您當前的位置：檢測資訊 > 科研開發(fā)
嘉峪檢測網(wǎng) 2021-12-18 11:34
球形金屬粉末作為金屬增材制造的重要原材料，其特性對增材制造制件性能具有重要的影響。高效制備高品質(zhì)球形金屬粉末成為促進增材制造技術升級和產(chǎn)業(yè)化應用的重要發(fā)展方向。本文介紹了主要的球形金屬粉末制備技術，包括氣霧化法、等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法和等離子霧化法，重點論述了技術原理和重要工藝參數(shù)對粉末特性的影響規(guī)律，并展望了3類技術的未來發(fā)展方向。
1 氣霧化法
1.1技術原理
氣霧化法(Gas Atomization, GA)是利用高速氣流沖擊金屬熔液，將氣體動能轉(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。早期的霧化器主要分為自由落體式和限制式兩種類型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 霧化器結(jié)構(gòu)示意
自由落體式噴嘴霧化時適用于生產(chǎn)較大粒徑(50~300μm)的粉末。為了提升小粒徑金屬粉末的收得率，研發(fā)出限制式噴嘴，但其結(jié)構(gòu)設計緊湊，裝配要求高，氣體對導流嘴冷卻作用強，易導致金屬熔液“結(jié)瘤”和上翻引起導流嘴堵塞，因此霧化工藝控制較難。之后，限制式噴嘴結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，通過減小導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，提高氣體動能傳輸效率，從而提高霧化效率和細粉收得率，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。
在增材制造用球形金屬粉末的制備技術中，基于自由落體式和限制式/緊耦合式結(jié)構(gòu)噴嘴與真空感應熔煉技術的應用，分別對應電極感應熔煉惰性氣體霧化(Electrode Induction Melting Gas Atomization,EIGA)和真空感應熔煉惰性氣體霧化(VacuumInduction Melting Inert Gas Atomization,VIGA)兩種技術路徑，其設備原理如圖2所示。
圖2 氣霧化設備原理示意
其中，EIGA設備以合金棒材為原料，棒材底部呈錐狀，熔煉時伸入錐形感應線圈中，棒料底端熔化形成的熔滴經(jīng)噴嘴中心孔時被惰性氣體霧化后冷卻得到球形金屬粉末，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，霧化后更容易得到粒徑細小的金屬粉末。VIGA技術則是采用坩堝盛放金屬熔液，金屬熔液經(jīng)中間包和導流嘴后直接進入霧化區(qū)，最終霧化獲得球形金屬粉末。
氣霧化法可輕松實現(xiàn)規(guī)模化生產(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：15~53μm粒徑范圍的粉末收得率可達35%~45%，可用于選區(qū)激光熔化技術；53~150μm粒徑范圍的粉末則可用于同軸送粉的激光立體成型技術。
1.2重要工藝參數(shù)
在氣霧化過程中，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)為氮氣、氬氣。霧化介質(zhì)的溫度越高，氣流噴射速度越快，對金屬熔液的沖擊力越大，金屬熔液破碎得越充分。同時，霧化介質(zhì)的自身冷卻速率也會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，將氣體動能轉(zhuǎn)化為金屬熔滴表面能的重要能量來源，對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。當霧化壓力持續(xù)增大時氣體流量增加，生產(chǎn)成本提高，氣體的冷卻能力加強，堵塞中斷的風險加大；同時，霧化氣流場中負壓逐漸降低，對金屬熔液的抽吸效果逐漸減弱，甚至產(chǎn)生向上的反沖力，導致金屬熔液在霧化噴嘴或?qū)Я髯焯幎氯?，進而降低氣霧化的穩(wěn)定性和霧化效率。
金屬熔液過熱度是指霧化前金屬熔液溫度與金屬熔點的差值。過熱度主要影響金屬熔液的黏度。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，獲得細小粒徑的金屬粉末，同時增加過熱度也可使金屬熔滴在飛行過程中的冷卻和凝固時間延長，更容易獲得高球形度的金屬粉末。
金屬液流直徑主要由導流嘴孔徑控制。在相同霧化壓力條件下，金屬液流直徑減小，單位時間內(nèi)金屬液流被沖擊破碎得更加充分，細粉收得率也會相應增加，但也會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)生堵塞中斷的風險。
霧化噴射角度主要影響霧化區(qū)的抽吸力及氣流的動能利用率。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，并且導流嘴出口位置與霧化氣體交匯點的距離越大，氣流速度在噴射過程中衰減得愈加明顯，導致高速氣流動能利用率降低，因而不易獲得細小的金屬粉末；相反，霧化噴射角度越大，導流嘴出口處到氣流交匯點處的距離越短，氣流的動能利用率越高，金屬粉末粒徑較小，但霧化噴射角度過大會使霧化區(qū)內(nèi)的抽吸力減小甚至轉(zhuǎn)變成反向壓力，導致金屬熔液反噴，嚴重影響霧化生產(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)設計。將具有收縮-擴張形態(tài)的De Laval噴嘴應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粉收得率，已經(jīng)成為目前氣霧化生產(chǎn)領域中較為成熟的技術，而具有復合效果的新型霧化器結(jié)構(gòu)設計將會是今后氣霧化技術的重要發(fā)展方向。對霧化器進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，使霧化器同時具備De Laval 噴嘴形態(tài)和能形成共振效應的Hartmann振動管結(jié)構(gòu)，可在霧化過程中獲得超音速噴射氣流的同時產(chǎn)生80~100kHz脈沖頻率的Hartmann共振，從而形成超聲霧化，進而顯著提升高速氣流的破碎效果。此外，基于 De Laval 噴嘴的層流氣體霧化技術(Laminar Flow Gas Atomization, LFGA)，能克服常規(guī)氣霧化過程中氣流擾動以及能量損失大等問題，可更好地控制金屬粉末的粒徑分布，在霧化時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，直至液流呈細絲狀，并出現(xiàn)層流纖維化現(xiàn)象，該技術可有效提升霧化效率，同時結(jié)合能產(chǎn)生超音速氣流的De Laval噴嘴結(jié)構(gòu)，可使細粉收得率得到大幅提升；層流霧化氣體消耗量相對較低，可大幅降低生產(chǎn)成本。
(2) 熱氣體霧化技術。熱氣體霧化技術是在傳統(tǒng)氣霧化技術的基礎上，通過提高霧化介質(zhì)溫度，使氣體在霧化器噴嘴出口處膨脹，達到提升噴射速度的目的。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。通常認為空心粉的形成與液滴的袋式破碎機制有關?？招氖菤忪F化粉末中常見的一類缺陷，空心粉的存在會導致材料成型致密度降低，對材料的疲勞強度與斷裂韌性有不利影響。在氣霧化過程中往往通過降低霧化氣體動能的方式抑制粉末內(nèi)部孔隙的形成，從而減少空心粉的形成。另外，可通過霧化器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，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。“衛(wèi)星球”的形成源于氣霧化過程中高壓氣體噴射引起的氣流反向回流，在此過程中，粒徑細小的金屬粉末隨氣流旋流向上運動，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”，導致粉末流動性降低,影響粉末的使用性能。在霧化設備上采用外加氣流的方式對氣體旋流產(chǎn)生干擾，可避免“衛(wèi)星球”的形成。因此如何實現(xiàn)對設備結(jié)構(gòu)的有效改造，并設計匹配的霧化工藝，成為避免出現(xiàn)“衛(wèi)星球”并改善金屬粉末性能的技術發(fā)展方向。
2 等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法
2.1技術原理
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熱源，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。PREP設備工作原理如圖3所示。
圖3 PREP設備工作原理示意
該技術通常采用氬氣、氦氣或氬氣和氦氣的混合惰性氣體，在霧化過程中形成氣氛保護并冷卻金屬粉末。
目前，美國、俄羅斯和烏克蘭在PREP設備制造及技術應用方面仍處于世界領先地位。
我國的PREP技術起步于20世紀80年代。西北有色金屬研究院粉末冶金研究所于1983年自主設計研發(fā)了國內(nèi)第一臺轉(zhuǎn)移弧型PREP設備，采用等離子轉(zhuǎn)移弧加熱系統(tǒng)，有效降低了鎢陰極對粉末的污染。此后，各公司等也針對PERP技術及裝備進行研發(fā)，并在電極棒料轉(zhuǎn)速提升、等離子槍熔化功率提高等關鍵技術方面取得了跨越性的技術進步。國內(nèi)經(jīng)過多年來對PREP技術和裝備制造的不斷探索和研究，在關鍵技術和規(guī)?；a(chǎn)方面取得了顯著的成績，但與國外PREP技術相比，在裝備長期運行穩(wěn)定性、細粉收得率和設備生產(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，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、棒料進給速度、等離子槍與棒料間的距離和惰性氣體流量等。其中，增大電極棒旋轉(zhuǎn)速度和棒料直徑可增加旋轉(zhuǎn)時的離心力，使粉末粒徑變小。在工藝調(diào)整時，等離子槍功率與棒料進給速度應匹配，以避免出現(xiàn)斷弧、熔化不良和飛邊等問題；等離子槍與棒料間的距離主要會影響熔融金屬液膜的過熱度，而惰性氣體流量主要對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是純凈度高、氧含量低、球形度高、粉末流動性好、粒徑分布窄，并且從制備方法和霧化機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、鈦合金及高熔點金屬等金屬粉末的制備，目前PREP技術生產(chǎn)的金屬粉末已經(jīng)廣泛應用于航天航空、船舶制造、能源化工、高端裝備制造和生物醫(yī)療等領域。
2.3發(fā)展方向
(1) 中小粒徑金屬粉末的PREP制備。PREP技術制備的金屬粉末球形度高、流動性好、表面光潔，但粉末粒徑較大，更適用于激光立體成形技術。隨著增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對優(yōu)質(zhì)中小粒徑金屬粉末的需求量日趨增多，如何通過裝備硬件升級和霧化工藝的匹配和調(diào)控，實現(xiàn)粒度可控及中小粒徑粉末收得率的大幅提升，以其自身技術優(yōu)勢匹配多種增材制造成形方式，成為PREP技術的重要發(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)領域有巨大的市場需求，但由于熔點高，采用氣霧化方式獲得金屬粉末難度巨大，而PREP技術具有高的熱源能量密度，可適用于高熔點金屬的霧化制備。因此，應用PREP設備實現(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技術的重要發(fā)展方向。
3 等離子霧化法
3.1技術原理
等離子霧化(Plasma Atomization, PA)技術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，下落過程中在表面張力的作用下，冷卻凝固形成球形粉末，金屬絲材的霧化及冷凝過程均處于惰性氣氛環(huán)境中，并且采用非接觸式霧化過程，因此可減少氧化，獲得高純度的金屬粉末。PA設備結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 PA設備結(jié)構(gòu)示意
PA設備中送絲系統(tǒng)通過控制進給速度，以一定速度將金屬絲材送入霧化爐內(nèi)；霧化熱源由3個等離子火炬組成，金屬絲材進入霧化區(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，隨后通過氣流實現(xiàn)淬火，金屬蒸氣發(fā)生快速團聚、形核、長大，最終獲得特定粒徑分布的金屬粉末。
PA技術霧化方式獨特，具有顯著的工藝優(yōu)點。原材料金屬絲材依據(jù)相關國家標準進行制造和檢測，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；采用無坩堝非接觸式霧化方式，金屬絲材的熔化和霧化同時進行，這種霧化方式不僅霧化效率高，也避免了粉末在制備過程中混入雜質(zhì)造成污染，粉末純凈度高，氧含量較低；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。與其他霧化方法相比，PA技術制備的金屬粉末粒徑分布較窄，粒徑不大于53μm 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，力學性能優(yōu)異。但是由于PA技術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技術霧化金屬絲材的方式也限制了生產(chǎn)效率，難以實現(xiàn)單臺設備的快速規(guī)?；慨a(chǎn)；由于PA技術的熱源為高功率等離子槍，能源消耗量較大，難以實現(xiàn)節(jié)能減排，同時會顯著增加金屬粉末的制備成本。
3.2關鍵工藝參數(shù)
PA技術的關鍵工藝參數(shù)包括金屬絲材的進給速度、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位置等，實現(xiàn)工藝參數(shù)的匹配是PA技術制備高品質(zhì)金屬粉末的關鍵。其中，通過調(diào)節(jié)金屬絲材的進給速度可調(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性和粉末品質(zhì)穩(wěn)定性；惰性氣流的有效動能主要由惰性氣體流速決定,增加惰性氣體的壓力和使用超音速霧化噴嘴可提高氣流有效動能，將惰性氣體流速提升到超音速，獲得顆粒細小的金屬粉末；等離子槍的作用是將電能和氣體動能轉(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，并達到更高的熔化溫度，如果控制好金屬絲材的進給速度和惰性氣體壓力，同時結(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，粉末細化趨勢越明顯，因此減小等離子槍與金屬絲材間距可以有效提高細粉收得率。
3.3發(fā)展方向
隨著市場對細粉末需求的日益增長，等離子霧化技術應朝著提升生產(chǎn)效率的方向發(fā)展，對金屬絲材預熱可有效地提升霧化效率，因此基于金屬絲材預熱的等離子霧化技術將成為未來的主要發(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的應用范圍，因此等離子霧化技術需進一步突破對金屬絲材的依賴，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。霧化機理和設備結(jié)構(gòu)的差異決定了金屬粉末的特性。對于氣霧化法，優(yōu)化霧化器結(jié)構(gòu)以提升霧化氣流動能效率，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關鍵；實現(xiàn)工藝窗口精準控制，實現(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的關鍵。
近年來金屬增材制造的快速發(fā)展使球形金屬粉末的市場需求顯著增長，也給增材制造專用材料研發(fā)、粉末制備技術及裝備應用等領域的研究帶來了諸多挑戰(zhàn)與機遇。首先，在研發(fā)增材制造專用材料時，不僅要關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，從設備角度考慮，對高端制粉裝備進行自主研發(fā)，是打破國外技術封鎖，增加生產(chǎn)技術領域核心競爭力的唯一手段，而如何實現(xiàn)工藝窗口擴展、設備長期穩(wěn)定運行、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瓶頸的關鍵；最后，應重視專業(yè)人才團隊的組建和培養(yǎng)，高品質(zhì)球形金屬粉末的制備是涵蓋冶金學、機械制造、空氣動力學、傳熱學的交叉學科，需要具有多學科背景的復合型生產(chǎn)技術人才共同參與研發(fā)和應用，組建強有利的技術團隊為技術突破提供強大支撐。
來源：機械工程材料
關于我們 聯(lián)系我們 營業(yè)執(zhí)照 全國服務電話：400-818-0021 嘉峪檢測版權(quán)所有 備案號：京ICP備14047019號-2 
京公網(wǎng)安備11010802046783號
