氣霧化參數對SLM用1720 MPa級馬氏體時效鋼粉末特性的影響

劉再西， 盧德宏， 王長軍， 劉振寶， 梁劍雄

(1. 昆明理工大學 材料科學與工程學院， 云南 昆明 650032；2. 鋼鐵研究總院 特殊鋼研究院， 北京 100089)

增材制造技術區別于傳統工業制造技術，具有制造周期短、整體利用率高、綜合成本低、打印精度高、智能設計自由度可控等優點，它突破了傳統零件成形和加工制造技術的原理限制，實現了“材料-結構-功能”一體化設計制造[1-2]。因此，增材制造技術在航空航天、醫療、儀電等領域展示出其獨特的優勢。1720 MPa級馬氏體時效鋼(00Ni18Co8Mo5TiAl)具有高強度、高韌性、良好的焊接性能和優異的熱加工性能等，因而被廣泛應用于航空航天領域[3-6]。隨著我國航空航天產業的快速發展，產品的不斷推新和升級換代，研制周期不斷縮短，機構復雜性和制造難度不斷提高，使得傳統的制造技術難以滿足要求。而隨著航空航天零部件的復雜度不斷提高，傳統加工方式難以滿足其成形要求。針對馬氏體時效鋼在航空航天領域的應用，使其與增材制造工藝相結合，以解決航空航天領域高復雜零部件成形困難的問題，逐漸成為該領域的研究熱點，Zhang等[7]通過SLM工藝應用于18Ni馬氏體鋼制備了蜂窩狀結構的零部件，獲得了比傳統鑄態更優異的沖擊性能。在近期綜述性的相關報道中，譚超林等[3]較為全面地闡述了國內外激光增材制造成型馬氏體時效鋼的研究和應用現狀，分析了選區激光熔化制備馬氏體時效鋼方面特有優勢，尤其在梯度材料功能件制備方面。此外，文中也分析了選區激光熔化成型馬氏體時效鋼面向模具的應用，并對其在原子能、航空航天等尖端領域應用方面做出了展望。

在增材制造方面的早期相關研究工作中，沈英俊等[8]分析了Al-Fe系高溫鋁合金霧化制粉過程中霧化參數對制粉過程的影響，對粉末平均粒度、氣流參數、熔體流速及其穩定性進行了理論計算分析并采用試驗進行驗證，試驗得出粉末平均粒徑均與氣流密度和氣流速度立方成反比，即d∝k/ρgV3。李鑫等[9]同樣分析了氣霧化工藝參數對金屬粉末粒度的影響，其中包括金屬熔體過熱度、霧化壓力、氣液質量流率比以及霧化介質。在一定范圍內，隨熔體溫度、霧化壓力和氣液質量流率比的升高，粉末粒度逐漸減小。另外，霧化介質對粉末粒度的影響不大。在近期朱曉飛等[10]的研究工作中，對EIGA氣霧化法制備工藝中加熱功率、進給速度和氣霧化壓力對304不銹鋼增材用粉末粒徑影響進行了研究，提高氣霧化壓力能夠顯著提高細粉收得率，進給速度與加熱功率的匹配性是影響該合金粉末球形度的決定性因素。

本課題組在前期的工作中[11-12]，研究了真空感應熔煉氣霧化法中出爐溫度、霧化壓力及漏嘴孔徑對PH13-8Mo鋼粉末特性的影響，著重分析了不同粒徑區間PH13-8Mo鋼粉末的氧含量、表面形貌、表面及內部微觀組織、流動性和松裝密度。

由于在18Ni馬氏體時效鋼粉末制備方面的研究較少，而粉末的性能參數對SLM成形質量有較大的影響，因此，本文將著重分析真空感應熔煉氣霧化法制備馬氏體時效鋼粉末的工藝，研究霧化壓力、過熱度、氣體加熱溫度對粉末特性的影響，以提供能夠滿足打印性能要求的粉末，同時為調控打印件的綜合性能提供前期保障。

1 試驗材料及方法

由于試驗條件的制約，本次研究分成3個部分進行，每個參數設有兩組試驗作為對照，如表1所示，①和②對照研究霧化壓力對粉末特性的影響；②和③對照研究過熱度對粉末特性的影響；③和④對照研究霧化氣體溫度對粉末特性的影響。

表1 VIGA氣霧化試驗工藝參數

試驗采用1720 MPa級馬氏體時效鋼00Ni18Co8Mo5TiAl為原材料，其化學成分如表2所示。采用中頻感應電爐，在氬氣保護下對原料加熱至完全融化并且達到設定溫度時，將鋼液通過漏嘴倒入霧化室進行霧化，霧化氣體為高純氬氣(純度為99.99%)。

霧化結束后，將裝有粉末的集粉艙卸下。將所收集粉末倒入篩分機用標準篩進行篩分，得到粒度為150～850 μm、100～150 μm、53～100 μm和<53 μm的粉末，將粒度<53 μm區間的粉末倒入氣流分級機分離出粒度<15 μm和15～53 μm區間的粉末。對15～53 μm區間粒度的粉末用BT-1001智能粉體特性測試儀檢測粉末試樣的松裝密度、振實密度、休止角和流動性指數，并用BT-200標準漏斗法金屬粉末流動性測定儀測量粉末試樣的流動性。采用FEI Quanta 650 FEG環境掃描電鏡觀察粉末試樣顆粒的表面形貌。

表2 00Ni18Co8Mo5TiAl鋼的化學成分(質量分數，%)

2 試驗結果及討論

2.1 霧化壓力對粉末特性的影響

圖1為保持漏嘴孔徑φ5 mm、過熱度145 K(出爐溫度1600 ℃)和霧化氣體溫度100 ℃的情況下，霧化壓力分別為4.0 MPa和5.0 MPa時1720 MPa級馬氏體時效鋼15～53 μm粉末的粒徑分布曲線。由圖1可知，霧化壓力增大，金屬粉末的粒徑分布曲線寬度收攏，粉末整體粒度減小，當粒徑在53 μm左右時，收得率明顯提高。表3為霧化壓力為4 MPa和5 MPa時粒度15～53 μm粉末的物理性能。由表3可知，霧化壓力較大的粉末，收得率明顯提高，流動性較好，松裝密度和振實密度較高，D90減小，粉末整體粒徑減小。這是由于隨著霧化壓力的增大，霧化過程中，氣體動能增大，熔融態鋼液所受到的沖擊力增強，從而破碎為更多細小的液滴。液滴表面能Sw和比表面能Qw成正比[9]，因此比表面能Qw滿足如下關系式[10]：

(1)

式中：ρm為金屬材料密度，Dm為金屬液滴直徑，L為常數。因為霧化壓力增大，所以液滴直徑Dm減小導致比表面能Qw增加，這也使得金屬液滴凝固更快，減少了衛星粉的產生，提高了金屬粉末的球形度，因而物理特性也得以提升；同時比表面能Qw的增加也對凝固過程中的破碎效應具有積極的影響。因此，在一定范圍內的霧化壓力的增大，會使其粒度15～53 μm細粉收得率得到明顯提升，同時也對其物理特性有一定的優化作用。

圖1 霧化壓力分別為4.0 MPa和5.0 MPa時粒度 15～53 μm的1720 MPa級馬氏體時效鋼粉末粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of the 1720 MPa maraging steel powders with particle sizes of 15-53 μm at atomization pressure of 4.0 MPa and 5.0 MPa, respectively

2.2 過熱度對粉末特性的影響

圖2為保持漏嘴孔徑φ5 mm、霧化壓力為5.0 MPa和霧化氣體溫度100 ℃不變的情況下，過熱度分別為145 K和245 K時(出爐溫度分別為1600 ℃和1700 ℃)時，粒度15～53 μm的1720 MPa級馬氏體時效鋼粉末的粒徑分布。由圖2可以看出，隨著過熱度的增大，粒徑5～53 μm的粉末占比明顯提高，說明過熱度為245 K時，15～53 μm細粉收得率增加。金屬熔體表面張力σm與臨界溫度Tc的關系可由式(2)表示[13]：

表3 霧化壓力分別為4.0 MPa和5.0 MPa時粒度15～53 μm粉末的物理性能

(2)

式中：M為金屬熔體的摩爾質量；ρm為鋼液密度；Tc為臨界溫度；K為試驗常數；T為熔點。

圖2 過熱度分別為145 K和245 K時粒度15～53 μm的 1720 MPa級馬氏體時效鋼粉末粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of the 1720 MPa maraging steel powders with particle sizes of 15-53 μm at superheat degrees of 145 K and 245 K, respectively

金屬熔體的摩爾質量不隨溫度變化，而鋼液密度隨溫度變化的程度很小。由式(2)可知，在其他變量一定的情況下，金屬熔體的表面張力隨溫度升高而減小。當過熱度(出爐溫度)升高時，鋼液的表面張力減小，從而使得鋼液霧化破碎得更加充分，粉末的粒度減小，細粉收得率升高。

表4為不同過熱度下粒度15～53 μm的1720 MPa級馬氏體時效鋼粉末的物理性能，圖3為過熱度分別為145 K和245 K下粒度15～53 μm的1720 MPa級馬氏體時效鋼粉末SEM圖。結合圖3和表4可知，過熱度為245 K(出爐溫度為1720 ℃)時，粉末的松裝密度更高，流動性優于過熱度145 K(出爐溫度1600 ℃)時的金屬粉末。這是因為隨著過熱度的升高，金屬熔體破碎為小液滴后內部熱量大，從而延長了球化時間，粉末的球形度也就更好。相反，當過熱度低時，液滴的球化時間短，未完全球化而凝固成非球形的粉末，因此粉末球形度低，物理性能相對較差。

2.3 霧化氣體溫度對粉末特性的影響

圖4為保持漏嘴孔徑φ5 mm、霧化壓力為5.0 MPa和過熱度245 K(出爐溫度1720 ℃)的情況下，霧化氣體溫度分別為25 ℃和100 ℃時，粒度15～53 μm的1720 MPa級馬氏體時效鋼粉末的粒徑分布曲線。表5為霧化氣體溫度分別為25 ℃和100 ℃下粒度15～53 μm粉末的物理性能。結合圖4和表5可知，隨著霧化氣體溫度的增大，粒徑15～53 μm粉末的收得率增大，松裝密度有所提升，流動性得到一定程度的優化。

表4 過熱度分別為145 K和245 K時粒度15～53 μm粉末的物理性能

表5 霧化氣體溫度分別為25 ℃和100 ℃時粒度15～53 μm粉末的物理性能

圖3 過熱度分別為145 K(a)和245 K(b)時粒度15～53 μm 的1720 MPa級馬氏體時效鋼粉末SEM圖Fig.3 SEM images of the 1720 MPa maraging steel powders with particle sizes of 15-53 μm at superheat degrees of 145 K(a) and 245 K(b), respectively

圖4 霧化氣體溫度分別為25 ℃和100 ℃時粒度 15～53 μm的1720 MPa級馬氏體時效鋼粉末粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of the 1720 MPa maraging steel powders with particle sizes of 15-53 μm at atomizing gas temperature of 25 ℃ and 100 ℃, respectively

分析原因，如圖5所示，在其他變量一定的情況下，霧化氣體溫度較低時，熔融態鋼液受到沖擊破碎為小液滴后，有些較小粒徑液滴受到表面張力的作用而球化，且因為霧化區域環境溫度較低，而急速凝固，但是有些粒徑稍大的液滴，由于霧化氣體溫度較低且霧化區域環境溫度較低，未完全球化就急速冷卻凝固，這就導致了粉末球形度差，表面形貌差，單一粉末顆粒運動性較低，粉末顆粒之間作用阻力較大，宏觀粉末物理性能較低；同時，熔融態鋼液在受到較低溫度的霧化氣體沖擊時，受沖擊區域溫度急劇降低，鋼液流動性也隨之降低，從而單位時間內受到沖擊而霧化的鋼液流量也減少，這就導致了細小液滴的減少，凝固后的小尺寸粉末分布較少，15～53 μm粒度區間的粉末收得率減少。

當霧化氣體溫度升高至100 ℃時，熔融態鋼液受到沖擊破碎為小液滴后，有些較小粒徑液滴受到表面張力的作用而球化，且因為霧化區域環境溫度較高，而急速凝固，但是有些粒徑稍大的液滴，由于霧化氣體溫度較高且霧化區域環境溫度較高，未完全球化就有較長冷卻凝固時間，這一點也可以通過式(3)[14]和式(4)[15]推出。

(3)

(4)

式中：dp1為從熔融態到凝固所放出的熱量；Tg為霧化氣體溫度，Tl為過熱溫度，Tm為液體金屬熔點，hc為傳熱系數，CP為液體金屬的比熱，ΔH為焓變，Vq為液滴體積，σ為液滴表面張力，μl為液滴粘度，R與r分別為液滴球化前、后的半徑。熔融態鋼液破碎時，鋼液與環境溫差減小，降溫更慢，從而液滴凝固時間tsol增加，而液滴粒徑的細化會使球化時間tsph縮短，則兩者的時間就會趨于相同，則粉末的球形度隨之增加，衛星粉減少，表面形貌較優異，單一粉末顆粒運動性較較好，粉末顆粒之間作用阻力較小，宏觀粉末物理性能較高；同時，熔融態鋼液在受到較高溫度的霧化氣體沖擊時，受沖擊區域溫度并不會急劇降低，鋼液流動性也可以盡可能的保持原有水平，從而單位時間內受到沖擊而霧化的鋼液流量較多，這就導致了細小液滴的增多，凝固后的小尺寸粉末分布較廣，15～53 μm粒度區間的粉末收得率增加。但是，霧化溫度過高會導致液滴在凝固過程中冷卻過慢，從而使液滴相互粘連，降低細粉收得率，同時也會使得粉末衛星粉現象增多，進而降低粉末的物理性能。綜上所述，控制霧化氣體溫度處于100 ℃時，可獲得高收得率高流動性的粉末。

2.4 SLM用粉末制備最佳氣霧化參數

一般情況下，對于SLM用金屬粉末粒徑分布區間的要求較為嚴格，在粒度15～53 μm之間。根據以上研究結果，要使得粉末制備成本低且所制備粉末物理性能優異，應適當增大霧化壓力，適當升高過熱度，適當升高霧化氣體溫度。本文中最佳的VIGA霧化工藝：粒徑為φ5 mm，霧化壓力為5.0 MPa，過熱度為245 K，霧化氣體溫度為100 ℃。

圖6為最佳工藝下所制備粉末的SEM圖，由圖6(a) 可以看出，該工藝下，粉末尺寸均齊度較好，粉末整體球形度較優，且衛星粉較少。由圖6(b)可以看出，該工藝下，單個粉末球形度好，無明顯凹坑缺陷。同時，該工藝下粒度15～53 μm區間粉末收得率高達52.3%，因此采用該工藝可獲得性能優異的SLM用粉末，同時生產成本較低。

圖6 最佳氣霧化工藝下粉末的表面形貌Fig.6 Surface morphologies of powders under optimal atomization process

3 結論

1) 采用VIGA氣霧化法制備SLM用1720 MPa級馬氏體時效鋼粉末，在霧化壓力增大時，粒度15～53 μm區間的粉末收得率得到大幅提高。同時粉末的流動性和松裝密度等物理性能也得到了一定程度的優化。

2) 當過熱度(出爐溫度)增大時，金屬粉末的球形度較好，流動性較好，松裝密度較高，細粉收得率較高。當霧化氣體溫度升高時，金屬粉末的球形度得到小幅度的優化，細粉收得率升高。

3) 本研究中的最佳霧化工藝參數：漏嘴孔徑為φ5 mm，霧化壓力為5.0 MPa，過熱度為245 K，霧化氣體溫度為100 ℃。在此工藝下制備的1720 MPa級馬氏體時效鋼粉末流動性為20.15 s/50 g，松裝密度為4.23 g/cm，粉末形貌球形度良好。