金屬增材制造用鈦粉制備研究

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，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，因此打印件的性能要顯著優(yōu)于傳統(tǒng)鑄件。

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，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（SLM）技術(shù)，選擇性激光熔化工藝要求鈦粉粒徑小于53 μm。

球形鈦粉的制備工藝主要包括熔煉工藝和霧化工藝，本文主要從霧化工藝對(duì)金屬增材制造用鈦粉制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀展開評(píng)述。

等離子旋轉(zhuǎn)電極法（PREP）由美國(guó)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。利用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制得的鈦粉具有球形度高、無(wú)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。

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(huì)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（DDF）、液線破碎機(jī)制（LD）和液膜破碎機(jī)制（FD），三種破碎機(jī)制如圖3所示。

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(gè)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(shí)進(jìn)行；

4）粉末粒徑分布窄（0～106 μm）

5）“衛(wèi)星球”少。

氣霧化法（GA）的主要代表技術(shù)有真空感應(yīng)熔煉氣霧化（VIGA）法和電極感應(yīng)熔煉氣霧化（EIGA）法。

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，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(guó)內(nèi)外已實(shí)現(xiàn)多種球形金屬粉末的產(chǎn)業(yè)化。

（5）坩堝內(nèi)壁會(huì)生成凝殼層，有效減少熔體受污染。

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，其原理圖如圖5（b）所示。

霧化工藝的重點(diǎn)在霧化機(jī)制的三個(gè)階段和兩種典型二次破碎模型，如圖6所示

幾種鈦粉制備方法的總結(jié)對(duì)比如表3所示。

CHENG FENG

CHENG FENG

TA1 是純鈦材料，除了具有一定的力學(xué)性能、良好的生物相容性之外，還具有優(yōu)良的耐腐蝕性，純鈦制件在化工、船舶、醫(yī)療等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

TA1源于GB/T 3263.1的牌號(hào)，為工業(yè)純鈦。

【金屬增材制造用鈦粉制備研究】

郭廣浩，唐超蘭，楚瑞坤