郭廣浩 ，唐超蘭 ?，楚瑞坤

1) 廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 廣州 510000 2) 飛而康快速制造科技有限責(zé)任公司, 無錫 214145

鈦合金材料在金屬增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用較成熟，鈦及鈦合金的打印件大多應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，由于打印成形過程中鈦合金的冷卻速率極快（達(dá)到108K/s），使得成形后鈦合金組織為一種非平衡的細(xì)晶組織，這比傳統(tǒng)工藝的鈦合金制件組織要細(xì)得多，因此打印件的性能（選區(qū)激光熔化成形Ti?6Al?4V合金的屈服強(qiáng)度高達(dá)≥1300 MPa）要顯著優(yōu)于傳統(tǒng)鑄件[1?4]。對于形狀復(fù)雜的零部件，比傳統(tǒng)工藝節(jié)省了較大的成本，使得增材制造用鈦粉也成為了重要的研究對象而快速發(fā)展[5?6]。

高質(zhì)量球形鈦粉是保證打印件性能優(yōu)良的基礎(chǔ)條件，增材制造行業(yè)的快速發(fā)展推動了高端鈦粉的需求更加地旺盛[7?9]。目前增材制造用鈦粉行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化還略顯乏力，主要是因?yàn)楦叨蒜伔鄣膽?yīng)用主要集中在選擇性激光熔化（selective laser melting，SLM）技術(shù)，選擇性激光熔化工藝要求鈦粉粒徑小于53 μm[10]，大部分鈦粉生產(chǎn)商和研發(fā)機(jī)構(gòu)的鈦粉在粒徑上基本符合選擇性激光熔化工藝的要求，但仍存在一些不穩(wěn)定因素，例如批次穩(wěn)定性低（氧含量高、夾雜物多和球形度低等）、成本高和小批量供應(yīng)等[11]。少數(shù)掌握成熟技術(shù)的廠商會用壟斷方式來加大其他技術(shù)較弱廠商對他們的依賴[12]，高昂的壟斷極大制約了制粉技術(shù)在增材制造鈦粉行業(yè)的推廣。因此，對高質(zhì)量球形鈦粉制備技術(shù)的研究和探索勢在必行。球形鈦粉的制備工藝主要包括熔煉工藝和霧化工藝，本文從這兩個方面對金屬增材制造用鈦粉制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀展開評述。

1 鈦及鈦合金熔煉技術(shù)

除Ti、Al和V外，增材制造用鈦粉對其它元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的控制要求非常嚴(yán)格，其中O≤0.13%，C≤0.08%，H≤0.012%，N≤0.03%。鈦及鈦合金的化學(xué)性能比其他常見金屬要活潑，固態(tài)下容易與一些氣體發(fā)生反應(yīng)，例如氧氣、氮?dú)?、氫氣和一氧化碳等[13]。在高溫熔融狀態(tài)下，鈦及鈦合金會與所接觸的耐火材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將氧、碳等雜質(zhì)元素滲透進(jìn)去，使氧、碳等雜質(zhì)元素的含量升高，導(dǎo)致打印零件性能出現(xiàn)缺陷，如氧化物、碳化物和間隙化合物等。因此，鈦及鈦合金的熔煉必須在惰性氣體或者真空保護(hù)氛圍下進(jìn)行，以降低原材料被污染的程度。

1.1 不同熱源的鈦熔煉技術(shù)

根據(jù)熱源的不同，鈦及鈦合金的熔煉熱源主要有電弧、電子束和電磁加熱，相應(yīng)技術(shù)有真空自耗電弧熔煉（vacuum arc remelting，VAR）、電子束冷床熔煉（electron beam cold hearth melting，EBCHM）和感應(yīng)熔煉（induction melting，IM）。鈦及鈦合金不同熔煉方法的工作原理如圖1所示，不同熔煉方法對比如表1所示。

表1 不同熔煉方法對比Table 1 Comparison of the different smelting methods

圖1 不同熱源熔煉技術(shù)原理圖：（a）真空自耗電弧熔煉；（b）電子束冷床熔煉；（c）感應(yīng)熔煉Fig.1 Schematic diagram of the smelting technology with the different heat sources: (a) vacuum arc remelting; (b) electron beam cold hearth melting; (c) induction melting

真空自耗電弧熔煉已經(jīng)發(fā)展了超過半個世紀(jì)[14]，其實(shí)質(zhì)是利用電弧產(chǎn)生的高溫?zé)崮軐⑩伡扳伜辖鸬淖院碾姌O在保護(hù)性氛圍或真空中下重新熔煉，形成重熔鑄錠。主要優(yōu)點(diǎn)有：1）能很好的去除易揮發(fā)雜質(zhì)和氣體；2）多次進(jìn)行自耗重熔，可以使鑄錠的成分均勻性提高；3）操作簡單，自動化程度高，效率高[15]。然而，真空自耗電弧熔煉技術(shù)不能從根本上消除高低密度夾雜，且在重熔過程中會出現(xiàn)自耗電極“斷裂”這一現(xiàn)象。電子束冷床熔煉技術(shù)的工作原理與真空自耗電弧熔煉技術(shù)有很大不同，除了利用多只電子槍（功率可達(dá)800 kW）作為熱源外，還分為熔化、精煉和結(jié)晶三個相對獨(dú)立的工作過程[16]。主要優(yōu)點(diǎn)有：1）相比真空自耗電弧熔煉技術(shù)，不需要制作自耗電極，減少預(yù)備期時間；2）更好地消除Mo、W、Nb等雜質(zhì)元素引起的高低密度夾雜；3）能夠靈活控制熔煉過程，確保各合金元素均勻化程度提高，減少成分偏析；4）效率高，費(fèi)用低。利用電子束冷床熔煉+真空自耗電弧熔煉能夠滿足航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件所需優(yōu)質(zhì)鈦合金的要求[17]。感應(yīng)熔煉是基于電磁感應(yīng)、集膚效應(yīng)和熱傳導(dǎo)來加熱熔化鈦及鈦合金[18]。感應(yīng)熔煉的主要優(yōu)點(diǎn)[19]有：1）加熱快，高頻狀況下，磁場變化快，加熱升溫快；2）損耗少，快速加熱能使被加熱的鈦及鈦合金快速達(dá)到要求的溫度點(diǎn)，減少熱輻射；3）生產(chǎn)效率高，加熱時間短，輸出能量高，可以實(shí)現(xiàn)快速熔化；4）成本低。

1.2 鈦粉制備的感應(yīng)熔煉方式

在金屬增材制造用球形鈦粉制備工藝中，熔煉工藝大多采用感應(yīng)熔煉，主要技術(shù)包括水冷銅坩堝熔煉、磁懸浮感應(yīng)熔煉和無坩堝熔煉。

在水冷銅坩堝熔煉鈦合金時，坩堝內(nèi)壁因水激冷而產(chǎn)生一層凝殼層，能夠有效減弱高溫鈦熔體與間隙元素發(fā)生反應(yīng)，減少間隙元素含量[20]。坩堝容量大是水冷銅坩堝熔煉的一大特點(diǎn)，范圍可從實(shí)驗(yàn)室等級的1～8 L到大型霧化系統(tǒng)的300 L，使得球形鈦粉的制備效率極大提高。

磁懸浮感應(yīng)熔煉指的是在熔煉過程中被熔煉材料懸浮在容器中心，熔體不與容器接觸[21]。磁懸浮感應(yīng)熔煉是熔煉活性金屬的先進(jìn)材料制備技術(shù)之一，由加熱線圈和浮力線圈共同作用，兩者共同調(diào)節(jié)熔化金屬所需的溫度、熔體懸浮力及側(cè)向穩(wěn)定力[22]。由于磁懸浮熔煉中鈦熔體沒有與坩堝接觸，即避免了鈦熔體受污染，也避免了因重力作用而導(dǎo)致合金成分偏析，使鈦熔體的合金成分分布更加均勻[23]。日本是掌握磁懸浮熔煉技術(shù)較成熟的國家之一，已經(jīng)能夠利用該技術(shù)獲得99.99%以上的高純度金屬，且電效率提高50%。雖然磁懸浮熔煉是熔化高活性金屬的先進(jìn)技術(shù)之一，但也存在一些問題，如平衡熔體自重與磁浮力的斥力和單次可熔金屬容量小[24]，因此在應(yīng)用范圍和認(rèn)可程度上還稍有不足。

鈦及鈦合金的無坩堝感應(yīng)熔煉在熔煉開始前需要制作帶錐形尖端的棒材電極，將錐形尖端置于通入交流電的感應(yīng)線圈內(nèi)，電極旋轉(zhuǎn)進(jìn)給并切割磁感線，可在極短的時間內(nèi)被加熱升溫至熔點(diǎn)以上[25]。由于熔煉過程中無坩堝，避免了鈦熔體在熔煉過程中的污染問題，具有純度高、生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，適合低氧含量增材制造用鈦粉的制備。

總的來說，金屬增材制造用鈦粉的熔煉工藝大多采用電磁加熱，可以有效減少雜質(zhì)元素含量。無坩堝感應(yīng)熔煉是制備高質(zhì)量鈦粉的首選，懸浮熔煉在控制雜質(zhì)元素上也非常出色，但單次可熔容量小和熔煉過程力的匹配仍需進(jìn)行研究。因此，懸浮熔煉鈦是這類高活性金屬熔煉的研究方向之一。

2 鈦粉制備技術(shù)

傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)主要有機(jī)械破碎法、霧化法、電解法和還原法，這些傳統(tǒng)制粉技術(shù)存在一些缺陷，除了粒徑大和純度不高，粉末形狀也不規(guī)則，如多角形、多孔海綿狀、樹枝狀等[26]。按照目前主流的金屬增材制造技術(shù)對粉末粒徑的要求，所需粉末粒徑為：激光同軸送粉技術(shù)在80～250 μm，選區(qū)激光熔化技術(shù)在10～53 μm，電子束選區(qū)熔化技術(shù)在40～100 μm[27]，且增材制造用金屬粉末還需要滿足高球形度、高純度和較窄的粒徑分布等特點(diǎn)。因此傳統(tǒng)的粉末制備技術(shù)大多不滿足目前金屬增材制造的用粉要求，且在制備合金粉末上存在局限性[28]。等離子旋轉(zhuǎn)電極法、等離子體霧化法和氣霧化法是目前常見的鈦粉制備方法，可以制備出滿足金屬增材制造用粉要求的鈦粉[29]，也是未來高質(zhì)量球形鈦粉制備技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

2.1 等離子旋轉(zhuǎn)電極法

等離子旋轉(zhuǎn)電極法（plasma rotating electrode process，PREP）[30]由美國核金屬公司于1974年開發(fā)成功，其原理如圖2所示，將等離子槍置于高速旋轉(zhuǎn)的自耗金屬電極棒端面，高溫的等離子弧將端面熔化，產(chǎn)生熔融液膜，液膜在高速旋轉(zhuǎn)離心作用下被分離出棒材，離散成更細(xì)小的液滴，液滴在表面張力和冷卻條件下形成球狀細(xì)粉，在重力作用下進(jìn)入集粉區(qū)域[31]。利用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制得的鈦粉具有球形度高、無衛(wèi)星粉和粉末表面光滑等優(yōu)點(diǎn)，可以有效減少鈦合金打印件氣孔、裂紋等缺陷。根據(jù)等離子旋轉(zhuǎn)電極法的霧化機(jī)制，熔融液滴脫離電極端面后，當(dāng)表面張力與離心力相等時，滿足球形液滴形成的臨界條件，可用式（1）表述。

圖2 等離子旋轉(zhuǎn)電極法原理圖Fig.2 Schematic diagram of PERP

式中：d為液滴直徑；ρ和σ分別是液滴密度和表面張力，霧化過程不變；D和ω分別是電極棒直徑和旋轉(zhuǎn)角速度。最終的粉末顆粒直徑便是液滴直徑，可以用式（2）近似表示。

式中：n為電極棒轉(zhuǎn)速，當(dāng)電極棒直徑一定時，提高轉(zhuǎn)速可以減小粉末顆粒直徑，提高細(xì)粉收得率[32]。等離子旋轉(zhuǎn)電極法技術(shù)受轉(zhuǎn)速限制，使得細(xì)粉收得率不高[33]。針對傳統(tǒng)的等離子旋轉(zhuǎn)電極臥式設(shè)備因提高轉(zhuǎn)速而出現(xiàn)振動大、噪聲高等現(xiàn)象，西安塞隆公司研發(fā)了新一代立式等離子旋轉(zhuǎn)電極設(shè)備（SLPREP），不僅將轉(zhuǎn)速提高至18000 r·min?1，而且將噪聲降低至89 dB[34]。超高轉(zhuǎn)速等離子旋轉(zhuǎn)電極 （SS-PREP）技術(shù)是一種商業(yè)化的球形鈦粉制備技術(shù)，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了33000 r·min?1的超高轉(zhuǎn)速，也突破了傳統(tǒng)的粗粉限制，為以細(xì)粉為導(dǎo)向的金屬增材制造技術(shù)提供更多的原材料來源選擇[35]。表2為傳統(tǒng)等離子旋轉(zhuǎn)電極臥式設(shè)備、立式等離子旋轉(zhuǎn)電極設(shè)備和超高轉(zhuǎn)速等離子旋轉(zhuǎn)電極設(shè)備性能對比。

表2 三種等離子旋轉(zhuǎn)電極技術(shù)對比[34?35]Table 2 Comparison of the three PREP technologies[34?35]

等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉過程中，電極棒端面熔化液膜厚度的不同會使液滴的破碎機(jī)制出現(xiàn)差異。根據(jù)液膜厚度大小，可以將破碎機(jī)制分為直接液滴破碎機(jī)制（direct drop formation，DDF）、液線破碎機(jī)制（ligament disintegration，LD）和液膜破碎機(jī)制（film disintegration，F(xiàn)D）[36]，三種破碎機(jī)制如圖3所示[37]。對于直接液滴破碎機(jī)制，當(dāng)液膜厚度較小時，大小均勻的液滴直接從熔化端面拋出，形成大小均勻的粉末顆粒。對于液線破碎機(jī)制，當(dāng)熔化量增大，液膜厚度變大，拋出的液滴會被拉長形成液線，此時除了拋出的液滴會形成顆粒，液線也會分解冷卻形成更小的顆粒。對于液膜破碎機(jī)制，隨著熔化量進(jìn)一步增大，液膜厚度進(jìn)一步增大，所形成的粉末顆粒較大[38]。

圖3 等離子旋轉(zhuǎn)電極破碎機(jī)制[37]：（a）直接液滴破碎；（b）液線破碎；（c）液膜破碎Fig.3 Disintegration model of PREP[37]: (a) direct drop formation; (b) ligament disintegration; (c) film disintegration

2.2 等離子體霧化法

等離子體霧化法（plasma atomization，PA）[39]是美國首先推出的一種球形金屬粉末制備方法，加拿大先進(jìn)粉末及涂層公司（AP&C）是該項(xiàng)技術(shù)的專利擁有者，也是最早實(shí)現(xiàn)等離子體霧化制備金屬粉體的供應(yīng)商。等離子體霧化制粉原理可以表述為：以絲材狀的金屬或合金為原材料，通過送料機(jī)構(gòu)以恒定速度進(jìn)給，在多個等離子體火炬產(chǎn)生的極高溫度作用下，絲材狀原料被熔化并霧化成超細(xì)液滴，在冷卻氬氣的冷凝作用下形成超細(xì)粉末，其原理圖如圖4所示。等離子體霧化法的特點(diǎn)有：1）球形度高和粒徑偏細(xì)；2）用高溫氬氣代替低溫氬氣 （加熱后的氬氣流速更高）；3）原材料熔化和液相破碎霧化幾乎同時進(jìn)行；4）粉末粒徑分布窄（0～106 μm）；5）“衛(wèi)星球”少[40?43]。等離子體霧化法制粉工藝想要獲得最佳的霧化效果，必須綜合研究多項(xiàng)工藝參數(shù)，其中最重要的是送絲速率與火炬功率，此外，影響等離子體霧化法粉末顆粒形貌和粒徑分布的兩個重要參數(shù)分別是等離子火炬反應(yīng)腔室和等離子體速度[44]。

圖4 等離子體霧化法原理圖Fig.4 Schematic diagram of PA

目前，等離子體霧化法在鈦合金增材制造行業(yè)內(nèi)也存在發(fā)展瓶頸。由于使用的是絲材狀原材料，限制了難變形金屬或合金粉末的制備，因此可制備的粉末種類較少，同時也提高了生產(chǎn)成本。熟練掌握該項(xiàng)技術(shù)的廠商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高純度球形鈦粉的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)并提供出口，但是這些廠商對這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了嚴(yán)格的技術(shù)封鎖，限制了該項(xiàng)技術(shù)的推廣，其他廠商主要是引進(jìn)AP&C公司的設(shè)備以及對非核心技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，這也使得高質(zhì)量鈦粉始終處于較高的銷售價格。加拿大PyroGenesis公司開發(fā)了一種新的等離子體霧化技術(shù)，可用于生產(chǎn)細(xì)顆粒金屬粉末（粒徑5～20 μm），提高了生產(chǎn)效率且降低了成本[45]。湖南頂立公司以等離子體制粉技術(shù)為突破口，研制了第2代等離子體霧化設(shè)備，使得粉末球形度達(dá)到95%，松裝密度達(dá)到54%，細(xì)粉率 （達(dá)到32.6%）接近AP&C公司的41.2%[46]。由此可見，等離子體霧化技術(shù)依然有很大的研究價值和提升空間。

2.3 氣霧化法

氣霧化法（gas atomization，GA）的主要代表技術(shù)有真空感應(yīng)熔煉氣霧化（vacuum inert gas atomization，VIGA）法和電極感應(yīng)熔煉氣霧化（electrode induction melting gas atomization，EIGA）法[47]。

真空感應(yīng)熔煉氣霧化法又稱為水冷銅坩堝氣霧化法。在19世紀(jì)90年代，美國發(fā)表了真空感應(yīng)熔煉氣霧化法制備鈦及鈦合金的首項(xiàng)專利，并在1988年建立了年產(chǎn)11 t的設(shè)備。真空感應(yīng)熔煉氣霧化法是以電磁加熱為熱源，原材料在水冷銅坩堝內(nèi)熔化為熔融金屬并保溫，經(jīng)坩堝底部導(dǎo)流管流出，熔融金屬被高速氣體沖擊成小液滴，形成的微細(xì)液滴在冷卻塔內(nèi)凝固成固體粉末[48]，其原理圖如圖5（a）所示。真空感應(yīng)熔煉氣霧化法具有以下特點(diǎn)：（1）單次可熔容量大；（2）細(xì)粉收得率高且球形度好；（3）粉末粒度分布寬；（4）可制備合金粉末種類多，國內(nèi)外已實(shí)現(xiàn)多種球形金屬粉末的產(chǎn)業(yè)化[49]。坩堝內(nèi)壁會生成凝殼層，有效減少熔體受污染。雖然凝殼層的存在能有效減少熔體受污染，然而粉末的雜質(zhì)元素含量仍高于其他技術(shù)制備的粉末，原因是熔體在坩堝內(nèi)的保溫時間長和容易引起導(dǎo)流管腐蝕，使得粉末的雜質(zhì)元素含量相對較高。有研究人員[50]對真空感應(yīng)熔煉氣霧化法的雜質(zhì)元素控制做出研究，發(fā)現(xiàn)在有保護(hù)性涂層的情況下，越接近導(dǎo)流管流出處，雜質(zhì)元素的含量越高。因此，控制雜質(zhì)元素含量是真空感應(yīng)熔煉氣霧化法的一個重大課題。同時，也有研究人員對真空感應(yīng)熔煉氣霧化制粉工藝做出改進(jìn)，以提高粉末質(zhì)量[51?52]。

德國ALD公司在20世紀(jì)90年代發(fā)布了電極感應(yīng)熔煉氣霧化法的專利，也是現(xiàn)階段掌握該技術(shù)和出口相應(yīng)制粉設(shè)備的公司。電極感應(yīng)熔煉氣霧化法的原理是：將具有錐形底部的金屬棒材尖端對準(zhǔn)感應(yīng)線圈中心，在交變磁場的作用下，金屬棒材瞬時升溫至熔點(diǎn)，熔融液流沿著金屬棒材向下流動并落入噴氣嘴中心，被超高速氬氣沖擊破碎并冷凝成金屬粉末[53]，相比真空感應(yīng)熔煉氣霧化法，電極感應(yīng)熔煉氣霧化法沒有坩堝，而是直接利用感應(yīng)加熱進(jìn)行熔化，可以制備高活性金屬甚至是所有金屬，這樣的設(shè)計(jì)可以極大降低雜質(zhì)元素含量[54]，其原理圖如圖5（b）所示。相比真空感應(yīng)熔煉氣霧化法，電極感應(yīng)熔煉氣霧化法沒有坩堝，而是直接利用感應(yīng)加熱進(jìn)行熔化，可以制備高活性金屬甚至是所有金屬，這樣的設(shè)計(jì)可以極大降低雜質(zhì)元素含量[54]。該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是避免了鈦及鈦合金在熔煉過程被污染，工藝流程的能耗較小，也是一項(xiàng)簡單易操作的制粉技術(shù)。但是電極感應(yīng)熔煉氣霧化法也存在一些問題：1）電極直徑尺寸發(fā)展受限；2）熔煉過程的穩(wěn)定性差；3）電極熔斷導(dǎo)致噴嘴氣孔受堵；4）細(xì)粉收得率低。

圖5 鈦粉制備技術(shù)原理圖：（a）真空感應(yīng)熔煉氣霧化法；（b）電極感應(yīng)熔煉氣霧化法Fig.5 Schematic diagram of the titanium powder preparation technology: (a) vacuum inert gas atomization; (b) electrode induction melting gas atomization

電極感應(yīng)熔煉氣霧化工藝包括熔煉工藝和霧化工藝。熔煉工藝會影響進(jìn)入霧化區(qū)域的金屬熔體的狀態(tài)，進(jìn)而影響粉末特性。可以由Lubanska公式[55]來表示熔體屬性對粉末特性的影響，如式（3）所示。

式中：d50為粉末中位粒徑；ηm，σm分別為熔體運(yùn)動黏度和表面張力；A為氣體質(zhì)量流率；ρg為氣體密度；ηg為氣體運(yùn)動黏度；ρm為熔體密度；M為熔體質(zhì)量流率。由式（3）可知，ηm和σm越小，則d50越小，所以熔體的運(yùn)動黏度和表面張力是影響粉末中位粒徑大小的關(guān)鍵因素[56]。金屬熔體的運(yùn)動黏度和表面張力是關(guān)于溫度的線性方程[57]，以鈦合金為例，相應(yīng)的方程[58]如式（4）所示。

式中：Tm為鈦合金熔點(diǎn)，當(dāng)熔體溫度T越大，則黏度和表面張力均會減小，由Lubanska公式得知，黏度和表面張力減小均有利于減小粉末中位粒徑。因此，控制好鈦合金的熔煉過程，有利于最終的鈦粉質(zhì)量。

霧化工藝的重點(diǎn)在霧化機(jī)制的三個階段和兩種典型二次破碎模型，如圖6[59]所示，三個霧化階段包括：第一階段，受高速霧化氣流沖擊的金屬液滴被撕裂并拉扯成波浪狀的金屬液膜；第二階段：受霧化氣流擾動的影響，波浪狀金屬液膜在液體表面張力的作用下變得不穩(wěn)定，會再次被撕裂成細(xì)長的棒狀液滴；第三階段棒狀液滴和未破碎的金屬液膜在高速霧化氣流的沖擊下進(jìn)行二次破碎。二次破碎在霧化制粉過程中起很大的作用[60]，韋伯?dāng)?shù)（We）是這其中一個很重要的參數(shù)，定義韋伯?dāng)?shù)公式[61]為如式（5）所示。

圖6 典型二次破碎模型[59]Fig.6 Typical model of the secondary disintegration[59]

式中：ρg是氣體密度，Ur是氣流與液滴的相對速度，dp是液滴直徑，σ是液滴表面張力。可以用韋伯?dāng)?shù)來描述二次破碎的物理機(jī)制，韋伯?dāng)?shù)越大，破碎趨勢越大?！按狡扑椤保╞ag breakup）和“延展式破碎”（stripping breakup）是兩種典型的二次破碎模型，當(dāng)韋伯?dāng)?shù)較低（We=15～20）時，破碎模型為“袋式破碎”，“袋式破碎”得到的顆粒分布在比較寬的范圍內(nèi)。隨著氣流壓力的提高，韋伯?dāng)?shù)也隨之提高。當(dāng)韋伯?dāng)?shù)較高（We=101）時，破碎模式為“延展式破碎”，“延展式破碎”與“袋式破碎”相反，液滴在兩側(cè)被拉扯成薄片后進(jìn)行破碎，因此能獲得更小的液滴[62?63]。

等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備的鈦粉粒度范圍較窄，細(xì)粉收得率不高，且受設(shè)備結(jié)構(gòu)限制，發(fā)展上有所阻礙。雖然在核心技術(shù)上突破，但是能否取代主流的鈦粉制備技術(shù)，仍然未知。等離子體霧化法是最具有發(fā)展?jié)摿Φ闹品奂夹g(shù)，所獲得的鈦粉球形度高，粒徑偏細(xì)，空心率小，但受限于原材料適用范圍小。真空感應(yīng)熔煉氣霧化法是國內(nèi)較成熟的鈦粉制備技術(shù)，但受污染程度相對較嚴(yán)重，在高質(zhì)量打印件的原料選擇上不具備優(yōu)勢。電極感應(yīng)熔煉氣霧化法和真空感應(yīng)熔煉氣霧化法的共同缺點(diǎn)是空心率較高和衛(wèi)星粉較多，主要原因是：1）高超速氬氣在破碎金屬液流時會被包裹進(jìn)液滴內(nèi)，在極快的冷卻速率下，氬氣還沒跑出來時微細(xì)液滴就直接形成金屬粉末；2）制粉過程出現(xiàn)“傘效應(yīng)”，粉末粒度分布范圍較寬，小顆粒粉末黏附在大顆粒粉末的概率增大[64]。幾種鈦粉制備方法的總結(jié)對比如表3所示。

表3 幾種鈦粉制備方法對比Table 3 Comparison of the several preparation methods for the titanium powders

3 鈦粉制備數(shù)值模擬應(yīng)用

球形鈦粉的熔煉工藝和霧化工藝不僅技術(shù)原理復(fù)雜，而且在實(shí)際工作過程中不容易用肉眼觀察。熔煉工藝通常需要在真空密閉環(huán)境下進(jìn)行；霧化工藝需要在巨型霧化塔內(nèi)進(jìn)行。在實(shí)際生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中，即使借助儀器，也很難進(jìn)行細(xì)致的觀察。目前大部分企業(yè)通過長時間的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工藝流程優(yōu)化，導(dǎo)致研發(fā)周期長和成本高。利用數(shù)值模擬技術(shù)可以將鈦粉的制備工藝轉(zhuǎn)換為數(shù)字模型，通過求解數(shù)字模型從而對制粉物理過程進(jìn)行分析，可以求解不同初始條件下的物理結(jié)果，從而減少研發(fā)周期和成本。

現(xiàn)有的數(shù)值模擬軟件有Ansys，Matlab，Abaqus，Comsol等。Ansys是國際知名的工程CAE軟件，發(fā)展時間久，軟件成熟度高，主要優(yōu)點(diǎn)有：1）強(qiáng)大的非線性分析功能；2）強(qiáng)大的并行計(jì)算功能；3）網(wǎng)格劃分能力強(qiáng)大；4）良好的用戶開發(fā)環(huán)境[65]。Comsol原稱Comsol Multiphysics，被稱為“第一款真正的任意多物理場直接耦合分析軟件”，Comsol的發(fā)展時間比Ansys要晚，但是該軟件以其獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念，已經(jīng)在各類數(shù)值模擬軟件占據(jù)了核心地位，主要優(yōu)點(diǎn)有：1）可以輕松實(shí)現(xiàn)多物理場的直接耦合分析；2）專業(yè)的計(jì)算模型庫；3）內(nèi)嵌有豐富的CAD建模工具；4）豐富的后處理功能，輸出的圖片和動畫可視化強(qiáng)；5）多國語言操作界面，易學(xué)易用。將Ansys和Comsol的對比總結(jié)于表4。

表4 Ansys和Comsol數(shù)值模擬軟件對比Table 4 Comparison of Ansys and Comsol

3.1 霧化流場模擬

歐陽鴻武等[66]用Ansys軟件建立了霧化噴嘴的二維結(jié)構(gòu)數(shù)字模型，對不同霧化參數(shù)下霧化流場進(jìn)行數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明：霧化流場結(jié)構(gòu)有“開渦?閉渦”突變現(xiàn)象，當(dāng)霧化壓力（P）略高于臨界霧化壓力（Pc）時，馬赫盤起截?cái)嘧饔?，使霧化流場由開渦向閉渦突變，并引起熔體下方抽吸壓力（Pa）下降；噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對臨界霧化壓力有顯著影響，但對抽吸壓力無明顯影響。郭快快等[67]采用CFD軟件模擬了真空感應(yīng)熔煉氣霧化制粉的噴射夾角對主霧化和二次霧化過程的影響，模擬結(jié)果顯示：噴射夾角的增大會使氣體回流區(qū)減小，且金屬熔體的破碎是一個動態(tài)平衡過程，按照“噴泉狀?傘狀”連續(xù)循環(huán)發(fā)生破碎。

3.2 熔體性質(zhì)模擬

Tanaka等[68]建立了等離子體熔化的數(shù)字模型，研究表明：熔池內(nèi)的連續(xù)液流主要受到馬蘭戈尼力的控制，而另外一個主要的力是氬弧的拉力或者氦氣的電磁力。王書桓等[69]用Fluent軟件對高溫熔體霧化進(jìn)行了模擬，分析熔體過熱度對液滴凝固前飛行距離和破碎程度的影響，結(jié)果表明：隨著熔體過熱度的提高，液滴飛行距離上升且有利于細(xì)化粉末粒徑。

3.3 感應(yīng)熔煉模擬

Bojarevics等[70]研究了電極感應(yīng)熔煉氣霧化法下電磁場與溫度場對液流狀態(tài)的作用，模擬結(jié)果顯示：電流為1600 A，頻率為150 kHz時，能夠形成連續(xù)的液流，而過高的電流或頻率都會導(dǎo)致熔化區(qū)域小或熔化只發(fā)生在中心區(qū)域現(xiàn)象的出現(xiàn)。Iatcheva等[71]用Comsol建立電磁場與溫度場的緊耦合數(shù)字模型，研究發(fā)現(xiàn)：感應(yīng)線圈形狀對電磁場與溫度場的分布有影響，線圈平行受熱體時，主要受熱范圍集中在受熱體中部，通過改變線圈結(jié)構(gòu)，使兩端略高于中間，可使受熱范圍集中在受熱體兩端。Shan等[72]用Comsol軟件建立了電極感應(yīng)熔煉氣霧化法的電磁?熱場耦合模型，研究不同匝數(shù)下電磁場和溫度場的分布。研究結(jié)果顯示：在四匝和五匝線圈的數(shù)值模擬中，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度相同，而四匝線圈的磁感應(yīng)密度比五匝的要密集，導(dǎo)致相同時間內(nèi)四匝線圈下的電極更快到達(dá)熔點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本相符，相同時間下五匝線圈的電極沒有到達(dá)熔化階段。Heidloff等[73]通過數(shù)值模擬優(yōu)化鈦合金熔化工藝，結(jié)果顯示：逐漸減小的線圈直徑比等直徑線圈的熔化效果要好，能將感應(yīng)場和高功率密度聚集在電極的底部區(qū)域，并且更有利于鈦粉的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.10%甚至0.08%。

3.4 制粉全過程模擬

夏敏等[74]用Ansys的Fluent流體力學(xué)模塊對電極感應(yīng)熔煉氣霧化噴嘴的主霧化與二次霧化過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)了霧化過程的全過程模擬，在設(shè)定與實(shí)驗(yàn)條件一樣的模擬初始條件下，預(yù)測大部分粉末顆粒直徑在100 μm左右，該模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符。王建軍等[75]為了解決射頻等離子體球化制粉過程中存在的監(jiān)測困難和成本高問題，用Ansys建立了球化制粉過程的數(shù)值模擬。結(jié)果表明，等離子體炬中心區(qū)溫度高達(dá)10148 K且具有較大的溫度梯度，能使球化粉末具備球形度高和結(jié)構(gòu)致密的特點(diǎn)；提高送粉率會使粉末的球化率下降，并且認(rèn)為收粉率低的主要原因是湍流作用下的粉末雜亂運(yùn)動。鄭華[76]建立了等離子體球化鈦粉的數(shù)字模型，研究固定入射速度和送粉速率下，不同粒徑顆粒的運(yùn)動軌跡與加熱歷程。結(jié)果表明：顆粒粒徑大小對顆粒的運(yùn)動軌跡有較大的影響，粒徑大則受回流作用較大，且容易因加熱過高而直接蒸發(fā)，粒徑小則受回流作用較小，不容易蒸發(fā)。載氣量對球化結(jié)果也有影響，使鈦粉團(tuán)聚現(xiàn)象減少，流動性更好。

數(shù)值模擬技術(shù)具備實(shí)驗(yàn)方法不可比擬的優(yōu)勢，能夠大大減少研發(fā)成本和周期。數(shù)值模擬技術(shù)在球形鈦粉制備工藝上的應(yīng)用研究已經(jīng)開展了很久，研究人員利用該技術(shù)去優(yōu)化球形鈦粉制備過程的熔煉工藝和霧化工藝，均取得一定成就，但仍存在數(shù)字模型過于單調(diào)，跟現(xiàn)實(shí)物理過程存在偏差等問題，主要原因在于：（1）算法基礎(chǔ)差；（2）物理過程數(shù)據(jù)采集不全；（3）制粉工藝知識不足。因此，圍繞3D打印鈦粉制備的數(shù)值模擬未來主要的研究方向包括：（1）提高算法能力，開發(fā)具有專門性、針對性的工藝模擬軟件；（2）提高數(shù)據(jù)采集能力，鈦粉制備是變溫速度和幅度都很大的過程，各項(xiàng)屬性參數(shù)均是溫度的函數(shù)，提高數(shù)據(jù)采集能力可以更好地還原物理過程和提高模擬可靠性；（3）加強(qiáng)理論知識學(xué)習(xí)，更深入地去研究整個制備過程，將模擬結(jié)果的溫度場、電磁場和流場等相互耦合分析，得出更佳、更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治鼋Y(jié)果。

4 結(jié)論與展望

未來，高質(zhì)量和低成本的球形鈦粉是金屬增材制造的主要發(fā)展方向，且隨著金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展，會對球形鈦粉提出更高的要求。本文綜述了鈦及鈦合金主要的熔煉技術(shù)以及鈦粉主要的感應(yīng)熔煉技術(shù)，介紹了主要的鈦粉制備技術(shù)，并分析了各項(xiàng)技術(shù)的制備原理、粉末特性的影響因素、霧化破碎機(jī)制以及各項(xiàng)技術(shù)間的對比，最后分不同模塊總結(jié)了數(shù)值模擬技術(shù)在鈦粉制備技術(shù)上的應(yīng)用。值得一提的是，高質(zhì)量球形鈦粉制備技術(shù)在金屬增材制造領(lǐng)域內(nèi)仍有很大的發(fā)展空間，因此未來的重點(diǎn)研究內(nèi)容可以是：

（1）加大球形鈦粉制備技術(shù)研究及理論創(chuàng)新，優(yōu)化制粉工藝，提高效益。

（2）數(shù)值模擬技術(shù)在制粉過程的可視化上發(fā)揮了巨大作用，深入研究和優(yōu)化算法，更好地協(xié)助鈦粉制備。

（3）等離子體霧化法技術(shù)有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ@也是球形鈦粉的重要發(fā)展方向。

（4）開發(fā)更先進(jìn)的粉末處理和檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在粉末端口做好質(zhì)量把控。