增材制造用球形金屬粉末主要制備技術(shù)的研究進(jìn)展

吳文恒，王 濤，范 玎

(上海材料研究所，上海3D打印材料工程技術(shù)研究中心，上海 200437)

0 引 言

近年來(lái)，增材制造技術(shù)的快速發(fā)展使增材制造行業(yè)規(guī)模得到迅速擴(kuò)大，也促使增材制造的產(chǎn)業(yè)格局逐步完善，目前增材制造已成為智能制造和先進(jìn)制造的關(guān)鍵模塊。在此過(guò)程中，金屬增材制造技術(shù)完成了由最初的學(xué)術(shù)理念到工業(yè)化應(yīng)用的蛻變，并發(fā)展成為增材制造產(chǎn)業(yè)體系中最具潛力的重要技術(shù)分支，更是增材制造技術(shù)更新迭代的顯著標(biāo)志。

金屬增材制造使用的主要原材料為金屬粉末，制備金屬粉末的主要方法有機(jī)械破碎法、霧化法、還原法、電解法、氫化脫氫法等。其中，霧化法中的氣霧化法、等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法和等離子霧化法可制備球形金屬粉末，并且粉末的化學(xué)成分均勻、氧含量低、球形度高，尤其適用于金屬增材制造，而球形金屬粉末特性也成為決定成形制件性能的先決條件。增材制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)了球形金屬粉末的巨大市場(chǎng)需求[1]，因此如何高效制備高品質(zhì)球形金屬粉末成為增材制造技術(shù)發(fā)展與變革的關(guān)鍵[2]。為了給增材制造技術(shù)研究及粉末原材料耗材生產(chǎn)領(lǐng)域的研發(fā)人員提供借鑒，作者對(duì)增材制造用球形金屬粉末的主要制備方法進(jìn)行了介紹，綜述了制備原理、生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)、重要工藝參數(shù)和未來(lái)發(fā)展方向。

1 氣霧化法

1.1 技術(shù)原理

氣霧化法(Gas Atomization, GA)起源于19世紀(jì)20年代，是利用高速氣流沖擊金屬熔液，將氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為微小金屬熔滴的表面能，最終冷卻獲得球形金屬粉末的工藝[3]。為解決活潑金屬粉末制備的難題，用惰性氣體作為霧化介質(zhì)，進(jìn)而形成了惰性氣體霧化法(Inert Gas Atomization, IGA)；隨后為提升金屬粉末的品質(zhì)，將真空熔煉技術(shù)與惰性氣體霧化技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展出真空氣霧化法(Vacuum Gas Atomization, VGA)，可顯著降低設(shè)備內(nèi)部的氧含量，有效控制合金元素的氧化燒損和夾雜，提高粉末的純凈度，并逐漸成為氣霧化制粉的主流方法[4-5]。真空氣霧化技術(shù)在控制合金元素成分偏析方面具備明顯優(yōu)勢(shì)，結(jié)合工藝調(diào)整，可改善合金元素的固溶度、第二相尺寸形貌及分布等[6]。理論上任何能夠熔化形成互熔合金熔液的金屬，都能夠通過(guò)氣霧化的方式制備成金屬粉末，這也為擴(kuò)展粉末材料種類和新材料開發(fā)提供了良好的技術(shù)手段。

通過(guò)氣霧化法獲得的金屬粉末特性及目標(biāo)粒度段的收得率主要決定于霧化器結(jié)構(gòu)。早期的霧化器主要分為自由落體式(Free-fall Gas Atomization, FFGA)和限制式(Confined Gas Atomization, CGA)[7-8]兩種類型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用自由落體式噴嘴霧化時(shí)，金屬熔液從陶瓷導(dǎo)流嘴流出至噴嘴氣流匯聚點(diǎn)之間呈現(xiàn)自由落體狀態(tài)，該噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不易發(fā)生堵塞，并且霧化工藝控制簡(jiǎn)單，適用于生產(chǎn)較大粒徑(50～300 μm)的粉末[9]。為了提升小粒徑金屬粉末的收得率，研發(fā)出限制式噴嘴，在霧化時(shí)，陶瓷導(dǎo)流嘴將金屬熔液直接引導(dǎo)進(jìn)入霧化區(qū)，大大縮短了氣流在破碎金屬熔液前的飛行距離，顯著提升了霧化效率，但限制式噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，裝配要求高，氣體對(duì)導(dǎo)流嘴冷卻作用強(qiáng)，易導(dǎo)致金屬熔液“結(jié)瘤”和上翻引起導(dǎo)流嘴堵塞，因此霧化工藝控制較難[10]。到20世紀(jì)80年代中期，限制式噴嘴結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，通過(guò)減小導(dǎo)流嘴直徑縮短高壓氣流出口到金屬液流的距離，使高速氣流在短距離內(nèi)達(dá)到破碎金屬液流的效果，顯著降低氣流噴射的能量衰減，提高氣體動(dòng)能傳輸效率，從而提高霧化效率和細(xì)粉收得率，由此形成緊耦合結(jié)構(gòu)噴嘴；采用這種結(jié)構(gòu)噴嘴霧化制備的粉末粒徑分布窄，并可明顯提高粉末的冷卻速率[11]。

圖1 霧化器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of atomizers: (a) FFGA and (b) CGA

在增材制造用球形金屬粉末的制備技術(shù)中，基于自由落體式和限制式/緊耦合式結(jié)構(gòu)噴嘴與真空感應(yīng)熔煉技術(shù)的應(yīng)用，分別對(duì)應(yīng)電極感應(yīng)熔煉惰性氣體霧化(Electrode Induction Melting Gas Atomization, EIGA)和真空感應(yīng)熔煉惰性氣體霧化(Vacuum Induction Melting Inert Gas Atomization,VIGA)兩種技術(shù)路徑，其設(shè)備原理如圖2所示。其中，典型的EIGA設(shè)備熔煉霧化技術(shù)由德國(guó)Leybold公司發(fā)明[12]，后由德國(guó)ALD公司結(jié)合真空技術(shù)制造出VIGA設(shè)備。EIGA設(shè)備以合金棒材為原料，棒材底部呈錐狀，熔煉時(shí)伸入錐形感應(yīng)線圈中，棒料底端熔化形成的熔滴經(jīng)噴嘴中心孔時(shí)被惰性氣體霧化后冷卻得到球形金屬粉末。由于EIGA技術(shù)采用無(wú)坩堝式熔煉，并且通常使用氬氣霧化，更適用于活潑金屬(如鈦合金)或純度要求高的合金(如醫(yī)用CoCrMo合金、鎳基高溫合金等)粉末制備，此外相比傳統(tǒng)的自由落體式霧化方法，由于棒料錐角熔化形成的金屬液流較細(xì)，因此霧化后更容易得到粒徑細(xì)小的金屬粉末。VIGA技術(shù)則是采用坩堝盛放金屬熔液，金屬熔液經(jīng)中間包和導(dǎo)流嘴后直接進(jìn)入霧化區(qū)，最終霧化獲得球形金屬粉末。

圖2 氣霧化設(shè)備原理示意Fig.2 Schematic of gas atomization apparatus principle：(a) EIGA and (b) VIGA

氣霧化法可輕松實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，是目前增材制造用球形金屬粉末的主要生產(chǎn)方式。氣霧化法制備的金屬粉末冷卻速率快、成分均勻、球形度高、粒度分布較寬，其中：15～53 μm粒徑范圍的粉末收得率可達(dá)35%～45%，可用于選區(qū)激光熔化技術(shù)；53～150 μm粒徑范圍的粉末則可用于同軸送粉的激光立體成型技術(shù)。

1.2 重要工藝參數(shù)

在氣霧化過(guò)程中，影響霧化效率和粉末特性的重要工藝參數(shù)有霧化介質(zhì)、霧化壓力、金屬熔液過(guò)熱度、金屬液流直徑和霧化噴射角度等。

常用的霧化介質(zhì)為氮?dú)?、氬氣。霧化介質(zhì)主要與金屬熔液進(jìn)行能量交換和熱量交換，進(jìn)而對(duì)金屬粉末的化學(xué)成分、粒徑分布、顆粒形態(tài)等理化特性產(chǎn)生影響[13]。霧化介質(zhì)的溫度越高，氣流噴射速度越快，對(duì)金屬熔液的沖擊力越大，金屬熔液破碎得越充分。同時(shí)，霧化介質(zhì)的自身冷卻速率也會(huì)影響金屬熔滴的冷卻效果及金屬粉末形貌。

霧化壓力是影響金屬粉末特性的主要因素，也是霧化介質(zhì)破碎金屬熔液，將氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為金屬熔滴表面能的重要能量來(lái)源，對(duì)金屬粉末的粒徑分布及表面形貌有直接影響。在一定壓力范圍內(nèi)，金屬粉末的粒徑隨霧化壓力的增加而減小[14]。當(dāng)霧化壓力持續(xù)增大時(shí)，氣體流量增加，生產(chǎn)成本提高，氣體的冷卻能力加強(qiáng)，堵塞中斷的風(fēng)險(xiǎn)加大；同時(shí)，霧化氣流場(chǎng)中負(fù)壓逐漸降低，對(duì)金屬熔液的抽吸效果逐漸減弱，甚至產(chǎn)生向上的反沖力，導(dǎo)致金屬熔液在霧化噴嘴或?qū)Я髯焯幎氯?，進(jìn)而降低氣霧化的穩(wěn)定性和霧化效率。

金屬熔液過(guò)熱度是指霧化前金屬熔液溫度與金屬熔點(diǎn)的差值。過(guò)熱度主要影響金屬熔液的黏度[15]。金屬熔液的黏度通常隨溫度的升高而減小。在一定溫度范圍內(nèi)增加過(guò)熱度，金屬熔液黏度降低，有利于被高壓氣體充分破碎，獲得細(xì)小粒徑的金屬粉末，同時(shí)增加過(guò)熱度也可使金屬熔滴在飛行過(guò)程中的冷卻和凝固時(shí)間延長(zhǎng)，更容易獲得高球形度的金屬粉末。

金屬液流直徑主要由導(dǎo)流嘴孔徑控制。在相同霧化壓力條件下，金屬液流直徑減小，單位時(shí)間內(nèi)金屬液流被沖擊破碎得更加充分，細(xì)粉收得率也會(huì)相應(yīng)增加，但也會(huì)減少金屬熔液的熱量，在高壓氣體的冷卻作用下，增加了發(fā)生堵塞中斷的風(fēng)險(xiǎn)。

霧化噴射角度主要影響霧化區(qū)的抽吸力及氣流的動(dòng)能利用率。霧化噴射角度越小，霧化區(qū)的抽吸力越大，金屬熔液流速越快，在相同霧化氣體流量下金屬熔液破碎得越不充分，并且導(dǎo)流嘴出口位置與霧化氣體交匯點(diǎn)的距離越大，氣流速度在噴射過(guò)程中衰減得愈加明顯，導(dǎo)致高速氣流動(dòng)能利用率降低，因而不易獲得細(xì)小的金屬粉末；相反，霧化噴射角度越大，導(dǎo)流嘴出口處到氣流交匯點(diǎn)處的距離越短，氣流的動(dòng)能利用率越高，金屬粉末粒徑較小，但霧化噴射角度過(guò)大會(huì)使霧化區(qū)內(nèi)的抽吸力減小甚至轉(zhuǎn)變成反向壓力，導(dǎo)致金屬熔液反噴，嚴(yán)重影響霧化生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

1.3 發(fā)展方向

(1) 基于De Laval超音速噴嘴的新型霧化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。將具有收縮-擴(kuò)張形態(tài)的De Laval噴嘴應(yīng)用于霧化器從而獲得超音速的噴射氣流，以提升霧化效率和細(xì)粉收得率，已經(jīng)成為目前氣霧化生產(chǎn)領(lǐng)域中較為成熟的技術(shù)，而具有復(fù)合效果的新型霧化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將會(huì)是今后氣霧化技術(shù)的重要發(fā)展方向。對(duì)霧化器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使霧化器同時(shí)具備De Laval噴嘴形態(tài)和能形成共振效應(yīng)的Hartmann振動(dòng)管結(jié)構(gòu)，可在霧化過(guò)程中獲得超音速噴射氣流的同時(shí)產(chǎn)生80～100 kHz脈沖頻率的Hartmann共振，從而形成超聲霧化，進(jìn)而顯著提升高速氣流的破碎效果[16-17]。此外，基于 De Laval 噴嘴的層流氣體霧化技術(shù)(Laminar Flow Gas Atomization, LFGA)，能克服常規(guī)氣霧化過(guò)程中氣流擾動(dòng)以及能量損失大等問(wèn)題，可更好地控制金屬粉末的粒徑分布，在霧化時(shí)噴嘴處氣流和金屬熔液均為層流狀態(tài)，氣流噴射方向平行于金屬液流，在剪切力和氣流擠壓的作用下金屬液流發(fā)生變形，液流直徑不斷減小，直至液流呈細(xì)絲狀，并出現(xiàn)層流纖維化現(xiàn)象[6]，該技術(shù)可有效提升霧化效率，同時(shí)結(jié)合能產(chǎn)生超音速氣流的De Laval噴嘴結(jié)構(gòu)[18]，可使細(xì)粉收得率得到大幅提升；層流霧化氣體消耗量相對(duì)較低，可大幅降低生產(chǎn)成本。

(2) 熱氣體霧化技術(shù)。熱氣體霧化技術(shù)是在傳統(tǒng)氣霧化技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)提高霧化介質(zhì)溫度，使氣體在霧化器噴嘴出口處膨脹，達(dá)到提升噴射速度的目的[19]。在相同霧化壓力和耗氣量下，提高霧化介質(zhì)溫度可使霧化氣體動(dòng)能顯著提高，從而提升霧化效率，有效降低粉末的平均粒徑。

(3) 空心粉的控制技術(shù)。通常認(rèn)為空心粉的形成與液滴的袋式破碎機(jī)制有關(guān)[20]。空心是氣霧化粉末中常見(jiàn)的一類缺陷，空心粉的存在會(huì)導(dǎo)致材料成型致密度降低，對(duì)材料的疲勞強(qiáng)度與斷裂韌性有不利影響。在氣霧化過(guò)程中往往通過(guò)降低霧化氣體動(dòng)能的方式抑制粉末內(nèi)部孔隙的形成[21]，從而減少空心粉的形成[22]。另外，可通過(guò)霧化器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低氣流噴射與金屬液流的剪切作用，從而降低空心粉的形成概率。

(4) “衛(wèi)星球”控制技術(shù)?！靶l(wèi)星球”的形成源于氣霧化過(guò)程中高壓氣體噴射引起的氣流反向回流，在此過(guò)程中，粒徑細(xì)小的金屬粉末隨氣流旋流向上運(yùn)動(dòng)，粘在未完全凝固的粗粉末顆粒表面，形成不同程度的“衛(wèi)星球”，導(dǎo)致粉末流動(dòng)性降低，影響粉末的使用性能。在霧化設(shè)備上采用外加氣流的方式對(duì)氣體旋流產(chǎn)生干擾，可避免“衛(wèi)星球”的形成。因此如何實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)的有效改造，并設(shè)計(jì)匹配的霧化工藝，成為避免出現(xiàn)“衛(wèi)星球”并改善金屬粉末性能的技術(shù)發(fā)展方向。

2 等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法

2.1 技術(shù)原理

等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法(Plasma Rotating Electrode Process, PREP)是利用等離子槍產(chǎn)生的等離子弧作為高溫?zé)嵩?，熔化高速旋轉(zhuǎn)的金屬棒料端面形成熔融金屬液膜，液膜在棒料高速旋轉(zhuǎn)離心力的作用下形成微小液滴，最終在惰性氣體(氬氣或氦氣)的冷卻作用下快速凝固形成球形金屬粉末的一種技術(shù)。PREP技術(shù)最初由KAUFMAN[23]發(fā)明，后由美國(guó)Nuclear Metals公司實(shí)現(xiàn)工業(yè)化裝備制造，開發(fā)出一種無(wú)坩堝高純凈金屬粉末生產(chǎn)方法[24]。PREP設(shè)備工作原理如圖3所示，該技術(shù)通常采用氬氣、氦氣或氬氣和氦氣的混合惰性氣體，在霧化過(guò)程中形成氣氛保護(hù)并冷卻金屬粉末。

圖3 PREP設(shè)備工作原理示意Fig.3 Schematic of PREP apparatus principle

目前，美國(guó)、俄羅斯和烏克蘭在PREP設(shè)備制造及技術(shù)應(yīng)用方面仍處于世界領(lǐng)先地位。美國(guó)Starmet公司(原Nuclear Metals公司)在20世紀(jì)80年代初就開發(fā)出PREP設(shè)備，采用直徑63.5 mm和89 mm兩種規(guī)格的電極棒料，最高工作轉(zhuǎn)速可達(dá)25 000 r·min-1，該設(shè)備已成功應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤的量產(chǎn)[25]。美國(guó)應(yīng)用的PREP技術(shù)采用轉(zhuǎn)移弧型等離子熔化系統(tǒng)，具有能量密度高、熱效率高和電源匹配容易等優(yōu)點(diǎn)，但由于工作過(guò)程要實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極棒料供電，會(huì)帶來(lái)滑動(dòng)電刷碳粉污染、機(jī)械軸溫升高、振動(dòng)大等問(wèn)題。俄羅斯和烏克蘭制造的PREP設(shè)備多采用非轉(zhuǎn)移弧模式[26]，即電弧產(chǎn)生于電極及噴嘴間，棒料驅(qū)動(dòng)形式為三輥驅(qū)動(dòng)式，并且可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化更換棒料，該類設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。此外，為強(qiáng)化冷卻能力并保證粉末質(zhì)量，俄羅斯制造的PREP設(shè)備的保護(hù)氣通常采用氬氣和氦氣的混合惰性氣體[27]。俄羅斯早期制造的ПУР-1型PREP設(shè)備采用φ50 mm的金屬棒料，最高工作轉(zhuǎn)速為15 000 r·min-1，等離子槍功率可達(dá)100 kW，粒徑50～100 μm的高溫合金粉末收得率可達(dá)50%以上。目前俄羅斯開發(fā)出ПУР-9型PREP設(shè)備，采用直徑為50～80 mm的電極棒料，最高工作轉(zhuǎn)速為30 000 r·min-1，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度為300～500 mm棒料的自動(dòng)換料，等離子槍功率為180～200 kW，單爐產(chǎn)量約為400 kg。俄羅斯將PREP技術(shù)應(yīng)用于鎳基高溫合金的粉末制備，已經(jīng)成功用于批量生產(chǎn)軍用粉末渦輪盤和壓氣機(jī)盤，截至2000年，俄羅斯已生產(chǎn)超過(guò)5萬(wàn)件粉末盤和軸[28]。

我國(guó)的PREP技術(shù)起步于20世紀(jì)80年代。西北有色金屬研究院粉末冶金研究所于1983年自主設(shè)計(jì)研發(fā)了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)轉(zhuǎn)移弧型PREP設(shè)備，采用等離子轉(zhuǎn)移弧加熱系統(tǒng)，有效降低了鎢陰極對(duì)粉末的污染[29]。此后，西安賽隆金屬材料有限責(zé)任公司、西安歐中材料科技有限公司、湖南頂立科技有限公司等也針對(duì)PERP技術(shù)及裝備進(jìn)行研發(fā)，并在電極棒料轉(zhuǎn)速提升、等離子槍熔化功率提高等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了跨越性的技術(shù)進(jìn)步。西安賽隆金屬材料有限責(zé)任公司開發(fā)出多個(gè)型號(hào)系列的PREP設(shè)備，等離子熱源采用轉(zhuǎn)移弧工作模式[30]，棒料的熔化速率和生產(chǎn)效率均得到有效提升；其中，該公司開發(fā)出的SLPA-Ⅱ型PREP設(shè)備采用直徑75 mm的電極棒料，最高工作轉(zhuǎn)速可達(dá)18 000 r·min-1，成功實(shí)現(xiàn)了鈦合金、鎳基和鈷基合金粉末的批量制備；為克服傳統(tǒng)PREP技術(shù)電極棒料臥式高速旋轉(zhuǎn)時(shí)電極棒料質(zhì)心和等離子槍中心難以完全重合，以及棒料前端熔化部分產(chǎn)生不平衡質(zhì)量的問(wèn)題，該公司自主研發(fā)了國(guó)際首臺(tái)立式工業(yè)級(jí) SLPA-V型 PREP設(shè)備，創(chuàng)新性地提出了電極棒立式高速旋轉(zhuǎn)、等離子槍低速軸向進(jìn)給定距補(bǔ)償?shù)男乱淮品奂夹g(shù)，將設(shè)備運(yùn)行的最大噪聲降低至83 dB，電極棒直徑由傳統(tǒng)75 mm提高到了100 mm，并且工作轉(zhuǎn)速提高至22 000 r·min-1，生產(chǎn)能力提升至12 kg·h-1；該公司研發(fā)的SLPA-D型桌面級(jí)PREP設(shè)備，工作轉(zhuǎn)速高達(dá)60 000 r·min-1，可用于小批量、多品種高品質(zhì)球形金屬粉末的研制和生產(chǎn)。西安歐中材料科技有限公司采用單獨(dú)設(shè)計(jì)與等離子槍分離的惰性氣體循環(huán)系統(tǒng)冷卻通道的方法，對(duì)霧化室進(jìn)行高效冷卻，大幅提升了PREP設(shè)備的冷卻效果[31]。湖南頂立科技有限公司開發(fā)出可使用直徑70～100 mm的棒料，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)18 000～30 000 r·min-1的PREP設(shè)備。國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)多年來(lái)對(duì)PREP技術(shù)和裝備制造的不斷探索和研究，在關(guān)鍵技術(shù)和規(guī)?；a(chǎn)方面取得了顯著的成績(jī)，但與國(guó)外PREP技術(shù)相比，在裝備長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性、細(xì)粉收得率和設(shè)備生產(chǎn)效率等方面仍有提升的空間。

2.2 重要工藝參數(shù)

PREP制備金屬粉末時(shí)，影響粉末粒徑的工藝參數(shù)主要有電極棒旋轉(zhuǎn)速度、棒料直徑、等離子槍功率、棒料進(jìn)給速度、等離子槍與棒料間的距離和惰性氣體流量等[32-33]。其中，增大電極棒旋轉(zhuǎn)速度和棒料直徑可增加旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力，使粉末粒徑變小。在工藝調(diào)整時(shí)，等離子槍功率與棒料進(jìn)給速度應(yīng)匹配，以避免出現(xiàn)斷弧、熔化不良和飛邊等問(wèn)題；等離子槍與棒料間的距離主要會(huì)影響熔融金屬液膜的過(guò)熱度，而惰性氣體流量主要對(duì)金屬粉末的冷卻效果產(chǎn)生明顯影響。

PREP制備金屬粉末的顯著特點(diǎn)是純凈度高、氧含量低、球形度高、粉末流動(dòng)性好、粒徑分布窄[34-36]，并且從制備方法和霧化機(jī)理上可避免空心粉及衛(wèi)星粉的形成，可用于多種材料，如不銹鋼、鎳基高溫合金、鈦合金及高熔點(diǎn)金屬等金屬粉末的制備，目前PREP技術(shù)生產(chǎn)的金屬粉末已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天航空、船舶制造、能源化工、高端裝備制造和生物醫(yī)療等領(lǐng)域[37-39]。

2.3 發(fā)展方向

(1) 中小粒徑金屬粉末的PREP制備。PREP技術(shù)制備的金屬粉末球形度高、流動(dòng)性好、表面光潔，但粉末粒徑較大，更適用于激光立體成形技術(shù)。隨著增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)優(yōu)質(zhì)中小粒徑金屬粉末的需求量日趨增多[40]，如何通過(guò)裝備硬件升級(jí)和霧化工藝的匹配和調(diào)控，實(shí)現(xiàn)粒度可控及中小粒徑粉末收得率的大幅提升，以其自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)匹配多種增材制造成形方式，成為PREP技術(shù)的重要發(fā)展方向。

(2) 難熔金屬粉末的PREP制備。難熔金屬鈮、鉬、鎢、鉭因優(yōu)良的材料特性，其粉末制品及增材制造制件在重要的工業(yè)領(lǐng)域有巨大的市場(chǎng)需求，但由于熔點(diǎn)高(鈮熔點(diǎn)2 477 ℃、鉬熔點(diǎn)2 623 ℃、鎢熔點(diǎn)3 422 ℃、鉭熔點(diǎn)2 996 ℃)，采用氣霧化方式獲得金屬粉末難度巨大，而PREP技術(shù)具有高的熱源能量密度，可適用于高熔點(diǎn)金屬的霧化制備。因此，應(yīng)用PREP設(shè)備實(shí)現(xiàn)低氧含量、高球形度、高純凈度難熔金屬粉末制備也成為PREP技術(shù)的重要發(fā)展方向。

3 等離子霧化法

3.1 技術(shù)原理

等離子霧化(Plasma Atomization, PA)技術(shù)以金屬絲材為原材料，利用等離子火炬產(chǎn)生的聚焦等離子射流將金屬絲材熔化，形成微小金屬熔滴，下落過(guò)程中在表面張力的作用下，冷卻凝固形成球形粉末[41]，金屬絲材的霧化及冷凝過(guò)程均處于惰性氣氛環(huán)境中，并且采用非接觸式霧化過(guò)程，因此可減少氧化，獲得高純度的金屬粉末[42]。PA技術(shù)最初由TSANTRIZOS等[43]研發(fā)并申請(qǐng)專利，加拿大AP&C公司于1998年將PA技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化[44-45]。目前，AP&C公司對(duì)PA技術(shù)的研究和工業(yè)化應(yīng)用顯著領(lǐng)先于其他公司，由于AP&C公司不對(duì)外出售PA設(shè)備，并對(duì)相關(guān)技術(shù)實(shí)施嚴(yán)格保密，因此對(duì)于PA設(shè)備及技術(shù)相關(guān)細(xì)節(jié)的報(bào)道較少。 PA設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖4所示。PA設(shè)備中送絲系統(tǒng)通過(guò)控制進(jìn)給速度，以一定速度將金屬絲材送入霧化爐內(nèi)；霧化熱源由3個(gè)等離子火炬組成，金屬絲材進(jìn)入霧化區(qū)內(nèi)被聚焦等離子火焰加熱熔化、蒸發(fā)成為飽和金屬蒸氣，隨后通過(guò)氣流實(shí)現(xiàn)淬火，金屬蒸氣發(fā)生快速團(tuán)聚、形核、長(zhǎng)大，最終獲得特定粒徑分布的金屬粉末[46]。

圖4 PA設(shè)備結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic of PA apparatus structure

PA技術(shù)霧化方式獨(dú)特，具有顯著的工藝優(yōu)點(diǎn)。原材料金屬絲材依據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制造和檢測(cè)，從而在原材料品質(zhì)控制方面為確保金屬粉末高品質(zhì)提供了必要保證；采用無(wú)坩堝非接觸式霧化方式，金屬絲材的熔化和霧化同時(shí)進(jìn)行，這種霧化方式不僅霧化效率高，也避免了粉末在制備過(guò)程中混入雜質(zhì)造成污染，粉末純凈度高，氧含量較低[47]；在等離子火炬的作用下，惰性霧化氣體被加熱到高溫狀態(tài)，并具有較高的噴射速度，這樣可使金屬熔滴的凝固速率減慢，金屬熔滴在表面張力的作用下充分球化從而獲得高球形度的金屬粉末[48-49]。與其他霧化方法相比，PA技術(shù)制備的金屬粉末粒徑分布較窄，粒徑不大于53 μm的粉末收得率極高，并且具有高球形度和低雜質(zhì)含量的特性，金屬粉末成形件微觀組織均勻，力學(xué)性能優(yōu)異[50]。但是由于PA技術(shù)采用金屬絲材霧化方法制備粉末，原材料的制造成本較高；PA技術(shù)霧化金屬絲材的方式也限制了生產(chǎn)效率，難以實(shí)現(xiàn)單臺(tái)設(shè)備的快速規(guī)模化量產(chǎn)；由于PA技術(shù)的熱源為高功率等離子槍，能源消耗量較大，難以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，同時(shí)會(huì)顯著增加金屬粉末的制備成本。

3.2 關(guān)鍵工藝參數(shù)

PA技術(shù)的關(guān)鍵工藝參數(shù)包括金屬絲材的進(jìn)給速度、惰性氣體流速、等離子槍功率以及等離子槍與金屬絲材的相對(duì)位置等，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的匹配是PA技術(shù)制備高品質(zhì)金屬粉末的關(guān)鍵。其中，通過(guò)調(diào)節(jié)金屬絲材的進(jìn)給速度可調(diào)控金屬粉末的粒徑分布和霧化產(chǎn)生懸浮顆粒的數(shù)量，使金屬粉末具備良好的流動(dòng)性和粉末品質(zhì)穩(wěn)定性；惰性氣流的有效動(dòng)能主要由惰性氣體流速?zèng)Q定，增加惰性氣體的壓力和使用超音速霧化噴嘴(如De Laval噴嘴)可提高氣流有效動(dòng)能，將惰性氣體流速提升到超音速，獲得顆粒細(xì)小的金屬粉末；等離子槍的作用是將電能和氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熔化金屬絲材的熱能和金屬粉末的表面能，增大等離子槍的功率可使金屬絲材熔化得更加充分，并達(dá)到更高的熔化溫度，如果控制好金屬絲材的進(jìn)給速度和惰性氣體壓力，同時(shí)結(jié)合冷卻速率的合理控制，可得到球形度高、氧含量低及粒徑小的粉末；等離子槍與金屬絲材端部的間距越小，金屬絲材獲得的等離子束有效熱功率越大，熔化越充分，粉末細(xì)化趨勢(shì)越明顯，因此減小等離子槍與金屬絲材間距可以有效提高細(xì)粉收得率。

3.3 發(fā)展方向

隨著市場(chǎng)對(duì)細(xì)粉末需求的日益增長(zhǎng)，等離子霧化技術(shù)應(yīng)朝著提升生產(chǎn)效率的方向發(fā)展，對(duì)金屬絲材預(yù)熱可有效地提升霧化效率，因此基于金屬絲材預(yù)熱的等離子霧化技術(shù)將成為未來(lái)的主要發(fā)展方向之一。由于很多金屬并不適合制備成金屬絲材，這直接影響了等離子霧化技術(shù)的應(yīng)用范圍，因此等離子霧化技術(shù)需進(jìn)一步突破對(duì)金屬絲材的依賴，研發(fā)更高能量的等離子槍成為拓展等離子霧化技術(shù)適用金屬范圍的必經(jīng)之路。

4 結(jié)論與展望

增材制造用球形金屬粉末的主要制備方法包括氣霧化法、等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法及等離子霧化法。霧化機(jī)理和設(shè)備結(jié)構(gòu)的差異決定了金屬粉末的特性。對(duì)于氣霧化法，優(yōu)化霧化器結(jié)構(gòu)以提升霧化氣流動(dòng)能效率，是改善金屬粉末品質(zhì)及提高氣霧化生產(chǎn)效率的最有效手段；提高電極棒料的旋轉(zhuǎn)速度并匹配合理的等離子熱源及功率是等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制備球形金屬粉末的裝備技術(shù)關(guān)鍵；實(shí)現(xiàn)工藝窗口精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)等離子束流與惰性氣體流速的合理匹配是等離子霧化技術(shù)的關(guān)鍵。

近年來(lái)金屬增材制造的快速發(fā)展使球形金屬粉末的市場(chǎng)需求顯著增長(zhǎng)，也給增材制造專用材料研發(fā)、粉末制備技術(shù)及裝備應(yīng)用等領(lǐng)域的研究帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)與機(jī)遇。首先，在研發(fā)增材制造專用材料時(shí)，不僅要關(guān)注制件的成形和服役性能，還需考慮金屬粉末匹配的合理制備工藝；其次，從設(shè)備角度考慮，對(duì)高端制粉裝備進(jìn)行自主研發(fā)，是打破國(guó)外技術(shù)封鎖，增加生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域核心競(jìng)爭(zhēng)力的唯一手段，而如何實(shí)現(xiàn)工藝窗口擴(kuò)展、設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行、制品批次間質(zhì)量穩(wěn)定性提升是突破高端裝備制造技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵；最后，應(yīng)重視專業(yè)人才團(tuán)隊(duì)的組建和培養(yǎng)，高品質(zhì)球形金屬粉末的制備是涵蓋冶金學(xué)、機(jī)械制造、空氣動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)的交叉學(xué)科，需要具有多學(xué)科背景的復(fù)合型生產(chǎn)技術(shù)人才共同參與研發(fā)和應(yīng)用，組建強(qiáng)有利的技術(shù)團(tuán)隊(duì)為技術(shù)突破提供強(qiáng)大支撐。