熔炼功率对EIGA制备Ti-6Al-4V合金粉末特性的影响

龙倩蕾，吴文恒，卢 林，杨启云，王 涛

（1.上海材料研究所，上海200437；2.上海3D打印材料工程技术研究中心，上海 200437）

3D打印技术是根据设计的三维数字模型，通过3D打印设备将材料逐层叠加的方式，来实现制造三维实体零件的技术，因此它也被称为增材制造技术。世界上很多发达国家很早就开始了对钛合金等高端材料在3D打印领域的研究，因此这些国家始终占据着3D打印行业发展的主导地位[1]。近年来，我国也将3D打印技术和金属粉末耗材制备工艺作为国家智能制造重点发展方向。作为广泛用于航空航天和地面以及医疗行业的Ti-6Al-4V合金，具有密度小、比强度高、抗腐蚀性强、生物相容性突出等优点，是金属3D打印技术中重要耗材之一[2-4]。在不同的3D打印技术中，选择性激光熔化（SLM）对于金属粉末耗材的要求比较高，主要是粉末的粒径分布、球形度的好坏以及氧含量的高低，直接决定了SLM打印过程中铺粉的均匀程度和顺畅性，最终将影响3D打印制件的性能[5-7]，因此，制备粒径均匀且分布较窄、球形度高、氧含量低的钛合金粉末成为选择性激光熔化3D打印技术发展及市场推广应用的迫切需求。

目前，制备钛合金粉末的主要方法有氢化脱氢法（HDH）、等离子旋转电极法（PREP）、无坩埚电极感应熔化气体雾化法（EIGA）和等离子体火炬雾化法（PA）[8-10]。其中，HDH制备的粉末形貌不规则，氧含量较高，无法满足3D打印对粉末耗材的要求；旋转电极法制备的金属粉末球形度高，流动性好，但由于自身转速的局限性以及粉末粒径较粗的问题，导致所生产的粉末中适合SLM的3D打印技术的细粉末收得率低，无法满足3D打印对细粉日益增长的需求。而气雾化过程是一个多因素、多参量变化的复杂过程，从根本上来说它是雾化气体对金属液流产生作用的过程，气流的动能在金属熔炼雾化的过程中将转化为新生粉末的表面能。近年来气雾化法已经逐渐发展成为制备3D打印用钛合金粉末的主要生产方法，其中最先进的工艺是EIGA制粉技术，该工艺的基本原理是高速惰性气流金属液流在高速气体的作用下粉碎成细小液滴并凝固成粉末[11]。此外，EIGA制粉技术采用无坩埚熔炼方式，有效避免了坩埚材质对合金粉末的污染，具有纯度高、球形度好、粒度可控以及适用于耐火和高熔点金属粉末的生产等优点。目前，该技术正受到国内外研究者的广泛关注[12-13]。

鉴于此，采用EIGA制粉技术制备Ti-6Al-4V钛合金粉末，并重点研究熔炼功率对粉末粒度及粒度分布、粉末形貌、粉末流动性及松装密度等物化特性的影响规律，为了解探究EIGA技术中粉末雾化特性的形成机理提供理论参考，重点为实际生产提供工艺借鉴。

1 实验

1.1 设备

实验所用的设备是德国产EIGA技术制粉炉，该装备主要由雾化塔、连接和消耗装置、熔炼装置、真空装置、惰性气体雾化装置、粉末收集部分、惰性气体排出系统、控制柜和水冷系统等组成。

1.2 基本原理

实验所采用的EIGA技术是针对活泼金属如钛、锆等研发的一种雾化方法。该工艺最突出的一个优点，是能以一种非陶瓷熔炼同时又与传统气雾化工艺生产结合的方式，在高频线圈感应的情况下，直接对金属棒材的表面进行加热熔炼的雾化方法。金属粉末制备的过程如图1所示。它使用一个特别设计的锥形感应线圈，对垂直放置的旋转电极前端末梢进行连续性熔炼，感应线圈的设计进行了一定的优化，以便达到熔化所需的过热度。熔化的金属液流被直接导向落入一个环缝形惰性气体喷嘴系统内，并在高速惰性气流的冲击下破碎成细小液滴，细小液滴在雾化塔内经过快速冷却后凝固成固体粉末颗粒，最后通过旋风分离系统将目标粉末分离至集粉桶内。

图1 EIGA雾化法制备Ti-6Al-4V钛合金粉末示意图Fig.1 Ti-6Al-4V powders prepared by EIGA method

1.3 耗材

本实验以Ti-6Al-4V钛合金作为原材料，化学成分如表1所示，电极棒形状如图2所示。以高纯氩气作为雾化介质（纯度99.999%，质量分数）。实验中将Ti-6Al-4V钛合金棒材放入送料室，对送料室、熔炼室和雾化炉体抽真空，待设备达到要求的真空度后，充入高纯氩气进行气氛保护，以防止钛合金棒材在熔炼雾化的过程中氧化，雾化气体压力保持在3.5 MPa，然后开始熔炼雾化。

表1 实验用Ti-6Al-4V钛合金棒材化学元素Tab.1 Chemical composition of Ti-6Al-4V alloy

图2 Ti-6Al-4V钛合金电极形状图Fig.2 Shape of Ti-6Al-4V alloy electrode

1.4 粉末分析

利用OMEC LS-POP（9）激光粒度分析仪分析Ti-6Al-4V粉末的粒径大小及分布情况，采用TESCAN VEGA3 SBU扫描电子显微镜观察粉末的表面形貌，并使用干式筛分法对所制备的钛合金粉末进行粒径分级。

2 结果与讨论

2.1 熔炼功率对粉末粒径及其分布的影响

实验在保证其他工艺参数不变的条件下，改变熔炼功率的大小，即 22、25、28、30、33 kW，表 2 是不同功率参数下制备所得Ti-6Al-4V合金粉末的中值粒径，依次为 72.2、70.8、67.8、63.7、65.2 μm。从表 2 可以看出，当熔炼功率从22 kW提升至30 kW的过程中，粉末的中值粒径随着熔炼功率的递增而逐渐减小。这是因为粉末的平均粒径与金属熔体的黏度和表面张力有关，熔体温度的提高导致其黏度和表面张力下降，从而使形变和破裂的现象更容易发生。熔滴破裂的现象是二次雾化的过程，金属流液在高速气流的冲击作用下破碎成大液滴，而熔炼功率的提高又为熔体提供了大量的热能，此时气流的动能与熔滴的热量发生交换，液滴表面张力的平衡被破坏，大液滴进一步破碎成了微细液滴[14]，因此，完全的二次雾化过程有利于微细粉末的制备。另外，随着雾化气流高速的冲击，黏度越小的流体就越容易被击碎成细小的液滴，冷却后得到的粉末粒径就越小。金属液流破碎过程实际上是一个液体体表面积增大的过程，表面张力越小的液流发生破碎时，环境需要对液流所做的表面功减小，因此，液流表面张力的下降有利于破碎。

在气雾化制粉技术的理论研究中，Lubanska[15]公式被认为是最准确和适用范围最广的。Lubanska粉末粒径公式表示如下：

式中：d50为粉末的中值粒径，m；kD为经验常数；ηm、ηg分别为金属液流与雾化气体的运动黏度，m2/s；ρg、ρm分别为雾化气体和金属流液的密度，kg/m3；M、G分别为金属液流和雾化气体的质量流率，kg/s；σm为金属溶液的表面张力，kg/s2；A为雾化器环缝或环孔喷嘴的面积，m2；dt为导流管内径，m。

根据式（1）可知，金属流液与雾化气体的相对运动黏度越小，金属溶液的表面张力越小，则金属颗粒的中值粒径越小，因此，在雾化气体压力保持一致的情况下，如何减小金属流液的黏度和表面张力，是控制金属粉末平均粒径大小的关键。

另外，Ramsay等[16]提出的经验公式表明，液体的表面张力与温度有关，

式中：σ为金属熔液的表面张力，10-3N·m-1；k为普适常数，对于非极性液体为2.1×10-7J/K；Tc为金属溶液的临界温度，K；T为金属溶液的实际温度，K；Vm为金属液体的摩尔体积，cm3。

由式（2）可见，对于同一种合金熔炼，其临界温度不变，随着加热的实际温度不断升高，金属溶液的黏度和表面张力随之减小，黏度小的流体在雾化气流剪切应力作用下容易被破碎，表面张力小的液流由于环境对其所做的表面功减小也有利于破碎，因此，适当地提高熔炼功率，使得熔体产生一定的过热度，有助于液流的形变和破碎，从而在雾化过程中更容易获得较细的粉末颗粒。

由表2可见，当熔炼功率从20 kW增大至30 kW时，由于温度的升高，金属液流黏度（ηm、σm）减小，此时黏度成为影响粉末粒径的主导因素，因此粉末粒度减小；而当熔炼功率从30 kW增大至33 kW时，粉末的中值粒径（65.2 μm）比熔炼功率为30 kW时所获得的（63.7 μm）大，因为此时金属液流的质量流率（M）占据了主导地位，随着熔炼功率的继续增大，金属液流流量也将随之增大，而雾化气体的流量保持恒定不变，这就导致了粉末粒径的增大。另外，过大的熔炼功率还将造成能源上的浪费和设备的损耗。

表2 不同熔炼功率参数下的Ti-6Al-4V合金粉末中值粒径Tab.2 Particle size of Ti-6Al-4V alloy powders under different power parameters

图3是不同熔炼功率参数下（22、25、28、30、33 kW）所获得的Ti-6Al-4V钛合金粉末粒度微分分布和累积分布曲线。由图3可见，累积分布曲线上10%～90%处的粉末粒径都均匀地分布在10～150 μm范围之间，微分分布曲线上的粉末粒径呈单峰并且近似于正态分布。由于EIGA技术属于典型的二次雾化，存在明显的伞效应，因此粉末粒径分布较宽是无法避免的。

图3 不同熔炼功率参数下制得Ti-6Al-4V粉末粒径的微分分布和累积分布Fig.3 Particle size distribution of Ti-6Al-4V alloy powder under different power parameters

2.2 熔炼功率对粉末形貌的影响

图4 是不同熔炼功率参数下（22、25、28、30、33 kW）所获得的Ti-6Al-4V钛合金粉末的SEM图像。由图4可见，随着熔炼功率由22 kW增大至33 kW，粉末粒度逐渐减小。由图4a—d可以看出，当熔炼功率为22 kW时，粉末球形度较差，粉末表面粗糙；当熔炼功率为25 kW时，粉末中存在长条和哑铃形粉末颗粒；当熔炼功率为28 kW时，粉末中存在近球形和水滴状的大颗粒；随着熔炼功率逐渐增大至30 kW，粉末的球形度高，表面更为光洁。由图4e可以看出，当熔炼功率为33 kW时，虽然细粉比例明显提高，但球形度较差，部分颗粒呈近球形或水滴状，卫星球较多。

图4 不同熔炼功率参数下制得Ti-6Al-4V合金粉末表面形貌Fig.4 Surface morphology of Ti-6Al-4V alloy powders under power parameters

在气雾化过程中，被气流击碎的金属液滴由于自身表面张力和黏度的影响而发生球化，同时又因为在重力和环境气流冲刷的作用下进一步形变，因此，粉末的颗粒形貌与熔滴在凝固过程中发生的形变有关，熔滴的冷却时间以及是否能进行充分球化将决定颗粒最终的球形度。金属熔滴的球化时间tsph和凝固时间tsol分别可用下列公式表达[17]：

式中：tsph为球化时间，s；ηm为金属溶液黏度；V为熔滴体积，m3；σm为金属溶液的表面张力；R、r分别为球化后与球化前的熔滴半径，m。

式中：tsoL为冷却凝固时间，s；d50为粉末中值粒径，m；hc为热导系数，W·m-1·K-1；Cp，m 为金属定压比热容，J·mol-1·K-1；Ti为熔滴初始温度，K；Tg为雾化气体温度，K；Tm为金属熔点，K；ΔHm为金属熔化焓，J/mol。

当tsph＜tsol时，金属熔滴在未完全凝固前已经球化，这就增大了熔滴形变的概率，不利于球化。这是因为金属熔滴在飞行过程中与已凝固的颗粒互相碰撞，粉末粘附在熔滴上，尤其是粒径较细的粉末更容易以包裹、焊接和粘附等形式产生卫星球，而体积较大的熔滴容易被击碎，同时由于重力和气流冲击等外界环境因素的影响发生不规则形变[18]。当tsph≈tsol时，金属熔滴能在冷却凝固的同时充分球化，容易形成球形度高的颗粒，粉末表面光洁。当tsph＞tsol时，金属熔滴在冷却凝固前还未进行充分球化，容易形成椭球、水滴状、长条等不规则形状。

本实验中，熔炼功率为22 kW时的粉末球形度差且表面粗糙。这是由于金属熔滴的球化时间主要取决于它的表面张力和体积，而表面张力随着熔滴的体积增大而减小，因此金属熔滴的球化时间随着体积的增大而延长，金属熔滴在还没完全球化前已经凝固，形成不规则形状颗粒，粉末表面较为粗糙。当熔炼功率为30 kW时，粉末粒径随着雾化温度的提高逐渐细化，并且拥有更高的球形度，原因是粒径小的粉末比粒径大的粉末更容易在凝固前充分球化。然而，当熔炼功率提升至33 kW时，雾化温度进一步提高也导致熔滴需要更长的凝固时间。一方面，金属熔滴在飞行过程中容易收到外界环境的影响而发生形变，与其他颗粒发生碰撞的概率增大，粘附在大颗粒上形成大量的卫星球；另一方面，温度的升高使得熔滴表面张力减小，弱化了熔滴的球化作用，不利于增加粉末颗粒的球形度和表面光洁度。另外，过高的熔炼功率会使得钛合金中部分化学成分的烧损，不但不利于高品质金属粉末的制备，还会缩短雾化设备的使用寿命，造成能源上的浪费。

2.3 熔炼功率对粉末松装密度和流动性能的影响

实验使用BT-200霍尔流速计测量EIGA技术制得的Ti-6Al-4V合金粉末的流动性能和松装密度。经过筛分后，保证90%以上的粉末粒径处于15～53 μm，其d10和d90分别为15.5、49.2 μm。表3列出不同熔炼功率参数下所得Ti-6Al-4V合金粉末的松装密度和流动性能。

由表3可知，随着功率的增加，粉末的松装密度先增大后减小；粉末流动速度逐渐减小，即粉末流动性越来越差。这是因为影响粉末松装密度和流动性能的因素十分复杂，颗粒形状和粒径分布是影响粉末的流动性的重要因素。粉末松装密度随颗粒尺寸的减小、颗粒非球状系数的增大以及表面粗糙度的增加而减小。通常球形度越好的颗粒相互之间接触的面积也就越小，流动性也越好；而粉末尺寸小、表面粗糙以及不规则颗粒间的剪应力，其流动性差，且随着粉体粒度的减小，颗粒之间的分子引力、静电引力逐渐增大，粉末颗粒间容易吸附，发生团聚现象，粘附性增大，粉末流动性变差。

表3 Ti-6Al-4V合金粉末的松装密度和流动性Tab.3 Apparent density and flowability of Ti-6Al-4V alloy powders

3 结论

1）采用EIGA技术制备的Ti-6Al-4V钛合金粉末具有粒径细小、球形度高的优点，但容易产生卫星球，这一现象可通过调整雾化工艺参数及在雾化过程中添加一道补充气流来加以避免。粉末粒度分布呈单峰正态分布，90%的粉末主要分布在10～150 μm范围内，粒度分布范围较宽。

2）在雾化压力恒定的条件下，随着熔炼功率逐渐增大，粉末的平均粒径存在细化的趋势。当熔炼功率为30 kW时，所获得的粉末平均粒径最小，不规则形状的颗粒比例较少，整体球形度较高，表面光洁。

3）当熔炼功率在22～33 kW时，粉末的松装密度在 2.3～2.4 g·cm-3，流动性为 46～49 s，符合激光 3D 打印SLM技术对于Ti-6Al-4V钛合金粉末要求，但从粉末粒度及形貌的角度而言，推荐采用30 kW的熔炼功率为佳。