【金属粉末制备技术概述2500字】

–PAGE28–金属粉末制备技术概述1.1钛合金粉末的制备工艺3D打印钛合金的第一成本因素是粉末。通常，粉末的成本被认为是阻碍3D打印钛合金产品发展的关键障碍。3D打印钛合金的质量和性能在很大程度上取决于所使用的钛合金粉末的质量，因此，开发低成本、高品质的钛合金粉末是发展3D打印钛技术的必经之路。20世纪60年代，美国TIMET公司发明了经典的氢化脱氢(HDH)法制取钛粉ADDINNE.Ref.{7D93F4B3-1401-48C4-B4A5-4A7E86FCD65D}[23]，该方法虽然可以制备粒径较细的粉末，但是粉末的形状不规则，流动性较差，因此HDH法不适用于钛合金3D打印技术的合金粉末制备。随后又提出基于双流雾化的气体雾化法和基于离心力的旋转电极法ADDINNE.Ref.{EC47D32F-078A-4B5A-B261-6AE412549294}[24]，旋转电极法虽然可以制备球形度高、流动性好的高质量钛合金粉末，但该技术制备的粉末存在粒径较粗、细粉收得率低的不足ADDINNE.Ref.{A788B858-B3F3-41E9-9DDB-05187D158BF0}[25]，虽然可以通过提高电极旋转度来增加细粉产率，但由于电极旋转速度增加带来的密封问题难以解决。气体雾化法虽然具有较高的细粉收得率，但制得的粉末球形度不高，此外，由于钛合金活性非常高，使用坩埚容易引入非金属杂质，污染钛合金，因此该方法不能制造纯净度高的球形钛合金粉末ADDINNE.Ref.{24B73010-001F-4DB2-B4F1-625D809E9540}[26]。为了消除坩埚带来的污染，20世纪90年代德国LEYBOLDAG公司发明了无坩埚气体雾化技术制备钛合金粉末ADDINNE.Ref.{54AD4EE2-93B5-44B0-B26D-5D50433486C6}[27]，该方法采用无坩埚熔炼，避免了杂质的引入，因此可以制备高纯度的合金粉末。但由于熔体的过热度不够，存在一些卫星颗粒和空心粉等缺陷粉末ADDINNE.Ref.{3851F558-CC3A-483C-A334-1C280C67E36B}[28]。目前制备球形钛合金粉末的工艺主要有四种，分别为：电极感应熔炼气雾化(EIGA)、等离子旋转电极(PREP)、等离子雾化(PA)、等离子球化(PS)，图1-4为四种制粉工艺的原理示意图，表1-2为该四种制粉工艺的优缺点比较ADDINNE.Ref.{29CE31AF-F910-4803-ACDD-7468FFBB794C}[29-31]。图1-4粉末制备技术原理示意图:(a)EIGAADDINNE.Ref.{98E32998-5B5C-4F1A-BD72-7D91AB55768E}[29];(b)PREPADDINNE.Ref.{2F6F8AFB-557E-4146-9AEB-4AE4C5734B06}[30];(c)PAADDINNE.Ref.{6E38E1C5-374B-467A-A382-7A79AB6E4E4D}[30];(d)PSADDINNE.Ref.{3289995D-12D5-4771-9BBC-CB71139E8727}[31]表1-1球形钛粉制备方法特点总结制粉技术优点缺点EIGA纯净度高、细粉末收得率高、球形度较好、成本低气体消耗量非常大，粉末粒径分布较宽，且存在空心粉和卫星颗粒PREP高纯度、高致密、无空心粉和卫星颗粒受限于电极棒的旋转速度，制备的粉末粒径较粗，100μm以下的粉末收得率低PA纯净度高、球形度高、无空心粉、粉末粒度分布窄、流动性好成本较高，局限于以丝材作为原材料PS纯度高、球形度高、表面性能好、流动性好粉末粒径和成分受限于原始不规则颗粒，且氧含量偏高1.2雾化破碎机理在诸多制粉方法中，气雾化法是目前发展应用最为成熟的制粉技术。气雾化制粉工艺主要分为金属的熔化、液流的雾化、液滴的冷却3个过程，图1-4(a)为该法制粉的原理示意图。首先是金属棒料被感应线圈熔化，然后熔化的金属汇成液流从喷嘴处进入雾化室，在雾化室内高速气流的作用下，被破碎成细小的液滴。熔融的金属液流在高速高压的气流作用下，破碎过程可分为五个阶段，如图1-5所示ADDINNE.Ref.{8989263D-6904-4479-9DB5-58D9E602D50A}[32]。在第一阶段中，液流受到气流的振动，在液流表面产生轻微扰动，从而诱发波动。在第二阶段中，由于剪切力的作用，波形被破坏，形成许多条带。在第三阶段中，在高速高压气流的作用下，条带继续破碎成液滴(初次破碎，或称为一次雾化)，当表面张力较大且冷速较低时，有利于液滴的球化，形成较为规则的形状；当表面张力较小且冷速较高时，不利于液滴的球化，因此易形成不规则颗粒形状。在第四阶段中，当原始液流和较大的液滴下降至气流能量非常集中的焦点时，被气流击碎，使其分散成非常细小的液滴颗粒(二次破碎，或称为二次雾化)。在第五阶段中，小液滴在飞行过程中发生碰撞和聚合，最终冷凝成细小的粉末颗粒。图1-5金属液流在高速高压气体下的破碎过程图ADDINNE.Ref.{DA6FBA25-5A6D-404F-8125-E33A13014516}[32]金属液流的破碎是雾化制粉的关节环节，而二次破碎很大程度上决定着粉末的粒径分布。其中二次破碎的破碎机制取决于韦伯(Weber)数(WeW(1-1)式中：ρg为气体的密度，Ur为气、液的相对速度，d0为喷嘴直径，σL为熔滴的表面张力。气体密度和喷口直径是常数，气、液相对速度取决于雾化压力和雾化喷嘴结构，熔滴的表面张力主要受熔体的温度影响。当We数达到某一临界值时，一次雾化产生的熔滴会发生二次雾化，由于We数值的不同，液滴二次雾化模式的模式也不相同，图1-6显示了不同We图1-6不同We条件下的二次雾化模式示意图ADDINNE.Ref.{3EFFE634-1E81-4C19-BE7F-E6B0D8AC92E4}[33]当液滴经过破碎后，便已经开始冷却，而最终是否会形成球形粉末取决于液滴的球化速度与冷却速度的大小，当液滴的球化速度大于冷却速度时，会形成球形粉末；反之，则会形成非球形颗粒。1.3电极感应熔炼气雾化技术研究现状气体雾化技术核心在于喷嘴，目前市场上应用最多的喷嘴主要有自由落体式(Free-Fall)和紧密耦合式(Close-Coupled)两种，如图1-7所示ADDINNE.Ref.{2EB16379-4B12-40D0-9F07-55F74C382EA7}[34]，与自由落体式喷嘴相比，紧密耦合式喷嘴具有更高的雾化效率ADDINNE.Ref.{64F37254-7E49-4FF0-A2E0-0936BC9B1608}[35,36]。除了研究设计高雾化效率的喷嘴结构外，通过优化雾化工艺参数也会大幅度改善粉末特性ADDINNE.Ref.{8E98A263-C437-456F-A79B-3304E9327782}[37,38]。图1-7EIGA法的喷嘴结构ADDINNE.Ref.{F1304489-AB92-4A73-96EF-5D4CD46D1984}[34]:(a)Free-Fall:(b)Close-CoupledWei等ADDINNE.Ref.{024FDCB7-7A8B-41CA-854F-10E1493EF0B2}[39]研究了雾化压力对液滴雾化模式的影响，结果表明，在一次雾化过程中，雾化压力的增加可以使不规则形状的波的碎片转变为规则形状的短棒；在二次雾化过程中，短棒有三种雾化模式，分别是正常颈缩雾化、冲击雾化、干涉雾化，形成不同形状的粉末。随着雾化压力增大，负压紊流区与流体速度呈先增大后迅速减小趋势，这使得短棒的正常颈缩雾化模式被限制，从而阻碍粉末的细化，因此，在6.0MPa压力下，具有最高的细粉制备率。Guo等ADDINNE.Ref.{336CB1FA-653C-4D27-BB6D-8E5A0F00F85E}[40]研究了高压对EIGA法制备Ti6Al4V粉末的粉体特性的影响，研究发现，不同雾化压力下制备的Ti6Al4V合金粉末均存在形状不规则的粉末，通过增大雾化压力可以减小粉末的平均粒径D50。郭快快等ADDINNE.Ref.{27003AE2-D53A-4EF3-8316-51A6D83608DD}[41]研究发现提高熔炼功率，可以减小粉末的平均粒径，但会增加空心粉的生成，此外，氧含量也会增加。张宁等ADDINNE.Ref.{90D635E9-AF33-4DCA-93F7-B4C0E248E1B3}[42]研究发现在熔炼功率为60kW、雾化压力为6.0MPa条件下，制备的Ti6Al4V粉末表面光滑，粒径分布较为均匀，球形度在98%以上，氧含量为0.09wt.%；各元素分布较为均匀，粉末颗粒的表面由α′-Ti相组成。杨启云等ADDINNE.Ref.{46AC0D48-54FD-452F-89AD-BFD3D234E380}[43]研究发现EIGA法制备的Ti6Al4V粉末可以将氧增量控制在较低范围内，一般不超过0.02wt.%，此外增大雾化压力会导致粉末的流动性能降低。谢波等ADDINNE.Ref.{4B72A810-FDB8-489A-B10D-656FBAB95D1C}[44]研究发现适当的提高熔体的温度，会提高粉末的收得率，此外，当雾化压力较过大时，对粉末的收得率作用影响较小刘联平等ADDINNE.Ref.{99776C2D-A113-4146-B7F8-C