等离子火炬雾化制备金属3D打印专用钛合金粉体

技术研究现状及发展趋势

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：简要介绍了等离子火炬雾化制粉的技术特点，分析了国内外研究进展及技术发展面临的瓶颈问题。指出新一代等离子火炬雾化法（N-PA）必将朝着以突破多角度大功率等离子火炬雾化技术、精细化细丝喂料技术、特种高速喷嘴结构设计技术、粉体收集与分离技术等关键共性技术问题的方向发展。新一代等离子火炬雾化制粉技术的成功开发，较好的缓和了国内航空级钛合金3D打印粉体材料的市场需求，能够实现高性能钛合金粉体的产业化发展。

关键词：等离子火炬雾化；关键共性技术；钛合金3D打印粉体；产业化

      增材制造技术被誉为“第三次工业革命”，其中原料粉末的质量是影响快速增材制造技术在钛合金零部件生产制造中得到推广应用的重要因素[1]（本文增材制造技术特指选择性激光熔化增材制造技术，SLM）。经过近两年的爆破式发展（2014-2016），增材制造业界已逐渐明确了对粉体材料，特别是钛合金等应用于航空航天领域的高端粉体材料的性能要求，即粉末氧含量低（≤1000ppm），圆整度高、均匀性好；粉末球形率大于90%以上、松装密度大于致密材料的50%以上、粒度小于45μm粉末的收得率大于40%以上、成本降低50%以上[2-3]。

     有鉴于此，钛合金粉体材料的制造方法也在不断创新。20世纪50年代，美国发明了制取钛粉的经典方法即氢化脱氢法（HDH），该方法可以获得粒度较细但具有不规则形状的钛合金粉末，这种粉末不适用于钛合金属3D打印[4]；后来又发展了基于离心力的旋转雾化法和基于二流雾化的气体、水雾化法。70年代，随着旋转电极为代表的离心雾化制粉技术的发展，制备了球形度很好的高质量钛合金粉末，但这种技术生产的钛合金粉末的细粉率偏低，细粉价格太贵，也不适合钛合金3D打印行业的需求[5]。显而易见水雾化法不适合钛合金粉末生产。气体雾化法能提高钛合金的细粉率，但粉末的球形度不如旋转雾化法制备的粉末好，最严重的是由于钛合金活性高，坩埚材料容易污染钛合金，因此气雾化法不能制造高质量的钛合金粉末[6]。为消除坩埚的污染，又发展了冷坩埚熔炼技术和无坩埚气体雾化法（EIGA法），1990年德国Leybold AG开启无坩埚熔化雾化制备钛及钛合金粉末，称之为电极感应熔化气体雾化工艺（EIGA法），开辟了一条制备高纯度、高洁净粉末新方法，这种方法消除了坩埚的污染，也具备气体雾化法的优势，但由于熔体的过热度不够，粉末的球形度不好，卫星球比较多[7]；1995年，美国推出等离子火炬雾化制粉方法（PA法），这种方法具有无坩埚的特点，同时又提高了熔体的过热度，能够生产高质量的钛合金粉末，是一种非常有前景的方法。加拿大AP&C公司正是采用这种方法制备钛合金粉末。

表1  国内外钛合金粉的主要制造方法

工艺方法		简称	成本	粒形	粒度	可制取粉末
氢化脱氢法	-	HDH	低	不规则	粗	Ti、TC4等
雾化法	旋转圆盘电子束熔化	EBRD	较高	球形	粗	Ti、TC4等
	等离子旋转雾化	PREP	较高	球形	中	Ti、TC4等
	旋转电极电子束熔化	EBREP	较高	球形	粗	Ti、TC4等
	真空雾化法	VIGA	较高	球形	细	Ti、TC4等
	电极感应熔化气体雾化	EIGA	较高	球形	细	Ti、TC4等
	等离子火炬雾化	PA	较高	球形	细	Ti、TC4等
直接粉碎法	-	-	较高	片状	粗	Ti、TC4等

 

1  等离子火炬雾化制粉技术特点

1.1  等离子火炬雾化机理

     物质有四态（固态、液态、气态和等离子态）。等离子体是气体与电弧接触而产生的一种高温、离子化和传导性的气体状态。由于电离气体的导电性，使电弧能量迅速转移并变成气体的热能，形成一种高温气体射流（温度达5500℃以上），从而可以用作高强度热源。等离子炬（亦称等离子体发生器或等离子体加热系统）就是依据这一原理研制的专门设备。

     等离子火炬雾化制粉技术的雾化机理可简要描述为：金属及其合金，或者陶瓷，以一定规格尺寸的棒坯或者原料丝或者不规则/团聚颗粒，或者以液态蒸汽形式，通过特殊的喂料机构（棒料进给系统、送丝机构、线材矫直机、雾化喷嘴等）以恒定速率送入，并在炉体顶部多个等离子火炬产生的聚焦等离子射流下熔融雾化，形成液相。最后通过控制冷却速率，得到球形粉体。

             

图1  等离子火炬雾化制粉工艺

 

1.2  等离子火炬雾化特点

     等离子火炬雾化制粉技术可划入二流雾化范畴。与传统的二流雾化工艺相比，该技术摒弃了冷态雾化流体（空气、惰性气体或水）的使用而采用热等离子体作为雾化流体，因此具有足够长的冷却时间保证颗粒充分球化，避免熔融颗粒因快冷形成不规则状；此外，通过将熔融与雾化集中于同一道工序，摒弃了传统陶瓷坩埚的使用，因此该工艺适用于几乎所有具有液相的金属或合金材料的粉体制备，特别像钛合金等这类传统工艺难以制取的高活性材料也可通过本方法获得。

     与PREP、VIGA、EIGA法相比，采用等离子火炬雾化制粉技术制备的粉末细粉收得率比PREP高2倍以上，粉末质量整体优于VIGA、EIGA法，与PREP法制备的粉末质量相当，具有粒径分布均匀、高纯度、高球形度、流动性好、低氧含量、夹杂少、无粘接/团聚现象等特点，具体如图2所示。