金瑩 ，劉平 ，史金光 ，翁子清 ，顧小龍

當(dāng)前，鈦合金增材制造技術(shù)是在航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域迅速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”[1?2]，主要包括選擇性激光燒結(jié)(selective laser melting，簡稱 SLM)和電子束熔融(electron beam melting，簡稱EBM)這2種工藝。其中的電子束熔融技術(shù)由于制造精度較低以及昂貴的成本，使其研究受到一定的制約[3]，因此針對(duì)鈦合金的增材制造研究主要集中在選擇性激光燒結(jié)。TC4合金是航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛，消耗量最大的一種鈦合金。SLM工藝所需的 TC4合金粉末一般要求粒度小于53 μm，目前國內(nèi)品質(zhì)較高的TC4合金粉末仍存在氧含量偏高、粒度粗且分布范圍寬和球形度較差等問題，僅有的幾家航空級(jí)鈦合金粉末生產(chǎn)廠家也未能完全實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，SLM工藝用TC4合金粉末很大程度上依賴進(jìn)口，嚴(yán)重制約了我國 3D 打印鈦合金的發(fā)展與應(yīng)用。TC4合金的活性非常強(qiáng)，尤其在高溫下更容易與間隙元素發(fā)生反應(yīng)，因此，高品質(zhì)球形TC4合金粉末的制備是重大難題[4]。目前，制備球形 TC4合金粉末主要有3種方法：冷壁坩堝感應(yīng)熔煉氣霧化法、等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法以及電極感應(yīng)熔煉氣霧化法[5?7]。冷壁坩堝感應(yīng)熔煉氣霧化由于在熔煉過程中液態(tài)金屬與坩堝內(nèi)壁接觸以及霧化過程中與陶瓷漏嘴接觸，容易污染金屬熔體，不利于制備低間隙元素含量的TC4合金粉末；等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化雖然避免了夾雜的問題，但其自身工藝特點(diǎn)，只能制備粒徑范圍較大的粉末，不適用于 SLM 工藝；電極感應(yīng)熔煉氣霧化(electrode-induced gas atomization, EIGA)工藝采用TC4合金棒材為電極，利用感應(yīng)線圈加熱，熔化后被高壓氣體霧化成粉末。HEIDLOFF等[8]采用EIGA法制備鈦及鈦合金粉末，由于在熔化過程中未與坩堝、導(dǎo)液管等接觸，有效避免了雜質(zhì)元素的混入，相比于傳統(tǒng)感應(yīng)氣霧化粉末，該粉末的氧、碳等非金屬元素增量都較低，但由于過熱度小等原因，粉末粒度相對(duì)較粗，細(xì)粉收得率較低。霧化壓力是影響EIGA工藝制備 TC4合金粉末的重要因素之一，直接影響用于SLM工藝的粒度＜53 μm的細(xì)粉收得率以及粉末的品質(zhì)。本研究采用電極感應(yīng)熔煉工藝制備TC4合金粉末，研究霧化壓力對(duì)＜53 μm 粉末收得率以及粉末的粒徑、松裝密度與球形度等性能的影響，為電極感應(yīng)熔煉氣霧化法制備高品質(zhì)的SLM工藝用TC4合金粉末具有重要指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 TC4合金粉末制備

選用的TC4合金棒材直徑為60 mm，長度為700 mm。采用本公司自主設(shè)計(jì)開發(fā)的電極感應(yīng)熔煉氣霧化制粉設(shè)備(EIGA設(shè)備)，該設(shè)備的關(guān)鍵之處是采用無坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)，如圖1所示。將TC4合金棒作為電極棒，緩慢送入感應(yīng)線圈中間，感應(yīng)線圈通電后產(chǎn)生強(qiáng)磁場，在電極棒表面產(chǎn)生渦電流使其受熱熔化，形成連續(xù)金屬液滴，滴入霧化噴嘴中，在高壓氬氣作用下霧化成TC4合金粉末。霧化介質(zhì)為99.999%的高純氬氣。通過前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)感應(yīng)熔煉功率為 24 kW，高頻頻率為32 kHz時(shí)，鈦合金棒材熔化后產(chǎn)生的熔滴大小適中。設(shè)定霧化壓力為3.5～7.0 MPa。

圖1 無坩堝電極感應(yīng)熔煉Fig.1 Electrode Induction-Melting without any crucible

1.2 性能檢測

稱量所得 TC4合金粉末的質(zhì)量 m，然后將 TC4合金粉末在氬氣保護(hù)下進(jìn)行機(jī)械篩分，取65目篩網(wǎng)下粉末，采用 BT9300Z型激光粒度儀測試其平均粒徑Dmean。對(duì)270目篩網(wǎng)以下的細(xì)粉(即粒度＜53 μm)進(jìn)行稱重，質(zhì)量為m＜53，利用公式A=(m＜53/m)×100%計(jì)算＜53 μm的細(xì)粉收得率。采用Zeiss EVO18型掃描電鏡(SEM)觀察粉末的顯微形貌。用霍爾流速計(jì)測定粉末的松裝密度和流動(dòng)性。利用彼奧德TD1200真實(shí)密度儀測量粉末的真實(shí)密度 dtrue，并進(jìn)一步根據(jù)鑄態(tài)TC4合金棒材密度為4.40 g/cm3[9]，計(jì)算所得TC4粉末的相對(duì)密度。

2 結(jié)果與分析

2.1 平均粒徑和細(xì)粉末收得率

氣霧化過程實(shí)際上是一個(gè)由氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為金屬熔滴表面能的過程[10]，氣體動(dòng)能由式(1)表示：

式中：J為氣體動(dòng)能；M為氣體流量；v為氣體流速。在氣霧化噴嘴間隙不變的情況下，氣體流量跟流速與霧化壓力相關(guān)[11]。由空氣動(dòng)力學(xué)原理，噴嘴的出口氣流流量與流速隨霧化壓力的變化關(guān)系分別用式(2)和(3)表示：

式中：M為氣體流量；S為噴嘴出口截面積，本研究中采用環(huán)縫噴嘴，在保證噴嘴間隙不變的情況下，噴嘴出口截面積固定不變；P為氣體流出噴嘴間隙的壓力，近似于氣體流入噴嘴的壓力；ρ為氣體密度；K為氣體絕熱系數(shù)，本研究中采用氬氣作為霧化介質(zhì)，K值為1.66；v為氣體流速；g為重力加速度；R為氣體常數(shù)；T2為壓縮氣體進(jìn)入噴嘴前的溫度，本實(shí)驗(yàn)采用常溫氣體，T2=300 K。P1為氣體所往處介質(zhì)的壓力，即霧化室壓力，為大氣壓，即P1=0.1 MPa。近似簡化式(2)和(3)可得：

將式(4)、(5)代入式(1)中并簡化，得：

式中：k1，k2，k3，k4，k5，C均為無量綱常數(shù)。由式(6)可知，在本試驗(yàn)壓力條件下，氣體動(dòng)能隨霧化壓力增大而增大。

圖2所示為霧化壓力對(duì)TC4合金粉末平均粒徑及＜53 μm細(xì)粉收得率的影響。從圖看出，隨霧化壓力增大，粉末的平均粒徑先逐漸變小然后增大。當(dāng)霧化壓力為3.5 MPa時(shí)，粉末平均粒徑為69.4 μm，＜53 μm細(xì)粉收得率為23.0%。而當(dāng)霧化壓力為6.0 MPa時(shí)，粉末平均粒徑最小，為 48.6 μm，此時(shí)細(xì)粉收得率也最高，為 40.2%。隨壓力進(jìn)一步增大，粉末平均粒徑增大，細(xì)粉收得率降低。當(dāng)霧化壓力為7.0 MPa時(shí)，粉末平均粒徑為51.7 μm，細(xì)粉收得率降至37.8%。

圖2 霧化壓力對(duì)粉末平均粒徑及粒度＜53 μm粉末收得率的影響Fig.2 Effect of gas pressure on mean size (Dmean ) and yield of powder (＜53 μm)

氣霧化過程中，熔融的金屬液滴大致存在初始破碎、二次破碎和球化凝固3個(gè)階段[12]。線圈通電后產(chǎn)生強(qiáng)磁場使電極棒表面產(chǎn)生熱量，溫度升高，當(dāng)達(dá)到TC4合金熔點(diǎn)及以上溫度時(shí)，TC4合金電極棒表面熔化形成液滴進(jìn)入氣霧化噴嘴中。由于高速氣流的抽吸作用，在噴嘴中心孔下方形成負(fù)壓區(qū)，在該霧化區(qū)域中，金屬液流與霧化氣流角度較小，金屬液滴受到氣流的剪切作用而呈帶狀分布，由于氣流的擾動(dòng)，液滴以不穩(wěn)定的波浪狀繼續(xù)下滴，破碎成許多細(xì)纖維束。在表面張力作用下，細(xì)纖維束有自動(dòng)收縮的趨勢，霧化氣流對(duì)金屬液滴的作用效果由剪切作用轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟泻蜎_擊的共同作用[13]，細(xì)纖維束不斷被擊碎，再次破碎成更小液滴。當(dāng)小液滴穿過氣霧化焦點(diǎn)時(shí)，氣流對(duì)小液滴的作用逐漸減弱，小液滴在霧化氣流場中分散開來，最終球化凝固形成粉末顆粒。因此，當(dāng)霧化壓力增大時(shí)，氣流對(duì)金屬液滴的作用力增大，破碎成更細(xì)小的液滴，在霧化氣體的冷卻下，小液滴球化并凝固成更細(xì)小的粉末顆粒。因此，隨霧化壓力增大，粉末的平均粒徑減小，細(xì)粉收得率提高。由圖2可知，通過增大霧化壓力可提高霧化效果，從而提高TC4合金細(xì)粉收得率。但當(dāng)達(dá)到4.5 MPa后，隨霧化壓力提高，霧化氣流對(duì)提高霧化效果的作用減小。當(dāng)霧化壓力超過6.0 MPa時(shí)，霧化氣流將粉末擊碎成細(xì)微的小液滴并球化凝固成細(xì)微粉末顆粒，由于TC4合金的密度較小，細(xì)微粉末自身的重力較小，易于在霧化室中漂浮，并隨回流氣體進(jìn)入霧化區(qū)，與未完全球化凝固的金屬液滴接觸，并附著在其表面形成衛(wèi)星球顆粒，從而導(dǎo)致粉末的平均粒徑變大細(xì)粉收得率隨之降低。

2.2 粉末形貌

圖3 在不同霧化壓力下制備的TC4合金粉末SEM形貌Fig.3 SEM morphologies of TC4 powders prepared at different gas pressure(a) 3.5 MPa; (b) 6.0 MPa; (c) 7.0 MPa

圖3 所示為不同霧化壓力下制備的TC4粉末SEM形貌圖。由圖3可見，在較低霧化壓力下，TC4合金粉末表面較光滑，球形度較好。隨霧化壓力增大，逐漸產(chǎn)生不規(guī)則形狀的粉末，衛(wèi)星顆粒逐漸增多。霧化氣流對(duì)金屬液滴的剪切和沖擊作用力將大液滴擊碎成小液滴，小液滴總是試圖保持最小表面積，即趨向球形狀態(tài)[14]。而粉末形貌主要由金屬小液滴的球化時(shí)間和凝固時(shí)間決定[15]。當(dāng)霧化壓力一定時(shí)，氣體對(duì)金屬小液滴的冷卻作用恒定，由于小液滴的表面張力較大，在霧化氣體的作用下完成球化的時(shí)間更短，更易形成球形。隨霧化壓力增大，氣體的冷卻作用增大，相同粒徑的粉末凝固時(shí)間更短，甚至小于其球化時(shí)間，從而出現(xiàn)橢球型顆粒甚至不規(guī)則形狀。隨霧化壓力進(jìn)一步增大，霧化氣體對(duì)金屬液滴的破碎作用更強(qiáng)，更多細(xì)微粉末顆粒得以形成。同時(shí)，細(xì)微粉末更易于在霧化室中隨氣流漂移，并進(jìn)入霧化區(qū)域與未完全冷卻球化的金屬液滴接觸，粘附在金屬液滴表面，形成衛(wèi)星球顆粒。

圖4 TC4合金粉末的截面SEM形貌Fig.4 SEM section morphologies of TC4 powder prepared at different gas pressure(a) 3.5 MPa; (b) 6.0 MPa; (c) 7.0 MPa

圖4 所示為不同壓力下制備的TC4合金粉末截面形貌。從圖中可看出，霧化壓力增大時(shí)，空心球顆粒出現(xiàn)的幾率隨之增大。當(dāng)霧化壓力為3.5 MPa時(shí)，幾乎沒有空心球顆粒；當(dāng)霧化壓力達(dá)到6.0 MPa時(shí)，出現(xiàn)少量空心球顆粒；當(dāng)霧化壓力進(jìn)一步增大到 7.0 MPa時(shí)，空心球含量增多。在3個(gè)不同霧化壓力下制備的粉末真實(shí)密度分別為4.36，4.33 和4.30 g/cm3，粉末的相對(duì)密度分別為99.1%，98.4%和97.7%。隨霧化壓力增大，氬氣分子與金屬液滴接觸幾率增大，并附著在未冷卻的金屬液滴上，同時(shí)，霧化壓力高，其冷卻作用大，氬氣分子來不及從金屬液滴內(nèi)部排出，被包裹在液滴內(nèi)而形成空心粉末，粉末的密度降低。

2.3 松裝密度和流動(dòng)性

圖5 霧化壓力對(duì)TC4合金粉末松裝密度和流動(dòng)性的影響Fig.5 Effect of gas pressure on apparent density and fluidity

圖5 所示為不同霧化壓力對(duì)TC4合金粉末松裝密度和流動(dòng)性的影響。由圖 5可知，當(dāng)霧化壓力為 3.5 MPa時(shí)，粉末的松裝密度為2.40 g/cm3，粉末流動(dòng)性也最好，為22.4 s/50 g。隨霧化壓力增大，粉末松裝密度逐漸降低，流動(dòng)性逐漸變差。當(dāng)霧化壓力為 7.0 MPa時(shí)，粉末的松裝密度最低，為2.26 g/cm3，流動(dòng)性為31.8 s/50 g。隨霧化壓力增大，一方面，TC4合金粉末的平均粒徑逐漸減小，細(xì)微粉末增多，其表面活性大，容易與周圍細(xì)微粉末團(tuán)聚形成二次顆粒，二次顆粒相互搭接形成搭橋效應(yīng)；另一方面，因霧化壓力較大時(shí)，氣體對(duì)液滴的作用效果增強(qiáng)，粉末顆粒中的細(xì)微粉末和非球形粉末增多，同時(shí)細(xì)微粉末與大顆粒粉末形成衛(wèi)星球，衛(wèi)星粉末的球形度變差。所以，粉末的松裝密度逐漸下降，流動(dòng)性隨之變差。

3 結(jié)論

1) 采用電極感應(yīng)熔煉氣霧化工藝，在霧化壓力為3.5～7.0 MPa下制備TC4合金粉末，隨霧化壓力增大，粉末的平均粒徑減小，粒度＜53 μm 的細(xì)粉收得率增加，當(dāng)霧化壓力增大到6.0 MPa時(shí)，TC4合金粉末的平均粒徑為48.6 μm，細(xì)粉收得率為40.8%。進(jìn)一步增大霧化壓力時(shí)，粉末的平均粒徑變大，細(xì)粉收得率隨之降低。

2) 當(dāng)霧化壓力為3.5 MPa時(shí)，粉末形貌最好，球形度最高。隨霧化壓力增大，衛(wèi)星球顆粒逐漸增多，粉末球形度變差，當(dāng)霧化壓力為7.0 MPa時(shí)，甚至出現(xiàn)較多非球形顆粒。

3) 當(dāng)霧化壓力為3.5 MPa時(shí)，粉末的真實(shí)密度為4.36 g/cm3，相對(duì)密度為99.1%，松裝密度為2.40 g/cm3，流動(dòng)性為22.4 s/50 g。隨霧化壓力增大，空心粉逐漸增多，松裝密度降低，流動(dòng)性也變差。當(dāng)霧化壓力為7.0 MPa時(shí)，粉末的性能最差，相對(duì)密度為97.7%，松裝密度為2.26 g/cm3，流動(dòng)性為31.8 s/50 g。

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