球形TC4合金粉制造方法

張 爽， 劉耀東

(長春工業大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春 130012)

球形TC4合金粉制造方法

張 爽， 劉耀東*

(長春工業大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春 130012)

在氬氣保護環境下，利用等離子弧將TC4合金焊絲直接霧化，收集霧化冷卻后的小顆粒。對其形貌、成分及物相組成、流動性等進行研究。結果表明，顆粒呈現規則且表面光滑的圓球狀。粉體物相結構表現為α相，沒有氧化相結構，體現了快速凝固特征。粉體平均粒度57.96 μm，粒度分布曲線呈正態分布。等離子弧可以直接制造金屬粉體，而不用預先將合金液化或粉碎。

等離子弧； 霧化； 球形TC4合金粉

0 引 言

金屬材料的3D打印技術以其突出優點在工業領域應用前景廣泛。但受限于原料粉的制備技術，3D打印未能發揮預期效果[1]。現有制粉主要為3種：氣霧或水霧化法[2]、等離子旋轉電極法[3]、射頻等離子球化法[4]。這些方法制造的粉體性能在球形度、流動性、雜質含量、生產成本、制造效率等方面均有不足[5-6]。

氣霧或水霧法主要以金屬熔化再破碎為基本原理，難以避免熔融態金屬與盛裝容器(坩堝等)接觸而污染；旋轉電極法則需附加霧化冷卻板而引起粉體變形；射頻等離子球化法的效果則取決于預制粉體的粒度且易引入雜質。現有研究仍圍繞霧化壓力、電極旋轉速度和預制粉送料速度等方面的改進[7]。對于等離子弧高氣動性和高能量密度的優點[8]還未充分利用。等離子弧直接制造方法鮮有研究報道。

文中使用自制設備，用等離子弧直接將固體TC4合金(名義成分Ti6Al4V)霧化，霧化射流經快速冷卻。從粉體的形貌、粒度、成分和物相組成等方面進行分析研究，為探索簡便可靠的制粉技術提供數據和參考。

1 實 驗

1.1 實驗材料及設備

1.1.1 實驗材料

TC4鈦合金焊絲，(牌號Oxford Alloy?Ti-5,標準號ASME ERTi-5，規格Φ2.4 mm×916 mm)，化學成分見表1。

表1 焊絲ERTi-5成分

1.1.2 實驗設備

經改裝的等離子切割機(泛洋G60-D)；焊接送絲機；冷卻收集罐。

1.1.3 實驗氣體

工業用純氬氣99.99%。

1.2 試驗方法

設備示意圖如圖1所示。

1.等離子切割機割槍和實驗材料； 2.觀察窗；3.氬氣通入口和泄壓閥門接口； 4.冷卻收集設備； 5.粉體出口

首先用真空泵將密封容器內空氣排空，再通入氬氣。然后啟動等離子切割機，焊絲由改裝的送絲機加入，霧化射流以設定角度噴入冷卻罐中。

實驗參數見表2。

表2 實驗參數

將實驗收集的粉體進行真空干燥。使用掃描電子顯微鏡(SEM JSM-5500LV)與能譜儀(EDS EDAX-Falcon)、ONH-2000 氧氮氫分析儀、JX-2000型顯微顆粒圖像分析儀、霍爾流速計、粉體密度測試儀、XRD衍射儀(Dmax-2000PC)分別檢測制得TC4粉體形貌、成分、雜質含量、物相組成和粒度分布、流動性。XRD(Cu靶)掃描速度5°/min，范圍20°～90°。

2 結果與討論

2.1 等離子弧狀態對制粉效果的影響

在等離子弧輸出電流40 A時，經觀察，電弧挺度不足且不穩定，大部分焊絲被切斷而落入下方冷卻容器中。在輸出電流60 A時，電弧挺度和穩定性明顯較40 A時高，在鈦合金焊絲前端進入等離子弧芯時，可觀察到耀眼弧光。

等離子弧霧化鈦合金過程如圖2所示。

圖2 輸出電流60 A時等離子弧形態

等離子弧屬于等離子體放電的一種形式[9-10]，等離子切割機產生電弧溫度在8 000～16 000 ℃，壓縮電弧有很高能量密度,弧芯處向外延伸后，溫度梯度下降很快[11]。TC4合金熔點約1 660 ℃，在弧芯區域足以將TC4合金頃刻間熔化。由圖2可以很直觀地發現，不需要預先將固體金屬熔化或者粉碎成小顆粒。鈦合金射流在弧芯快速飛出后隨等離子弧溫度的降低也隨之冷卻、凝固，這一過程由于表面自由能作用而縮聚呈圓球狀[12]。

2.2 粉體形貌、元素及物相組成分析

粉體在掃描電子顯微鏡下觀察，如圖3所示。

(a) 粉體整體形貌

(b) 粉體局部形貌

大部分呈規則圓球狀且表面光滑(見圖3(b))。分析認為,粉體在從液態冷凝成固態的過程中，經過了很短的時間。證實了前文提到的等離子弧憑借高溫迅速熔化TC4焊絲，而后迅速將其吹出，霧滴顆粒在表面能作用下縮聚呈球。同時等離子弧溫度梯度大，電弧外溫度迅速下降，液相還未及時分解即被冷凝，因此大多數顆粒表面便呈現出光滑形貌。對這粉體進行EDS能譜掃描的結果如圖4所示。

(a) 編號1區域 (b) 編號2區域

圖4 EDS能譜分析數據

光滑粉體成分為Ti和Al，帶有紋路粉體成分Ti、Al、V，均沒有檢測出氧化成分。由于TC4合金各元素物理性質差異，在霧化時應該會有一定元素散失。

對金屬粉體的雜質含量分析見表3。

表3 TC4粉體N、H、O元素測定含量

粉體較焊絲N、H、O三種主要雜質元素含量均未超過標準值。排除原材料成分偏差、實驗操作、環境因素，粉體沒有引入雜質，實際效果仍認為較理想。

對制得粉體的XRD物相分析如圖5所示。

圖5 粉體的XRD衍射分析結果

粉體均為α相密排六方晶格結構，符合PDF-44-1294(Titanium)卡片信息，未發現有TiO2相。TC4合金屬于α-β兩相合金，而沒有在譜線中發現β相。分析認為霧化液滴升溫至TC4合金相同素異構轉變點(882.5 ℃)，β相變成亞穩α′相后即冷卻凝固，而α′相和α相具有相同的衍射信號。由上述數據可知，等離子弧制造TC4合金粉體過程中，粉體經歷了快速熔化、凝固，實現了由固體合金變為粉體狀合金的變化。

2.3 粉體流動性能測試

對粉體的粒度進行分析，粉體粒度分布曲線呈正態分布，如圖6所示。

由圖中可知，平均粒度 57.96 μm。D10=27.45 μm，D50=52.05 μm，D90=82.65 μm，Hausner Ratio 比值為1.08左右，表明粉體流動性能較好。綜合SEM圖像和粒度統計信息，文中研究制得的粉體粒度相對均勻，且大尺寸與小尺寸顆粒混合，有利于填充大顆粒粉體之間“架橋”留下的空隙，減少“空穴”形成的空間，滿足3D打印技術“粉床”鋪粉和噴管噴粉的使用要求。

圖6 TC4 粉體粒度及分布

3 結 語

1)持續穩定的等離子弧可以直接通過高溫霧化固體金屬材料，并可以通過等離子弧射流將霧化金屬顆粒吹出冷卻。

2)在高溫狀態下，熔融的金屬霧滴顆粒處于熱力學平衡狀態下，因此霧滴顆粒表面自由能會自發縮聚呈圓球狀，省去射頻等離子體需事先研磨粉體的過程，也避免了粉體強制冷卻過程引起的粉體變形。

3)根據實驗結果，制得粉體與原材料性質接近，沒有氧化現象，具有很好的粒度和流動性。因此，利用等離子弧直接制造金屬粉體的方法是可行的。

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A fabrication method for spherical TC4 powders

ZHANG Shuang, LIU Yaodong*

(School of Materials Science & Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Solid TC4 alloy wire is atomized by means of plasma arc with argon protection, and then the particulate powder is collected by the rapid cooling. The morphology, composition and phase composition, flow-ability of the powders are studied. The powders show the spherical shape with smooth surface, and the phase structure is α phase without oxide phase which presents the rapid solidification features. The average diameter of powders is 57.96 μm, and the particle size distributions are normal distribution. The plasma arc can be used to make metal powders, and no pre-liquidation or crush is needed.

plasma arc; atomization; spherical TC4 powders.

2016-07-26

國家自然科學基金資助項目(51371038)

張 爽(1983-)，男，漢族，吉林四平人，長春工業大學碩士研究生，主要從事焊接工藝及材料方向研究,E-mail:zhangshuangccut@163.com. *通訊作者：劉耀東(1969-)，男，漢族，吉林四平人，長春工業大學教授，博士，主要從事金屬材料加工方向研究,E-mail:Yaodong-liu@163.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.6.02

TF 123.2

A

1674-1374(2016)06-0526-05