基于PREP設備粉末粒徑細化的研究

高 峰，陳斌科，趙 培，任 龍，向長淑，朱紀磊

(西安賽隆金屬材料有限責任公司，陜西 西安 710018)

0 引言

近年來，增材制造技術在國內外發(fā)展勢頭迅猛，3D打印設備生產的鈦合金等打印件已成功運用于航空航天、生物醫(yī)療等國防軍工及民用領域，并得到逐步推廣[1-3]。目前，受限于電極棒料轉速及直徑，以鈦合金為例，Φ75 mm的電極棒料極限工作轉速≤18 000 r/min，粉末中位粒徑≥118 μm，較粗的粉末粒徑使得PREP法制備的金屬粉末在3D打印行業(yè)中運用受限。因此，細化PREP設備粉末粒徑，制備高品質、細粒徑金屬及合金粉末有助于推動我國增材制造行業(yè)的發(fā)展，打破國外對于軍工國防用細粒徑高品質粉末的壟斷及出口限制。

1 PREP設備粉末粒徑細化理論

等離子旋轉電極霧化制粉設備是一種以電極棒料為陽極，等離子槍為陰極，氬氣為電離介質(及惰性保護氣體)的一種球形高品質粉末制備裝置。工作時，電極棒料連接到逆變電源“+”極，等離子槍連接到逆變電源“-”極。在電場作用下，處于陰陽極之間的氬氣被電離形成電弧。電極棒料在電弧加熱作用下熔化為液體，通過電極棒料高速旋轉的離心力將液體拋出并粉碎為細小液滴，繼之在表面張力作用下冷卻為球形金屬粉末[4]。根據液滴形成的臨界條件[5-6]，對其進行受力分析可得：

σsπd≤mω2Da/2.

(1)

其中：σs為熔化金屬表面張力，N/m；m為液滴質量，kg；ω為電極棒料角速度；d為粉末粒徑，m；Da為電極棒料直徑，m。

液滴質量m和電極棒料角速度ω為：

(2)

(3)

將式(2)、式(3)代入式(1)，進一步簡化得：

(4)

其中：ρm為熔化金屬密度，kg/m3；n為電極棒料轉速，r/min。

由公式(4)可知，細化粉末粒徑有兩種方法，一種是增大電極棒料直徑Da，另一種是提高電極棒料工作轉速n[7-9]。

2 試驗研究

以賽隆公司自主研發(fā)的工業(yè)級臥式RPEP設備為例(如圖1所示)，選用Φ60 mm、Φ75 mm的TC4電極棒料，試驗參數見表1，工作轉速分別設定為12 000 r/min、13 000 r/min、13 500 r/min，制備的粉末粒徑結果見表2。

圖1 工業(yè)級SLPA-H型等離子旋轉電極霧化制粉設備

表1 試驗參數

由表2數據可知，在上述試驗條件下，實測粉末粒徑與理論值之間雖存在偏差，但最大偏差值≤19 μm，且滿足以下變化規(guī)律：相同電極棒料直徑條件下，工作轉速越高，粉末粒徑越細；相同工作轉速條件下，電極棒料直徑越大，粉末粒徑越細。這與公式(4)推導出來的粉末粒徑與電極棒料工作轉速成反比、與電極棒料直徑的二分之一次方成反比的變化規(guī)律是吻合的。

表2 實測粉末粒徑與理論結果

3 粉末粒徑細化途徑

增材制造行業(yè)迅猛發(fā)展，對用于增材制造的球形金屬粉末有著粒徑方面的限制。目前，主流的增材制造技術類型有兩種：直接能量沉積和粉末床熔合。以鈦合金為例，不同增材制造技術對粉末粒徑的要求如表3所示。

由表3可知，直接能量沉積增材制造技術粉末原料較粗，粉末生產技術以等離子旋轉電極霧化為主；粉末床熔合增材制造技術粉末粒徑較細，目前生產技術以氣霧化為主。氣霧化技術制備的金屬粉末粒徑雖較細，但空心粉較多，粉末熔化過程中空心粉中的氣體不易溢出，會造成零件內部缺陷，影響零件整體力學性能。因此，PREP法制備的球形金屬粉末是較為理想的增材制造原材料。以鈦合金為例，直徑75 mm的金屬棒料，轉速≥20 213 r/min時，粉末粒徑≤105 μm，滿足電子束選區(qū)熔化成形粉末原料需求；轉速≥47 164 r/min時，粉末粒徑≤45 μm，滿足電子束選區(qū)熔化成形和激光選區(qū)熔化成形粉末原料需求。

表3 不同增材制造技術對粉末粒徑的要求

現(xiàn)有的工業(yè)級PREP設備，工作轉速基本<20 000 r/min，鈦合金粉末粒徑>106 μm，難以滿足粉末床熔合鈦合金粉末原料需求。因此，提高設備工作轉速、增大電極棒料直徑，制備出細粒徑球形金屬粉末具有巨大的市場需求。本文就如何提高PREP設備工作轉速，給出了以下方法。

3.1 提高電極棒料直徑

由公式(4)可知，當工作轉速一定時，對于選定的金屬電極棒料，熔化金屬表面張力、熔化金屬密度為定值，電極棒料直徑越大，粉末粒徑越小。因此提高電極棒料直徑是提高粉末粒徑的有效途徑。實際工程中，受限于設備尺寸、電主軸尺寸和功率、動密封結構尺寸等，電極棒料直徑一般≤100 mm。

3.2 提高電極棒料工作轉速

由公式(4)可知，當電極棒料直徑一定時，對于給定的金屬電極棒料，熔化金屬表面張力、熔化金屬密度為定值，電極棒料工作轉速越高，粉末粒徑越細。提高設備工作轉速途徑較多，具體有以下幾種方法：

(1)提高電極棒料加工精度。電極棒料自身精度的提高可以保證棒料旋轉時產生的偏心力較小，其與棒料支撐單元(動密封結構)由于棒料自身不平衡引起的振動強度降低，從而提高運動機構的平穩(wěn)性，也提高了電極棒料工作轉速。

(2)采用柔性聯(lián)軸器。由于加工誤差的存在，電主軸、機械軸、電極棒料、動密封機構不可能做到完全同心。不同心就會產生偏心力，從而引起振動，導致設備轉速難以提高。因此，可在電主軸和機械軸之間、機械軸和電極棒料之間采用柔性聯(lián)軸器(圖2所示)，利用彈性變形緩和沖擊和吸收振動，從而降低不同心問題所帶來的振動強度，提高電極棒料工作轉速。

圖2 柔性聯(lián)軸器

(3)采用浮動輥動密封支撐單元，如圖3所示。動密封組件是PREP設備的核心單元，其作用有二：①支撐高速旋轉的電極棒料；②在電極棒料高速旋轉時保持霧化室內的惰性氣氛。在動密封裝置中，電極棒料由三組120°均布的軸承支撐旋轉。現(xiàn)有結構中，動密封組件內的超高轉速軸承支撐體為固定結構，棒料在旋轉過程中由于不平衡力引起的振動將導致電極棒料與軸承間產生“硬碰硬”的直接撞擊，引起設備各組件產生不同強度的振動，導致電極棒料轉速難以達到設定值。軸承支撐單元必須采用浮動支撐結構，這樣的結構設計使得電極棒料在高速旋轉時由于不平衡產生振動時，浮動輥動密封支撐單元在徑向方向上產生位移，不會發(fā)生“硬碰硬”的現(xiàn)象，對高轉速的電極棒料不產生類似于傳統(tǒng)動密封支撐單元的極大阻力。

圖3 浮動輥動密封裝置

4 結語

本文通過試驗，驗證了電極棒料直徑和電極棒料轉速兩個因素對粉末粒徑的影響：轉速升高或者直徑變大，粉末粒徑變細。在試驗的基礎上，通過長期工作實踐，提出了提高PREP設備工作轉速的三種途徑，即提高電極棒料加工精度、采用柔性聯(lián)軸器和采用浮動輥動密封支撐單元。