PREP法和AA法制取Inconel718粉末对比分析

王华 白瑞敏 周晓明 瞿宗宏

摘  要：采用等离子旋转电极法和氩气雾化法制备2种Inconel718粉末，对比了2种粉末在粒度、形貌、夹杂和空心粉率等方面的异同。研究结果表明PREP法生产的15 μm～53 μm的粉末收得率与AA法相当;PREP法制备的粉末形貌为球形，无黏连粉;AA法制备粉末一部分为球形，存在大量非球形粉，且存在黏连粉;PREP法制备的粉末夹杂含量低，夹杂主要为Al2O3、CaO;AA法制备的粉末夹杂含量高，夹杂主要为Al2O3;PREP法制备的粉末内部致密，无颗粒内孔洞;AA法制备的粉末存在颗粒内孔洞。

关键词：等离子旋转电极;氩气雾化;Inconel 718;粉末冶金;金属粉末

中图分类号：TG156             文献标志码：A

0 引言

Inconel 718合金是一种以γ″相为主要强化相的时效硬化型高温合金。由于其在高温下具有较高的强度、韧性和塑性以及优良的抗疲劳和耐腐蚀性能，因此Inconel 718合金应用于航空发动机的诸多零部件，例如涡轮盘、叶片、机匣、支撑件、紧固件等。增材制造技术作为目前最先进的粉末冶金技术，有望成为新的高温合金零件的制备方法。粉末作为增材制造工艺的原料，在增材制造过程中扮演着重要角色。目前，制备高温合金粉末的技术主要包括等离子旋转电极法（Plasma Rotation Electrode Process，PREP）和氩气雾化法（Argon Atomisation，AA）。

等离子旋转电极制粉法的原理是将母合金制作成电极棒，将电极棒装入传动装置，在惰性气氛中进行高速旋转，同时在由等离子体弧加热融化，形成的液膜在离心力的作用下分散飞离电极棒断面，最终在表面张力的作用下迅速凝固形成球形金属粉末。氩气雾化法的原理是合金液流在高速氩气的作用下被冲击雾化成尺寸细小的熔滴，然后在飞行过程中快速凝固形成粉末颗粒。

1 试验方法

该试验分别采用等离子旋转电极法和氩气雾化法制备Inconel718粉末，并对所制得粉末的性能进行分析。氩气雾化所采用的工艺为：雾化介质为高纯氩气，压力为3.2 MPa，喷嘴为2 mm。等离子旋转电极法的工艺参数为：采用直径为φ60的Inconel718合金棒，在氩气保护条件下以31 000 r/min的转速进行制粉。

采用机械振动筛、扫描电子显微镜（JSM-6700F）、EDS和金相显微镜（PMG3），主要对粉末的粒度、形貌、夹杂成分以及空心粉率进行分析。

2 结果与分析

2.1 粉末粒度

PREP与AA制粉法获得粉末的粒度分布如表1所示，從表中可以看出PREP制粉法制得的粉末粒度分布较集中，峰值明显，主要粒度集中在50 μm～70 μm。而AA法获得的粉末粒度分布跨度大，细粒径和粗粒径范围粉末都有分布。在15 μm～53 μm粒度段，二者则具有相近的占比分布。

2.2 粉末形貌

采取相同的取样方法，对PREP和AA法制得的粉末拍摄SEM图片。如图1所示为随机视场下2种粉末制备方法制得粉末的形貌照片，其中（a）和（b）为PREP粉末的形貌照片，（c）和（d）为AA粉末的形貌照片。从图1中可以看出，AA粉中存在大量的卫星粉和黏连粉，而PREP粉末不存在此现象，主要原因是PREP制粉时，粉末颗粒无论大小，自棒料断面飞出的速度与棒材外沿线速度相同，所以液滴不会发生碰撞而形成黏连粉，如图2（a）所示。但是对于气雾化过程，如图2（b）所示，粉末颗粒受力加速过程如下。

设气体压力为P，粉末颗粒半径为R，粉末颗粒密度为ρ，粉末颗粒受力约为F=PπR2，粉末颗粒重量为m=4ρπR3/3，粉末颗粒加速度为a=F/m=3P/4ρR。其中F和m均为加速度a的推导计算量，可见粉末颗粒加速度与粉末颗粒大小呈反比，所以小粉末颗粒加速度大，因此速度快，易撞击大粉末颗粒形成黏连粉，诸多小颗粒撞击大颗粒粉末时，形成卫星粉。黏连粉严重影响粉末的流动性和振实密度。

2.3 粉末中的夹杂

粉末中夹杂的数量、大小和成分对后续的粉末冶金产品的性能往往会产生不利影响，因此研究粉末中夹杂的情况对于获得优良性能的粉末冶金件来说至关重要。为了探究这一性能，在该实验中从2种制粉方法中各选取500 g粉末进行夹杂检测，每100 g进行1次试验，检测结果见表2。从表2中可以看出，每100 g粉末中，AA粉末中的夹杂数量平均值为5.6，比PREP粉末中夹杂的数量的平均值多出2.6，说明气雾化粉末中夹杂的数量更多。

对不同粉末中夹杂的成分进行了能谱分析，结果如图3和表3所示。结合表中数据可以看出PREP粉末中夹杂的主要成分为Al2O3;AA粉末中夹杂的主要成分为Al2O3和MgO。

2.4 粉末内孔洞

为了研究2种制粉方法制得的粉末中空心粉的情况，该实验分别对PREP和AA方法制得的相同粒度的粉末进行了金相制样并拍照分析，如图4所示，其中图4（a）为PREP粉末的金相照片，图4（b）为AA粉末的金相照片。从图中可以看出，PREP粉末的组织均匀性良好，并且PREP制得的Inconel718粉末致密性优良，粉末内部没有发现孔洞存在，而在AA粉末中，发现有孔洞位于粉末内部，并且含有孔洞的粉末数量相对较多。AA制粉时的惰性气体流的分布不均匀，强惰性气流卷入粉末内部，可形成空心粉。而PREP粉末的原始液滴自液膜脱离后形成球形颗粒，粉末受均匀的离心力作用，所以内部无孔洞。

3 结论

首先，PREP法生产的15 μm～53 μm的粉末收得率与AA法相当。

其次，PREP法制备的粉末形貌为球形，无黏连粉;AA法制备粉末一部分为球形，存在大量非球形粉，且存在黏连粉。

再次，PREP法制备的粉末夹杂含量低，夹杂主要为Al2O3。AA法制备的粉末夹杂含量高，夹杂主要为Al2O3、MgO。

最后，PREP法制备的粉末内部致密，无颗粒内孔洞;AA法制备的粉末存在颗粒内孔洞。

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