關鍵所在。目前，我國三維打印用金屬粉材市場存在諸多問題，高端粉末還需要從國外進口[1]。國產粉質量較差主要與國內生產廠家在制粉技術與工藝上存在不足有關，而制粉技術又與霧化噴嘴息息相關[2]。通過重點關注霧化噴嘴的結構特征及其設計方法，可以從中把握未來三維打印用金屬粉材制備技術的發(fā)展方向。

三維打印用金屬粉材的制備技術主要從傳統(tǒng)粉末冶金或熱噴涂粉材制備技術發(fā)展而來。當前制粉技術較多，從霧化介質類型方面分為氣、液、固霧化，從熔煉方式方面分為真空、非真空、有無坩堝霧化，從加熱方式方面分為磁感應、等離子加熱等[3]。具體制粉技術介紹、優(yōu)缺點及應用范圍見表1。

目前，無論是從成本還是從品質角度來看，氣霧化制粉技術都是生產廠家首選。氣霧化制粉設備如圖1所示，設備的主要構成見表2。

氣霧化制粉是一個由高速氣體的動能和熔爐提供的熱能向金屬表面能轉化的過程。在這個過程中，霧化噴嘴作為能量轉化器，其能量轉換效率直接決定霧化效率，同時霧化噴嘴對整個霧化過程還起著重要的穩(wěn)定性作用，因此霧化噴嘴為氣霧化制粉系統(tǒng)的關鍵部件，其結構設計為氣霧化制粉的核心技術。

表1 制粉技術概況

圖1 氣霧化制粉設備示意圖

表2 氣霧化制粉設備構成

2 霧化噴嘴發(fā)展歷程

霧化噴嘴的早期設計為自由落體式結構[10]，如圖2（a）所示。雖然自由落體噴嘴設計簡單，不易堵嘴且易操作，但霧化效率不高，為了提高霧化效率，霧化噴嘴演變?yōu)榻Y構緊湊的限制式噴嘴[11]，如圖2（b）所示。

圖2 霧化噴嘴結構

為了進一步縮短氣流到液流匯交的距離，以期獲得更高的霧化效率，霧化噴嘴由限制式噴嘴演變?yōu)榫o耦合式噴嘴[12]，如圖3所示。實踐表明，作為近乎保證氣體自噴嘴出口至液流距離最短的霧化噴嘴，緊耦合式霧化噴嘴在細粉末生產方面非常有效，已成為氣霧化制粉設備的首選噴嘴。

圖3 緊耦合式霧化噴嘴

盡管常規(guī)緊耦合式霧化噴嘴已在原有基礎上提高了霧化效率，但仍然存在以下兩點不足[13]：一是當霧化氣壓增加至一定值時，導流管出口處將產生正壓，影響霧化進程；二是在高壓霧化條件下，在導流管出口處產生的負壓較大，使金屬液流率增加，不利于細粉末的生產。為了解決上述問題，一些學者對緊耦合式霧化噴嘴進行優(yōu)化設計[14]，如氣流通道設計為Laval管結構，環(huán)縫結構改為環(huán)孔結構，以及優(yōu)化導流管出口處的形狀等，使導流管出口處形成有效負壓，并保證在較低的氣壓下獲得超聲速氣流，以提高金屬液流的霧化效率。

由于氣體所具有的能量是決定霧化效率高低的主要因素，通過加熱霧化氣體可間接提高霧化效率，因此在超聲速緊耦合式霧化噴嘴的基礎上，發(fā)展出熱氣體超聲速霧化制粉技術。同時，金屬液流量也會影響制粉性能，如果液流量較大，則液流無法充分霧化；如果液流量較小，則所消耗的霧化氣體不能充分利用，所以在霧化噴嘴上又增加了壓差控制技術。為結合熱氣體技術與壓差控制技術，超聲速緊耦合式霧化噴嘴結構經(jīng)相應改動后設計出改進超聲速緊耦合式霧化噴嘴。

除緊耦合式霧化噴嘴外，還有兩種生產用霧化噴嘴，分別為超聲波霧化噴嘴（圖4）和層流霧化噴嘴（圖5）。超聲波霧化噴嘴[15]將Laval管和Hartman振動管組合在一起，在超聲速氣體破碎液流的同時，還伴有聲波振動的輔助破碎作用，霧化效率隨之提高。層流霧化噴嘴[16]可使氣體通過噴嘴后獲得層流氣場，這一霧化技術克服了常規(guī)霧化過程中存在的激波與氣體能量因膨脹而損失等問題，霧化效率同樣較高，粉末粒度分布較窄。但是，由于存在諸多還未攻克的技術問題，此兩類霧化噴嘴始終未得到工業(yè)界的普遍應用。

圖4 超聲波霧化噴嘴

圖5 層流霧化噴嘴

對于三維打印用金屬粉材而言，雖然改進超聲速緊耦合式霧化噴嘴已得到行業(yè)的普遍認可，但是其在細粉收得率及衛(wèi)星球、亞球形粉、耗氣量、成本等控制水平上依舊有待提高。為了滿足三維打印用金屬粉材粒徑細小、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求[17]，勢必需要發(fā)展制粉性能更優(yōu)異、制粉成本更低的新型霧化噴嘴。目前，人們對氣霧化制粉的認識是多相耦合作用的復雜過程[18-19]，其作用機理尚不清楚，較有影響的經(jīng)典理論主要有Lubanska理論、Thompson理論、三階段霧化理論、正態(tài)分布理論與Strauss理論。其中三階段霧化理論較形象地描繪了金屬熔體的霧化過程：首先形成液膜，繼而破碎成帶，最后破碎成小液滴，如圖6所示[19]。但是，上述氣霧化理論為噴嘴結構設計提供的指導性有限，霧化噴嘴的結構優(yōu)化也因此發(fā)展緩慢。

圖6 三階段霧化理論

3 新型霧化噴嘴

雖然霧化機理沒有重大突破，但不妨礙人們對現(xiàn)有霧化技術與霧化噴嘴特征進行整合創(chuàng)新。多層霧化噴嘴與復合介質霧化噴嘴將當下已成熟的制粉技術進行有效耦合，以期發(fā)揮多種霧化技術優(yōu)勢，為探索制粉性能更佳、制粉成本更低的霧化噴嘴提供了新思路。

傳統(tǒng)霧化噴嘴基本采用單層噴嘴，為了進一步提高霧化介質的能量轉化效率，雙層或多層霧化噴嘴的探索逐漸引起人們的重視。

3.1 雙層非限制式霧化噴嘴

雙層非限制式霧化噴嘴[20]通過固定螺栓將兩層非限制式的霧化噴嘴安裝在一起，如圖7所示。在雙層噴嘴的作用下，霧化氣體與金屬液流之間的能量傳遞效率得到增強，液滴凝固時間縮短，使得粉末因碰撞而引起變形和粘結的幾率降低，因此球形度得到改善。另外，在輔助噴嘴的保護氣作用下，避免了金屬液流沿導流管向上回流的現(xiàn)象，有利于霧化過程的順利進行。整體來看，在制粉過程中，雙層霧化噴嘴能夠實現(xiàn)在增大氣體壓力的同時消除霧化制粉過程所產生的鼓泡、反濺等現(xiàn)象，霧化制粉的生產效率、細粉收得率和金屬粉末產品的質量都得到較大幅度提升。

3.2 雙層緊耦合式霧化噴嘴

相比非限制式霧化噴嘴，緊耦合式霧化噴嘴的效率更高，更具商業(yè)價值。圖8是一種雙層緊耦合式霧化噴嘴[21]，第一層是傳統(tǒng)緊耦合霧化結構，第二層是帶有Laval管的超聲速霧化噴嘴。該霧化噴嘴可通過調節(jié)工藝參數(shù)，在較低耗氣量的情況下獲得細粉收得率更高的金屬粉體。

圖8 雙層緊耦合式霧化噴嘴

傳統(tǒng)的霧化介質僅限于單純的氣體或液體，但氣霧化成本相對較高，而水霧化制備的粉體性能較差，為了克服傳統(tǒng)霧化介質存在的弊端，并發(fā)揮各霧化介質的優(yōu)勢，復合霧化介質如水-氣復合、氣-固復合等新型霧化介質同樣受到人們的重視。

3.3 水-氣復合霧化噴嘴

水-氣復合霧化技術是在結合水霧化低成本的同時保持氣霧化高球形度、低氧含量的優(yōu)勢。水-氣復合霧化噴嘴結構如圖9所示，上部為氣霧化噴嘴，下部為高壓水噴嘴。下部噴嘴噴出的高壓水邊緣交于兩個點，并形成一段相對封閉的空間，相比交于一點的霧化噴嘴，可以延緩霧化液滴的凝固，并使液滴經(jīng)多次打擊而分離，從而得到粒徑更小的粉末。整個水-氣復合霧化過程是金屬液在重力與高壓氣流引起負壓的雙重作用下進入霧化區(qū)域，金屬液流先被高壓氣體分離為液滴，再經(jīng)高壓水流打擊，最后小液滴受表面張力作用，在下落過程中收縮成近球形，并凝固成為金屬粉末[22]。

此類水-氣復合霧化噴嘴特點是粉末的球化時間長，球形度比水霧化好，粉末粒度比氣霧化細，氧含量較水霧化低。

圖9 水-氣復合霧化噴嘴

3.4 氣-固復合霧化噴嘴

氣-固復合霧化技術將霧化介質改變?yōu)橐环N含有可除去高濃度固體介質顆粒的高速氣流。由于固體顆粒介質有很高的動能，經(jīng)含有高能顆粒的高速氣流與金屬液流相互碰撞、撕裂后，氣-固復合霧化制得粉末相比普通氣體霧化所得粉末更細，能量利用率得到提高。如果再將氣-固復合霧化技術與雙層霧化噴嘴結合，得到的氣-固復合霧化噴嘴（圖10）能量轉化率會更高[23]。

4 霧化噴嘴局部結構設計

4.1 輔助風孔與導流管

除了上述霧化噴嘴的復合設計外，霧化噴嘴本身的結構設計依舊存在挖掘的潛力[24-25]。為了防止噴嘴堵嘴并降低流速比，在霧化噴嘴中可考慮設計輔助風孔，使部分氣體通過輔助風孔向下流動，維持噴嘴口附近的氣壓平衡，減少紊流作用[26]，防止熔體液滴返回風口，設計結構如圖11所示。

圖10 氣-固復合霧化噴嘴

圖11 霧化噴嘴輔助風孔設計

另外，圖11中霧化噴嘴可適當增加導流管的伸出長度，因為霧化噴嘴下端的氣流場分布為噴嘴端口附近的抽吸力較小，適當增加導流管伸出長度，能增大液流出口處的抽吸力以避免液流倒吸等問題[27]。同時，適當增加導流管伸出長度，可縮短熔體與氣流之間的距離，以減少氣體損耗。但如果導流管伸出長度過長，導流管會受到氣體的沖擊，受熱不均，容易開裂，所以霧化噴嘴最佳的導流管伸出長度需要控制在一個合理范圍內。

4.2 進氣管與冷卻水腔

傳統(tǒng)氣腔為單管單向進氣，盡管進氣管與氣腔相切，但不可避免地存在氣腔內氣壓缺失區(qū)，致使后續(xù)噴射流不均勻。通過結構優(yōu)化，可采用兩個相對平行且與氣腔相切的進氣管結構，如圖12中B－B剖面所示。雖然雙進氣結構增加了制造難度，但霧化噴嘴中兩個氣路的氣壓一致，能夠保證氣腔內氣流的穩(wěn)定[28]。

另外，霧化噴嘴工作需要承受較高溫度，通過在霧化噴嘴中增加冷卻結構，能夠提高霧化噴嘴的使用壽命，降低霧化噴嘴的更換頻率，圖12中C－C剖面所示的冷卻水腔結構是常用的冷卻結構之一。

圖12 霧化噴嘴進氣管與冷卻水腔設計

4.3 霧化噴嘴輔助設計技術

由于噴嘴結構決定霧化氣流場，霧化氣流場又影響制粉性能，因此在相關霧化機理指導下，還需要做大量的氣流場仿真工作，以驗證新型噴嘴結構設計的合理性。流場仿真軟件是霧化噴嘴前端氣流場模擬的重要工具之一，圖13為某型噴嘴通過計算流體動力學仿真得到的噴嘴前端氣流速度結果[29]。一般來說，霧化噴嘴要保證一定的氣體動能及抽吸壓力[30]，從而保證制粉效率，避免堵嘴或液流倒吸問題。

另外，隨著霧化噴嘴的結構設計迭代頻率加快，通過金屬三維打印可以快速響應新型霧化噴嘴的制備，以縮短試驗驗證與設計方案論證周期。同時，金屬三維打印技術還可以實現(xiàn)霧化噴嘴的結構創(chuàng)新，實現(xiàn)集成度、復雜度更高的新型霧化噴嘴制備，如將帶有復雜組件的霧化噴嘴進行一體化設計并成形，減少了霧化噴嘴分體加工與裝配工序。

圖13 霧化噴嘴氣流場模擬

通過流場仿真技術與金屬三維打印技術，新型霧化噴嘴的設計將得到迅速發(fā)展。未來三維打印用金屬粉材性能將獲得提升，而生產成本則迅速降低。

5 結束語

目前市面上已有多種三維打印粉材的制備技術，但主流技術仍為氣霧化制粉技術，其最為關鍵的部件是霧化噴嘴。目前，霧化噴嘴結構沒有出現(xiàn)顯著突破，但在局部結構，如輔助風孔、導流管、進氣管及冷卻水腔等方面已有優(yōu)化成果。另外，多層霧化噴嘴、復合介質霧化噴嘴有望成為新型霧化噴嘴的未來發(fā)展方向。借助仿真軟件的氣流場分析與金屬三維打印的快速成形，高性能霧化噴嘴的研發(fā)將迎來新的突破。

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Atomized powder production is the most commonly used preparation technique for metal powder used in 3D printing.Introduced the structural characteristics of various atomizing nozzles and the developing history of atomizing nozzlesfor metal powder used in 3D printing.The design and related technology of the new atomizingnozzlewereanalyzed and thefuturedevelopment wasforecasted.

3D Printing ；Atomized Powder Production ；Nozzle

TH122;TH123.2

B

1672-0555（2017）03-065-06

＊上海電氣集團股份有限公司科技項目（編號：SE16-J39）

2017年4月

樊恩想（1990—），男，碩士，工程師，主要從事金屬增材制造研究工作

（編輯：啟 德）