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等离子旋转雾化制备航空用3D打印金属粉体材料研究

来源:原创 时间:2018-3-30 2:43:08

等离子旋转雾化制备航空用3D打印金属粉体材料研究
戴  煜1, 2,李  礼1, 2
(1. 湖南顶立科技有限公司,湖南 长沙  410118;
 2. 湖南省新型热工装备工程技术研究中心,湖南 长沙  410000)

摘 要:简要介绍了等离子旋转雾化制粉的技术特点、国内外研究进展及技术发展面临的挑战,分析了电极棒转速及直径、等离子弧电流强度、等离子枪与电极棒端部间距等工艺参数对粉末性能的影响。指出细粉收得率的提升,将在很大程度上取决于等离子旋转雾化制粉机理研究、等离子旋转雾化制粉系统结构优化设计及装备智能化程度。新一代等离子旋转雾化制粉技术(N-PREP)的诞生,颠覆了等离子旋转雾化法只适于制备粗粉的论断。
关键词:等离子旋转雾化;工艺参数;制粉系统;粉末特性

  获得高品质、低成本的球形粉体材料是满足金属3D打印技术及制备高性能金属构件的关键环节。现阶段,快速凝固制粉工艺是制备金属3D打印粉体材料的核心技术之一[1-2]。快速凝固技术是将金属、合金熔体直接雾化制得球形粉末,或通过高压雾化介质(水或气体)的强烈冲击,或通过离心力使之破碎,高速冷却凝固实现的[3]。
目前,应用于金属3D打印粉体材料制备的快速凝固技术主要有惰性气体雾化法(AA法)、真空感应气雾化法(VIGA法)、无坩埚电极感应熔化气体雾化法(EIGA法)、等离子火炬法(PA法)以及等离子旋转雾化法(PREP法)等。其中,PREP法制备的粉末具有表面清洁、球形度高、伴生颗粒少、无空心/卫星粉、流动性好、高纯度、低氧含量、粒度分布窄等优势,适合金属3D打印。但是,PREP工艺受限于电极棒大幅提速后导致的密封、振动等相关技术瓶颈,采用该法仍难以低成本制备符合3D打印技术要求的细粒径粉体(45μm以下)[4]。
本文立足顶立科技新一代等离子旋转雾化制粉技术及系统,结合PREP制粉技术特点、现阶段国内外研究进展与技术发展面临的挑战,重点阐述PREP制粉工艺、制粉系统结构优化与智能化程度等对粉末粒径的影响,以期为我国3D打印金属粉体材料国产化提供重要参考。新一代等离子旋转雾化制粉技术及系统的成功开发,颠覆了等离子旋转雾化法只适于制备粗粉的论断。

1  等离子旋转雾化制粉技术特点
  等离子旋转雾化制粉过程可简单描述为:将金属或合金制成自耗电极,自耗电极端部在同轴等离子体电弧加热源的作用下熔化形成液膜,液膜在旋转离心力的作用下被高速甩出形成液滴,熔融液滴与雾化室内Ar气摩擦,在切应力作用下进一步破碎,随后熔滴在表面张力的作用下快速冷却凝固成球形粉末[5]。


图1  PREP雾化制粉原理图


  相对于气雾化技术,PREP工艺不以高速惰性气流直接分散金属液流雾化,因此可以避免气体雾化法中出现的“伞效应”,直观表现在金属、合金粉末的粒度分布以及形貌上。采用气雾化制备的粉末粒度主要集中在40-150μm范围,而等离子旋转雾化法制备的合金粉末粒度主要集中在4-10μm和70-130μm。相比气体雾化法,等离子旋转电极法制备粉末粒度分布更集中(如图2所示)。


图2  气雾化法与等离子旋转雾化法制备的粉末粒径分布
(a) 气雾化法; (b) 等离子旋转雾化法


  气雾化法制备的粉末具有不规则形状、破碎颗粒、较大尺寸金属长薄片等特点,如图3(a)所示。高速Ar气流对熔体的冲击分散易在粉末颗粒内部形成闭合孔隙,该闭孔内含有一定量的Ar气体,Ar气通常不熔于金属,在3D打印过程中不易消除,形成气隙、卷入性和析出性气孔、裂纹等缺陷,即便采用热等静压也无法消除该类缺陷,在随后热处理过程中易发生热诱导孔隙长大[6]。而采用等离子旋转雾化法制得的粉末球形度更高、流动性更好、气体体积分数低(如图3(b)所示),是金属3D打印的理想原料。此外,若采用陶瓷坩埚气雾化制粉,特别是高温合金粉制备方面,存在陶瓷夹杂现象,而等离子旋转雾化制粉技术能有效杜绝陶瓷夹杂物。

 
图3  气雾化法与等离子旋转雾化法制备的粉末形貌
(a) 气雾化法; (b) 等离子旋转雾化法


2  国内外研究进展及技术发展面临的挑战

2.1  国外等离子旋转雾化制粉技术研究进展
  等离子旋转雾化制粉技术始于20世纪70年代的美国,在俄罗斯得到发展应用。目前,俄罗斯掌握着世界上最先进的等离子旋转雾化制粉技术及装备。如俄罗斯V公司第二代等离子旋转雾化制粉设备,-325目以下的细粉收得率已经达到6~8%。该公司新近开发的第三代等离子旋转雾化制粉设备,通过攻克电极棒高速旋转技术、高速旋转动密封技术、连续进给技术、无缝连接技术、智能控制系统升级等技术瓶颈,已经实现25根以上金属棒料的连续雾化制粉,-325目以下细粉收得率更是达到15%以上。其主要性能指标如表1所示。


表1  俄罗斯V公司第三代等离子旋转雾化制粉技术主要性能指标

2.2  国内等离子旋转雾化制粉技术研究进展
  现阶段,国内等离子旋转雾化制粉技术的研究大体可分为两类。一类是以直接引进俄罗斯最先进的制粉技术及装备为基础,开展金属3D打印粉体的研制工作,如西北有色金属研究院、广州有色金属研究院为代表的国内科研院所,采用的是俄罗斯V公司第二代等离子旋转雾化制粉技术及装备。另一类则以俄罗斯七十年代的技术及装备为基础,通过引进-消化吸收-再创新的方式进行自主研发,制备技术方面主要包括电极棒转速及直径、等离子弧电流强度、等离子枪与电极棒端部间距、电极棒进给速度等工艺参数研究;设备方面主要包括旋转电极制粉设备改造、旋转电极制粉机组的设计开发、旋转电极制粉设备的报警系统研制、高压等离子点火装置以及等离子枪的改进等。取得了一些成绩,但是总体上来说,国内研发成果相对较少、改进力度不大、质量不高,与国外相比差距还较大,细粉收得率(-325目以下)不到5%。
顶立科技通过自主研发,已经完成第二代、第三代、第四代等离子旋转雾化制粉系统的研制工作,新一代等离子旋转雾化制粉系统(四代机)整机性能可与俄罗斯最新的技术比肩,细粉收得率可达16%左右。


表2  顶立科技等离子旋转雾化制粉技术主要性能指标(以TC4为例)

2.3  技术发展面临的挑战
  从技术层面看,等离子旋转雾化技术的瓶颈仍在于如何高效、低成本制备适用于金属3D打印的细粒径粉体。国内外等离子旋转雾化技术发展面临的挑战在于:细粉收得率低,直接导致3D打印粉体材料制备成本居高不下。以国内外最先进、使用最频繁的无坩埚电极感应熔化气体雾化(EIGA)工艺制备金属3D打印粉体材料为例,通过调整熔炼功率与进给速度等工艺参数,其细粉收得率最高可达27.5%左右[7]。采用等离子旋转雾化制粉技术提高细粉收得率,最直接的方法是增大电极棒直径与极限转速。研究发现,即便大幅度提升电极棒直径与极限转速,如果不能有效匹配等离子旋转雾化工艺参数,细粉收得率仍将保持在一个相对较低的水平,普遍只有5%左右。不提升细粉收得率,降低粉末制备成本只能是空谈。
此外,提升电极棒直径与极限转速导致的高速动密封、振动等技术难题,母合金棒料的纯净化熔炼控制、棒料表面与尺寸精加工、雾化过程中料头余料等都将影响粉末制备的成本。

3  等离子旋转雾化制粉工艺参数对粉末性能的影响

3.1  电极棒直径与极限转速
  根据等离子旋转雾化制粉机理,对液滴进行受力分析,可得到液滴形成的临界条件,即:


          σπd≤mω2D/2                (1)

  其中,σ为液滴表面张力,d为液滴直径、D为电极棒直径、ω为电极棒角速度。

  整理可得:

d=(3σ/ρπ2)1/2·(1/n)·(1/D1/2)         (2)

  其中,ρ为液滴密度、n为电极棒转速。
  由公式(2)可知,等离子旋转雾化制粉粒径与液滴表面张力成正比关系,与液滴密度、电极棒极限转速、电极棒直径成反比关系。根据文献[8-9]记载的各类金属、合金的表面张力数值,获得几类典型金属、合金粉末粒径的理论计算公式,具体如表3所示。


表3  典型金属、合金粉末粒径理论计算公式

  由表3可知,理论平均粒径与实际检测的平均粒径结果相吻合,造成偏差的原因主要是粉末颗粒尺寸大小受棒料振动等影响,在理论值附近波动。为了更好的说明公式的准确性,以Ti-8Al-2Si-2Zr(1#)与Ti-6.5Al-1.4Si-2Zr-0.5Mo-2Sn(2#)钛合金为例,分别在15000 r/min、18000 r/min以及12000 r/min、18000 r/min(棒料直径均为50mm)下进行对比试验分析,结果如图4所示。


  

 
图4  相同直径,不同转速下粉末粒径分布

  由图4可以看出,两种成分合金粉末粒度分布都较窄,随转速加快,粉末中小粒径粉末比例增加,粒度分布曲线向小粒径方向移动。转速为18000r/min时,对比1#、2#两种合金粉末粒度分布情况,Si含量相对较少的2#试样小颗粒粉末所占比例更大,因为合金中形成的硅化物会增加液态金属表面张力,金属液膜在被甩出合金棒料时需要更大的离心力。

3.2  等离子弧电流强度
  由于每次等离子雾化制粉过程严格控制充入雾化室的Ar气体量(雾化室压力130KPa),故在整个制粉过程中等离子弧电压的变化不大,等离子弧电流的强度变化基本上反映了等离子枪输出功率的变化。研究发现,粉末平均粒径随等离子弧电流强度的增大而有明显细化的趋势。但是,提高电流会带来诸多弊端,其一是粉末粒度的分布范围随电流强度的增大而变宽的趋势十分明显,如图5所示。



图5  不同电流强度下粉末粒度分布

  电流大小反映等离子枪的能量。增大电流的另一弊端在于,能量越大意味着等离子弧温度越高,越容易造成低熔点元素的烧蚀。以Ti-8Al-2Si-2Zr(1#)与Ti-6.5Al-1.4Si-2Zr-0.5Mo-2Sn(2#)钛合金为例,在1700A的恒定电流下,针对不同粒径范围进行了粉末的合金成分分析,与初始电极棒合金成分对比情况如表4所示。

表4  PREP制备粉末合金成分

(说明:1: 1#18000r/min 45-105 μm;  2: 1#18000r/min 105-150μm;  3: 1#18000r/min 25-45μm; 4: 2#18000r/min 105-150 μm;  5: 2#18000r/min 45-105μm;)
 
  从表4可以看出,制粉过程杂质O增量均<0.03%,小颗粒粉末比表面积大,更容易吸收O等其他杂质元素,故随着粉末粒径的减小O含量会有略微的增加。Ti、Si、Zr、Mo、Sn元素含量均在名义成分误差范围内。Al元素损失较大,约为1.5wt%,其原因如下:
  1、Al元素沸点较低,在制粉过程中,真空炉内温度较高,导致低沸点的Al元素部分烧蚀。
  2、炉内真空度较高(4×10-3Pa以上),也会造成棒料熔炼过程中部分元素的损失。

3.3  等离子枪与电极棒端部间距
  试验表明,对于转移弧模式工作的等离子枪而言,等离子束的有效热功率与棒料端部的距离有关。实验发现,在电流强度和电压保持一定的情况下,等离子枪与棒料端部的距离除了影响棒料的熔化速度外,还影响端部熔池形状。粉末粒度的分布两者都相关:等离子枪与电极棒端部间距越小(10mm),获得的等离子束有效热功率越大,熔化越充分,粉末粒度细化趋势越明显。当等离子枪与棒料端部距离由10mm变为30mm时,粉末粒度的分布范围有增宽的趋势。
减小等离子枪与电极棒端部间距可以有效提高细粉收得率,但同时也会加剧等离子枪喷嘴和钨电极的损耗,喷嘴及钨电极部分材料熔化进而随着等离子流进入粉末中,影响粉末质量。图6为等离子枪与电极棒端部间距为10mm时,筛选不锈钢316L粉末杂质后做的能谱分析。从图6中可以明显发现,杂质含量来源于损耗的钨电极。根据多次试验,等离子枪与电极棒端部最佳间距范围在50-60mm之间,此时钨电极损耗最低,同时可获得较好的细粉收得率。
 

 

图6  不锈钢316L粉末杂质能谱分析

4  新一代等离子旋转雾化制粉技术及设备特点
  从等离子旋转雾化制粉工艺对粉末性能的影响可以看出,欲制备高品质金属3D打印粉体材料除了弄清旋转雾化机理外,设备改进也是极为重要的环节。
湖南顶立科技有限公司在已有技术的基础上,研究连续进给料、密封、自动起弧与信息反馈、智能控制等装备制造技术和旋转雾化制粉工艺,攻克了等离子枪进给式旋转制粉装置的设计与制造技术、无刷电极旋转机构的设计与制造技术、输电腔及冷却腔的设计与制造技术、高速动密封及其控制技术、雾化过程不活泼气氛保护控制技术、无油浮环动密封技术、离心式水冷电刷、高速大电流柔性联轴系统、旋转雾化在线修正系统等关键技术,大幅提升等离子旋转雾化制粉及装备技术水平,研制开发了最新一代等离子旋转电极雾化制粉系统,为实现航空用3D打印金属粉体材料的研制与生产奠定了基础。

4.1  新一代等离子旋转雾化(N-PREP)制粉系统特点
  该设备除具备较大的棒料直径(100mm)与棒料转速(30000r/min)外,还集成了棒料连续进给技术,细粉(-325目)收得率高,达16%左右,其主要技术创新点如下:
(1)棒料连续进给技术,可实现40根以上金属棒料的连续雾化制粉;
(2)棒料高速无缝连接技术,可实现无减速连续传输棒料,并有效解决料尾问题;
(3)自定位转移弧等离子枪,具有安装方便、自动对中、冷却充分等特点;
(4)进给式旋转电极制粉装置,大大提高设备的稳定性;
(5)无刷电极旋转机构,消除碳刷与铜电极的磨损,提高生产效率;
(6)高速动密封控制技术,保证雾化室的高度密封性;
(7)高速旋转振动消除技术,整个过程噪音小;
(8)特殊炉体结构设计技术,确保系统稳定;
(9)实现智能控制。
  研制的新一代等离子旋转雾化制粉设备如图7所示。
 

 

图7 新一代等离子旋转电极雾化(N-PREP)制粉设备结构示意图

4.2  等离子旋转雾化粉末特点
  图8为N-PERP法制备的金属细粉SEM照片。由图8可知,N-PREP法制备的粉末具有球形度高、伴生颗粒少、无空心/卫星粉、流动性好、高纯度、高松装密度、低氧含量、粒度分布窄等优势,是金属3D打印的理想材料。
 

 

图8  N-PERP法制备的金属细粉SEM照片

  采用N-PERP法制备钛合金粉末,材料的组织主要由等轴状和条状α′相组成,靠近粉末界面α′较多且均匀分布,如图9所示。钛合金粉末的微观组织与制备工艺密切相关。粉末制备过程中熔融的金属液滴表面与其内部冷却不同步,粉末外层较快的冷却速率,能够抑制外层晶粒的生长和组织的粗大,使粉末外层具有较细的组织。另外,粉末颗粒边缘处较细的组织,有利于再结晶的进行,一方面,这些组织在变形中更容易碎裂;另一方面,细小的组织中具有较高的能量,也有利于3D打印过程中动态再结晶的进行。
 

 

图9  N-PERP法制备的金属细粉金相显微组织图

  大颗粒钛合金粉末主要由α′相组成,极少的β相。随着粉末粒度的减小,α′相XRD衍射峰强度降低,小颗粒粉末中等轴α′相为主要结构,如图10所示。这与前面金相显微组织分析一致。



图10  N-PERP法制备的金属细粉XRD物相分析

5  结论
  1、采用等离子旋转雾化法制备的金属粉体性能优异,是金属3D打印的理想原料,但细粉收得率受限,制造细粉的成本仍居高不下,成为该项技术亟待解决的瓶颈;
  2、细粉收得率的提升,在很大程度上取决于等离子旋转雾化制粉工艺的机理研究、等离子旋转雾化制粉系统结构优化设计及装备智能化程度;
  3、顶立科技在等离子旋转雾化制粉技术及系统方面取得重大技术突破,细粉收得率达到16%,可依托现有成果,进行推广应用,实现金属3D打印粉体材料国产化;
  4、新一代等离子旋转雾化制粉技术及系统的成功开发,颠覆了等离子旋转雾化法只适于制备粗粉的论断。

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