壓力和功率對(duì)EIGA 制備TA15 粉末的影響

蔣保林，管曉穎，葉國晨，蔣 陳

（江蘇威拉里新材料科技有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 引言

選區(qū)激光熔化技術(shù)（SLM）為利用高能束流將金屬粉末選擇性熔化逐層疊加形成實(shí)體結(jié)構(gòu)的增材制造方式[1]。目前，隨著設(shè)備打印幅面、打印效率、成形精度以及少支撐技術(shù)的發(fā)展，SLM 制造的金屬零件已廣泛應(yīng)用于航空航天和民用市場[2]。TA15 鈦合金由于具有高比強(qiáng)度、高抗疲勞性和低密度等眾多優(yōu)異特性，成為增材制造中的眾多原材料之一[3]。

增材制造用金屬粉末對(duì)粒度分布、球形度、流動(dòng)性和氧含量等都有嚴(yán)格要求。目前，制備TA15 鈦合金粉末方法主要有等離子旋轉(zhuǎn)電極法（PREP）和電極感應(yīng)熔煉氣霧化法（EIGA）。PREP 法細(xì)粉收得率較低，使其在增材制造領(lǐng)域應(yīng)用上受到較大限制。而EIGA 法采用無坩堝感應(yīng)熔煉避免了雜質(zhì)元素對(duì)粉末的影響，通過工藝參數(shù)的調(diào)整可以提高得粉率和生產(chǎn)效率，保證了金屬增材制造粉末材料的低成本[4]。其中，功率決定合金熔化速率與金屬液滴的過熱度，霧化壓力影響氣體對(duì)金屬液的破碎過程，對(duì)粉末物性有重要影響。吳嘉倫[5]通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了霧化壓力對(duì)FGH4096 合金粉末粒徑分布與球形度的影響，發(fā)現(xiàn)得粉率隨著霧化壓力的增加而提高，但在5 MPa 時(shí)出現(xiàn)反噴現(xiàn)象。郭快快等[6]的研究表明熔煉功率的增加降低了TC4 合金粉末粒徑并改善流動(dòng)性，在56 kW 時(shí)所制備粉末性能最好，滿足SLM 工藝要求。然而，目前關(guān)于EIGA 制備TA15 鈦合金粉末的工藝參數(shù)研究鮮有報(bào)道。本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，研究熔煉功率和霧化壓力對(duì)TA15 鈦合金粉末粒徑分布以及形貌的影響，為提高TA15 粉末品質(zhì)提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用TA15 鈦合金棒材，根據(jù)EIGA 制粉熔煉設(shè)備加工為尺寸為Φ50 mm × 1000 mm 的實(shí)驗(yàn)件，霧化氣體采用純度為99.999%的氬氣，合金化學(xué)成分見表1。

表1 TA15 鈦合金棒材成份（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

EIGA 是基于垂直定向旋轉(zhuǎn)電極，通過使用對(duì)于特殊設(shè)計(jì)的錐形感應(yīng)線圈的控制運(yùn)動(dòng)，電極在沒有陶瓷坩堝的惰性氣體環(huán)境中連續(xù)熔化。優(yōu)化感應(yīng)線圈的設(shè)計(jì)和發(fā)生器的頻率以實(shí)現(xiàn)必要的熱量，使熔體從電極的一端脫落[3]。通過適當(dāng)?shù)目刂疲乖牧先刍梢鹤杂上侣洌苯拥羧腱F化器噴盤，然后使用惰性氣體噴嘴將熔融金屬轉(zhuǎn)化為高速氣流以霧化熔體。在沿霧化塔向下移動(dòng)時(shí)，微液滴噴霧固化，形成球形細(xì)粉，并被收集在真空密封粉末容器中。

方案1：其他參數(shù)保持不變得情況下控制霧化壓力分別生產(chǎn)霧化壓力3.2 MPa、3.8 MPa、4.4 MPa、5 MPa時(shí)對(duì)粉末收得率的影響。

方案2：其他參數(shù)保持不變得情況下控制霧化壓力分別生產(chǎn)霧化壓力3.2 MPa、3.8 MPa、4.4 MPa、5 MPa時(shí)對(duì)粉末形貌的影響。

方案3：其他參數(shù)保持不變得情況下控制熔煉功率分別生產(chǎn)熔煉功率為25 kW、30 kW、35 kW、40 kW時(shí)對(duì)粉末收得率的影響。

方案4：其他參數(shù)保持不變得情況下控制熔煉功率分別生產(chǎn)熔煉功率為25 kW、30 kW、35 kW、40 kW時(shí)對(duì)粉末形貌的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 為不同工藝參數(shù)條件下TA15 鈦合金粉末得粉率情況，由表可知隨霧化壓力的升高，得粉率先增加再降低。當(dāng)霧化壓力為3.2 MPa 時(shí)，粉末收得率為28%；當(dāng)霧化壓力為3.8 MPa 時(shí)，粉末收得率33%；當(dāng)霧化壓力為4.4 MPa 時(shí)，粉末收得率最高為40%；霧化壓力為5 MPa 時(shí)，粉末收得率降低為38%。霧化壓力對(duì)得粉率影響主要因?yàn)閴毫ψ兓瘜?dǎo)致噴嘴出得氣體流速增加和回流區(qū)靜壓得改變。此外，隨著熔煉功率得逐漸增加粉末得粉率逐步提高。熔煉功率為25 kW 時(shí)，粉末收得率26%；當(dāng)熔煉功率為40 kW時(shí)，粉末收得率最高為42%。

表2 TA15 鈦合金不同工藝時(shí)得粉率

3 分析與討論

3.1 不同壓力對(duì)粉末收得率的影響

圖1 為不同霧化壓力所制備TA15 粉末的得粉率。隨著壓力的升高，粉末收得率逐漸提高后降低。粉末是氣體動(dòng)能與液滴表面張力相互作用的結(jié)果，金屬液滴在氣體動(dòng)能作用下首先初次破碎為金屬液膜，隨后在高壓氣體的沖擊下發(fā)生二次破碎，形成微小顆粒粉末。隨著霧化壓力從3.2 MPa 增加至4.4 MPa，霧化室流場結(jié)構(gòu)中初次破碎的回流區(qū)強(qiáng)度增加，導(dǎo)致合金破碎之后的液膜厚度降低，霧化液滴粒度減小。此外，霧化壓力的增加使高壓氣體與金屬熔體的相對(duì)速度提高，二次破碎更加充分，最終凝固為更加細(xì)小的粉末顆粒。因此，隨霧化壓力增大，粉末的平均粒徑減小，細(xì)粉收得率提高。但是，當(dāng)霧化壓力為5 MPa 時(shí)一次破碎回流區(qū)位置的上移，導(dǎo)致金屬熔體在氣體作用下出現(xiàn)反噴現(xiàn)象增加衛(wèi)星粉數(shù)量增加，最終使粉末收得率降低至38%。

圖1 不同霧化壓力下TA15 的出粉率

3.2 不同壓力對(duì)粉末形貌的影響

圖2 為不同壓力下粉末形貌圖，由圖2 可知，當(dāng)霧化壓力較低時(shí)（3.2 MPa、3.8 MPa），粉末中大尺寸顆粒較多，粉末表面比較光滑。隨著霧化壓力的提高，霧化氣流對(duì)金屬液滴的剪切和沖擊作用力將大液滴擊碎成小液滴，粉末中小尺寸顆粒增多，粉末球形度最好，如圖2（c）所示。隨著壓力進(jìn)一步提高，霧化氣體對(duì)金屬液滴的沖擊更強(qiáng)，形成了更過的細(xì)微粉末。同時(shí)，細(xì)微粉末更易于在霧化室中隨氣流漂移，并進(jìn)入霧化區(qū)域與未完全冷卻球化的金屬液滴接觸，粘附在金屬液滴表面，形成較多的衛(wèi)星球顆粒，如圖2（d）所示。

綜上所示，當(dāng)霧化壓力較低時(shí)，粉末中大顆粒較多，粉末收得率較低。隨著霧化壓力的升高，當(dāng)霧化壓力為4.4 MPa 時(shí)，粉末收得率為42%，粉末顆粒光潔度較好。霧化壓力持續(xù)提高至5 MPa 時(shí)，粉末收得率下降至38%，并且粉末中出現(xiàn)了較多的衛(wèi)星球，所以最優(yōu)的霧化壓力為4.4 MPa。

3.3 熔煉功率對(duì)粉末收得率的影響

圖3 為25 kW、30 kW、35 kW、40 kW 不同功率下粉末收得率曲線圖，從圖3 中可以看出，當(dāng)熔煉功率為25 kW 時(shí)，粉末收得率26%；當(dāng)熔煉功率為30 kW時(shí)，粉末收得率33%。霧化粉體粒徑的大小與熔體的黏度和表面張力有著密切的關(guān)系[7]。熔煉功率較小時(shí)，熔體的黏度和表面張力較大，當(dāng)所受外力不變時(shí)，沒有足夠能量破碎金屬液體，因此粉末平均粒徑較大，粉末收得率較低。當(dāng)熔煉功率增大到35 kW 和40 kW時(shí)，粉末收得率分別為40%和42%。隨著熔煉功率的升高，熔體溫度增加，金屬熔體過熱度變大，熔體表面張力以及黏度的降低，金屬液滴冷卻凝固時(shí)間延長，液流發(fā)生形變破碎的時(shí)間相應(yīng)延長，有利于破碎過程，使制得的粉末粒徑更加細(xì)小。

圖3 不同熔煉功率下TA15 的出粉率

3.4 熔煉功率對(duì)表面形貌的影響

圖4 為25 kW、30 kW、35 kW、40 kW 不同功率下粉末形貌圖，從圖中可以看出，當(dāng)功率較小時(shí)（25 kW和30 kW），粗顆粒占比較多，粗顆粒上粘附一些衛(wèi)星球，這是因?yàn)殪F化過程是一個(gè)多相流相互耦合作用的復(fù)雜過程。粉末的形成過程是由熔體的膜化、初始液膜破碎成液滴、液體的二次膜化和凝固3 個(gè)階段組成[8]。功率較低時(shí)，熔體過熱度較小，液滴很大，不易凝固，形成的粗顆粒粉末較多，而且在凝固前碰到其他已經(jīng)凝固的顆粒，則后者就會(huì)成為它的衛(wèi)星球。此外，從圖中還可以看到一些“長條形”和“葫蘆形”顆粒。這是因?yàn)椋蹮捁β瘦^小時(shí)，熔體過熱度較低，粉末成型過程中，球化時(shí)間大于凝固時(shí)間，霧化的金屬液滴在未充分球化前就已經(jīng)凝固，成球機(jī)會(huì)下降，導(dǎo)致不規(guī)則顆粒增多。

圖4 不同熔煉功率對(duì)應(yīng)的粉末形貌

從圖4 中可以看出，當(dāng)熔煉功率為35 kW 時(shí)，粉末顆粒均勻度較高，顆粒表面光潔，衛(wèi)星球和不規(guī)則顆粒非常少。當(dāng)功率增加到40 kW 時(shí)，大顆粒表面出現(xiàn)了一些衛(wèi)星球。這是因?yàn)樵诟吖β蕰r(shí)熔體液滴較大，凝固過程時(shí)間延長，粉末顆粒球形度下降。此外由于液滴增加表面張力減小，粉末在凝固過程中與氣體回流所上浮微細(xì)粉末相互碰撞，形成粉末粘連團(tuán)聚現(xiàn)象，進(jìn)一步影響球形度。

綜上所述，當(dāng)熔煉功率低于35 kW 時(shí)，粉末收得率較低，并且粉末中存在一定量的衛(wèi)星球和不規(guī)則顆粒。隨著熔煉功率的增加，粉末收得率提高，粉末顆粒光潔度增加。但是，當(dāng)熔煉超過40 kW 時(shí)，粉末收得率提高不明顯，并且出現(xiàn)一部分的衛(wèi)星球。功率越高，能源消耗越高，生產(chǎn)成本增加。因此，最有的熔煉功率為35 kW。

3.5 最優(yōu)工藝參數(shù)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)確定工藝參數(shù)參數(shù)為熔煉功率40 kW，霧化壓力4.4 MPa，通過批量鈦合金棒料生產(chǎn)，分析粉末粒度分布及其它綜合性能指標(biāo)。

圖5 為最優(yōu)霧化參數(shù)下TA15 粉末的累積粒度分布和微分粒度分布曲線，由累積粒度分布曲線可以看出制備的TA15 合金粉末粒度主要分布在15～120 μm。粉末的微分粒度分布曲線呈單峰，且近似為正態(tài)分布。

圖5 最優(yōu)霧化參數(shù)下TA15 粉末的粒徑分布

4 結(jié)語

根據(jù)霧化壓力和熔煉功率數(shù)據(jù)分析，適當(dāng)?shù)奶岣哽F化壓力和熔煉功率，可以有效地提高粉末收得率，同時(shí)為了保證粉末形貌光潔度、完整度，以及生產(chǎn)成本控制和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)保證。最優(yōu)的霧化參數(shù)為熔煉功率40 kW，霧化壓力4.4 MPa，此工藝參數(shù)下的粉末收得率為42%。