霧化法制備高性能鈦合金粉末工藝研究進展

胡浩群 倪沛 楊彥 皮志超

蕪湖創聯新材料科技有限公司 安徽 蕪湖 241199

引言

鈦合金因具有良好的熱塑性和可焊性，成為激光增材制造重要原材料[1-4]。根據激光增材制造工藝過程，其原材料必須為粉末形態，且粉末粒度需要小于45μm[5]。此外，由于激光增材制造制件將保留原材料中的雜質元素（常見的雜質元素有氮、氧、氫等非金屬元素），雜質含量對激光增材制造制件的力學性能有不利影響[6]，因此原材料的雜質含量應較低。在實際操作過程中，非球形的粉末存在流動性差、利用率低的問題，易造成堵塞現象，同時還影響制件性能[7]，所以激光增材制造原材料鈦合金粉末還需具有較高的球形度。

優質鈦合金粉末是獲得高性能激光增材制造制件的基礎，因而鈦合金粉末制備工藝尤為重要[8-10]。當前鈦合金粉末制備工藝主要有霧化法、氫化脫氫法和金屬熱還原法，其中氫化脫氫法和金屬熱還原法制備的鈦合金粉末存在粉末形狀不規律、雜質含量高等問題，不適用于激光增材制造。霧化法因其制備的鈦合金粉末具有粒度可控、球形度高、雜質含量低等優點，成為當前主流的激光增材制造用鈦合金粉末制備方法[11-12]。

霧化法是通過物理方法將熔融鈦液分散成金屬小液滴，在自身表面張力的作用下，金屬小液滴逐漸球形化，冷卻凝固后形成金屬粉末[13]。霧化法按照鈦合金霧化的能量來源可分為氣霧化法、等離子霧化法和離心霧化法。

1 氣霧化法

氣霧化是利用高速氣流的動能來霧化鈦合金，通過高速氣流沖擊熔融鈦合金，使熔融鈦合金破碎并分散成細小的鈦合金小液滴，冷凝后形成鈦合金粉末[14]。氣霧化法的工藝核心是霧化噴嘴，其決定制粉效率、影響制粉性能。霧化噴嘴按照結構形式分為自由降落式噴嘴和限制型噴嘴兩類，如圖1所示[15]。自由降落式噴嘴存在霧化效率低、耗能高的問題，導致細粉收得率低，細粉制備成本高，不能滿足經濟性要求。限制型噴嘴是對自由降落式噴嘴進行優化改良得到，提高了霧化效率和粉末性能[16-18]，但生產過程更易發生粉末堵塞。

圖1 自由落體式和限制型噴嘴結構示意圖[15]

氣霧化法制備的鈦合金粉末具有球形度高、雜質含量低的特點，粉末粒徑分布在0～500μm之間，分布范圍較寬，0～45μm細粉末比例約為35%[19]。氣體沖擊霧化導致氣霧化法相比其他霧化工藝空心粉（熔融鈦合金金屬液滴包裹沖擊氣體冷凝后形成的中空粉末）和衛星粉（粉末粒度不同的兩個或多個粉末凝固在一起形成的衛星狀粉末）的問題較重，從而在霧化工藝制備的鈦合金粉末中該工藝制備的鈦合金粉末的雜質含量、球形度略差。常見的氣霧化法包括惰性氣體霧化法和電極感應熔化氣霧化法。

惰性氣體霧化法是在惰性氣體氛圍保護下進行，在經過預處理的坩堝內電弧加熱熔化鈦合金，熔融鈦合金通過導流管形成穩定的液流從噴嘴中霧化噴出，冷凝后得到鈦合金粉末[20-21]。劉辛等人[22]通過該工藝制備出中值粒度為62.23μmTiAl3鈦合金粉末，粉末中球形和近球形粉末比例高，球形度好。劉學暉[23]等通過該工藝制備了低氧含量、高收得率的TC4鈦合金粉末。

圖2 惰性氣體霧化示意圖[12]

電極感應熔化氣霧化法采用電極感應線圈加熱熔化合金棒材，再利用高速惰性氣體霧化粉碎鈦液制備鈦合金粉末[24]。該工藝具備了惰性氣體霧化法的優點，制備的粉末球形度高及表觀質量好，同時，由接觸式的坩堝電弧熔煉改為非接觸式的電極感應熔煉，進一步減少了雜質引入的風險[25]。但電極感應熔煉也存在局限性，由于熔化產生的鈦液液滴不穩定，造成限制型霧化噴嘴難以使用，限制了噴嘴的選擇，從而影響了細粉收得率。

該工藝目前是激光增材制造球形鈦合金粉末的主要制備方式[27-28]。郭快快[29]等使用電極感應熔化氣霧化法制備研究TC4合金粉末后發現，粉末形貌和粉末粒度受功率影響較大，低熔煉功率時，細粉比例低，且出現一定比例的棒形和啞鈴狀粉末顆粒，當功率增大，細粉比例明顯增大，不規則形狀的粉末顆粒逐漸消失。陸亮亮等[30]提出高頻感應熔化金屬絲氣體霧化技術，通過優化霧化氣體壓力、熔體溫度和送絲速度，制備出平均粒徑為41.8μm的鈦合金粉末。黃傳收等[31]通過對噴嘴的樣式、霧化壓力和熔煉功率進行研究調整，制備出球形度高、衛星粉少的TC4鈦合金粉末。

圖3 電極感應熔化氣霧化法示意圖[26]

2 等離子霧化法

等離子旋轉電極法是將鈦合金制成自耗電極置于高速旋轉的旋轉軸上，在真空或者惰性氣體保護下，通過等離子體加熱熔化其端面形成金屬液膜，利用電極旋轉離心霧化形成鈦合金小液滴，液滴在飛行過程中冷凝形成鈦合金粉末[32]。等離子熱源相比感應加熱或電弧加熱擁有更高的溫度，不僅有利于雜質的控制，還讓鈦合金小液滴球化更加充分，制備的鈦合金粉末球形度更好。但該工藝當前還存在需要優化之處，其制備的鈦合金粉末的粉末粒度偏大，細粉收得率低，從而讓該工藝在高端性能鈦合金粉末制備領域無法推廣使用[33-34]。王琪[35]等采用該工藝制備出了球形度高、表面光亮圓滑的TC15鈦合金球形粉末，粉末粒度在106～246μm之間，細粉比例小。

圖4 等離子旋轉電極法示意圖[36]

等離子火炬霧化法是一種利用等離子熱源霧化金屬液滴制備球形粉末的方法，借助高溫的等離子體火炬加熱鈦絲，熔化、蒸發成鈦金屬蒸汽，在沉積過程中與冷卻用的惰性氣體發生熱交換，凝固得到近球形粉末[37]。該工藝原材料鈦合金熔化、汽化過程同時進行，提高了霧化效率。等離子熱源的高溫特性讓粉末球形度提高。劉暢[38]等利用自主研發超音速等離子霧化工藝得到可應用于醫療、航空領域的鈦合金粉末，粉末粒度集中于50～61μm，粉末圓潤，鈦合金粉末純度高。

圖5 等離子火炬霧化工藝示意圖[5]

3 離心霧化法

離心霧化法是通過在惰性氣體氛圍中將熔融鈦合金離心甩出，粉碎成液滴，冷卻凝固得到球形粉末。離心霧化法制備的鈦合金粉末的粉末粒度與離心轉速密切相關，轉速越高制備的鈦合金粒度越細。由于現階段工藝設備局限性，該工藝無法獲得理想的轉速，同時設備還易污染粉末，使得制備的鈦合金粉末不僅粉末粒度較大，雜質含量還略高，使得該工藝推廣受到限制，但該工藝具有制備的粉末球形度高的優點。離心霧化法有旋轉電極法和電子束旋轉盤法兩種工藝。

圖6 旋轉電極法示意圖[4]

旋轉電極法是將棒狀鈦合金制成自耗電極，利用固定鎢電極上激發的電弧產生高溫熔化電極的端面，再借助電極旋轉的離心力霧化液滴制備球形粉末[39]。該工藝制備的鈦合金粉末直徑受電弧強度、自耗電極轉速影響極大，電弧強度越大、自耗電極轉速越快獲得的鈦合金粉末越細[40]。由于設備的掣肘，當前設備的轉速較低，獲得的粉末較粗。

電子束旋轉盤法是采用電極感應加熱將合金材料熔化，通過導流管將熔化的金屬液均勻滴落到下方高速旋轉的圓盤上，利用轉盤的離心力霧化液滴制備球形粉末。此方法在實施過程存在旋轉圓盤易變形、粉末閉孔內夾雜氣體多和坩堝漏嘴污染等諸多問題，基本不采用該工藝來制備鈦合金粉末[41]。

圖7 電子束旋轉盤法示意圖[42]

4 對比分析

氣霧化法制備的鈦合金粉末雜質含量低、球形度良好，其在霧化工藝中細粉收得率最高、成本最經濟，是當前主要高性能鈦合金粉末生產工藝。粉末雜質含量及球形度最佳的鈦合金粉末霧化制備工藝是等離子霧化工藝，但其因為成本較高、細粉收得率較低，限制了該工藝的廣泛應用。離心霧化工藝由于工藝設備存在大量問題，且制備的鈦合金粉末各項指標均不如等離子旋轉電極法制備的鈦合金粉末，已被后者替代。霧化工藝對比如表1：

表1 霧化工藝對比表

氣霧化法中，電極感應霧化法在限制型霧化噴嘴適用性方面存在技術難點，相比惰性氣體霧化法需要更高的技術能力支撐。該工藝相比惰性氣體霧化法優勢在于雜質含量更低。

等離子霧化法中，等離子旋轉電極法與等離子火炬霧化法由于存在成本高、細粉收得率低的問題導致應用不廣泛。但它們制備的鈦合金粉末都有具有雜質含量低、球形度高、粒度分布均勻等優點。細粉收得率方面兩者相比，等離子火炬霧化法在高等離子旋轉電極法2倍以上，但因為其制備的鈦合金粉末粒度分布較廣，需要額外進行粒度分級，產品成本提高，導致其應用情況不如等離子旋轉電極法[43]。

5 展望

霧化法因其制備的鈦合金不僅粉末球形度高、雜質含量低，且細粉收得率高，使其在鈦合金粉末制備工藝中脫穎而出，成為國內外主流的鈦合金粉末制備工藝。目前鈦合金粉末制備工藝中，國內以氣霧化工藝為主，國外以等離子霧化工藝為主。

氣霧化法因其具有較高細粉收得率和工藝簡單等優勢，從而成為現階段國內主要鈦合金粉末制備工藝。通過工藝參數優化和霧化噴嘴技術改良，該工藝在制備的鈦合金粉末品質及細粉收得率方面仍有提升空間，但若想將品質提升到媲美等離子霧化工藝制備的鈦合金粉末十分困難。

等離子霧化法相比其他鈦合金粉末制備工藝，其制備的鈦合金粉末具有十分優秀的粉末品質，但是該工藝的細粉收得率較低，造成細粉制備成本極高，限制了其推廣。國外對該工藝研究較深，目前已經解決了該工藝細粉收得率較低的問題，從而使得該工藝在國外已經得到廣泛應用。國內對該工藝的研究未達到國外的水平，因此如何提高工藝的細粉收得率降低細粉制備成本將成為國內該工藝未來主要研究方向。