等离子旋转雾化法制备粉体材料
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学号：S*********
课程：现代材料制备技术
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2016年10月26日
1 概况
等离子旋转雾化法是快速凝固技术的一种，快速凝固技术是将金属、合金熔体直接雾化制得球形粉末，或通过高压雾化介质（水或气体）的强烈冲击，或通过离心力使之破碎，高速冷却凝固实现的。
目前非常热门的3D打印技术中，获得高品质、低成本的球形粉体材料是满足金属3D打印技术及制备高性能金属构件的关键环节。现阶段，快速凝固制粉工艺是制备金属3D打印粉体材料的核心技术之一。目前，应用于金属3D打印粉体材料制备的快速凝固技术主要有惰性气体雾化法（AA法）、真空感应气雾化法（VIGA法）、无坩埚电极感应熔化气体雾化法（EIGA法）、等离子火炬法（PA法）以及等离子旋转雾化法（PREP法）等。其中，PREP法制备的粉末具有表面清洁、球形度高、伴生颗粒少、无空心/卫星粉、流动性好、高纯度、低氧含量、粒度分布窄等优势，适合金属3D打印。
将金属或合金制成自耗电极，电极端面受电弧加热而熔化为液体，通过电极高速旋转的离心力将液体抛出并粉碎成细小液滴，最后冷凝成粉末的方法就是旋转电极法。这种制粉方法在1974年由美国核金属公司首先开发成功，可根据等离子弧电流的大小和电极转速调控粉末的粒径，其原理示意图[1]见图1
图1 等离子旋转电极原理示意图[1]
日本早在1990年就采用等离子旋转电极法在用来制作人造骨和过滤器的大粒径（几百微米）钛合金粉末的制备上实现了突破，并且表明等离子旋转电极法是最清洁的粉末制备方法之一，并预言该种方法将成为工业制备钛粉的主流技术。
2010年利用等离子旋转电极法制备出了TC11钛合金球形粉末[2]，所制备的粉末的化学成分与原料棒材成分近似，且球形度好，无空心，颗粒表面光滑，行
星颗粒少，粉末的流动性好。由此可见，相对于气雾化法，等离子旋转电极法的优点是，所制备的粉末无空心结构，可制备出球形度较好且没有行星颗粒的钛合金粉末。但缺点也是显而易见的，利用PREP法制备的球形钛粉[2]的粒度多集中在106~246 μｍ，小于106 μｍ的球形钛粉的收得率较低。综合比较气雾化法和等离子旋转电极法发现，用PREP法制备的球形粉的综合性能较好，能满足等静压工艺对粉末的要求，且在粉末处理、运输、除气时均可表现出良好的性能
2 等离子旋转雾化制粉工艺参数对粉末性能的影响
2.1 电极棒直径与极限转速
根据等离子旋转雾化制粉机理，对液滴进行受力分析，可得到液滴形成的临界条件，即：
σπd≤mω2D/2 (1)
其中，σ为液滴表面张力，d为液滴直径、D为电极棒直径、ω为电极棒角速度。整理可得：
d=（3σ/ρπ2）1/2·（1/n）·（1/D1/2）(2)
其中，ρ为液滴密度、n为电极棒转速。
由公式(2)可知，等离子旋转雾化制粉粒径与液滴表面张力成正比关系，与液滴密度、电极棒极限转速、电极棒直径成反比关系。各类金属、合金的表面张力数值，获得几类典型金属、合金粉末粒径的理论计算公式[3,4]，具体如表1所示。
表1 典型金属、合金粉末粒径理论计算公式
类别理论计算公
式
电极棒极限
速/(r/min)
电极棒直径
/mm
理论平均粒
径/μm
实际平均粒
径/μm
钛合金d=1.665×107
/[n·D1/2]
15 00050157.00161.83
18 00070110.51117.19
22 2227089.5593.92
30 00010055.5063.01
镍基合金d=1.297×107
/[n·D1/2]
30 00010043.2346.74
钴基合金d=1.336×107
/[n·D1/2]
30 00010044.53—
铝基合金d=1.727×107
/[n·D1/2]
30 00010057.5762.78
镁基合金d=1.659×107
/[n·D1/2]
30 00010055.3—
铁基合金d=1.406×107
/[n·D1/2]
30 00010046.8755.96
由表1可知，理论平均粒径与实际检测的平均粒径结果相吻合，造成偏差的原因主要是粉末颗粒尺寸大小受棒料振动等影响，在理论值附近波动。随转速加快，粉末中小粒径粉末比例增加，粒度分布曲线向小粒径方向移动。硅（Si）含量相对较少则小颗粒粉末所占比例更大，因为合金中形成的硅化物会增加液态金属表面张力，金属液膜在被甩出合金棒料时需要更大的离心力。
2.2 等离子弧电流强度
由于每次等离子雾化制粉过程严格控制充入雾化室的Ar气体量（雾化室压力130kPa），故在整个制粉过程中等离子弧电压的变化不大，等离子弧电流的强度变化基本上反映了等离子枪输出功率的变化。研究发现，粉末平均粒径随等离子弧电流强度的增大而有明显细化的趋势。但是，提高电流会带来诸多弊端，其一是粉末粒度的分布范围随电流强度的增大而变宽的趋势十分明显，如图2所示。电流大小反映等离子枪的能量。增大电流的另一弊端在于，能量越大意味着等离子弧温度越高，越容易造成低熔点元素的烧蚀
图2 不同电流强度下粉末粒度分布
2.3 等离子枪与电极棒端部间距
试验表明，对于转移弧模式工作的等离子枪而言，等离子束的有效热功率与棒料端部的距离有关。实验发现，在电流强度和电压保持一定的情况下，等离子枪与棒料端部的距离除了影响棒料的熔化速度外，还影响端部熔池形状。粉末粒度的分布两者都相关：等离子枪与电极棒端部间距越小（10 mm），获得的等离子束有效热功率越大，熔化越充分，粉末粒度细化趋势越明显。当等离子枪与棒料端部距离由10 mm变为30 mm时，粉末粒度的分布范围有增宽的趋势。减小等离子枪与电极棒端部间距可以有效提高细粉收得率，但同时也会加剧等离子枪喷嘴和钨电极的损耗，喷嘴及钨电极部分材料熔化进而随着等离子流进入粉末中，影响粉末质量。
3 国内外研究进展及技术发展面临的挑战
等离子旋转雾化制粉技术始于20世纪70年代的美国，在俄罗斯得到发展应用。目前，俄罗斯掌握着世界上最先进的等离子旋转雾化制粉技术及装备。如俄罗斯某公司第2代等离子旋转雾化制粉设备，-325目以下的细粉收得率已经达到6%～8%。该公司新近开发的第3代等离子旋转雾化制粉设备，通过攻克电极棒高速旋转技术、高速旋转动密封技术、连续进给技术、无缝连接技术、智能控制系统升级等技术瓶颈，已经实现25根以上金属棒料的连续雾化制粉，-325目以下细粉收得率更是达到15%以上。
现阶段，国内等离子旋转雾化制粉技术的研究大体可分为2类。一类是以直接引进俄罗斯最先进的制粉技术及装备为基础，开展金属3D打印粉体的研制工作，如西北有色金属研究院、广州有色金属研究院为代表的国内科研院所，采用的是俄罗斯某公司第2代等离子旋转雾化制粉技术及装备。另一类则以俄罗斯20世纪70年代的技术及装备为基础，通过“引进-消化吸收-再创新”的方式进行自主研发，制备技术方面主要包括电极棒转速及直径、等离子弧电流强度、等离子枪与电极棒端部间距、电极棒进给速度等工艺参数研究；设备方面主要包括旋转电极制粉设备改造、旋转电极制粉机组的设计开发、旋转电极制粉设备的报警系统研制、高压等离子点火装置以及等离子枪的改进等。取得了一些成绩，但是总体上来说，国内研发成果相对较少、改进力度不大、质量不高，与国外相比差距还较大，细粉收得率（-325目以下）不到5%。
从技术层面看，等离子旋转雾化技术的瓶颈仍在于如何高效、低成本制备适用于金属3D打印的细粒径粉体。国内外等离子旋转雾化技术发展面临的挑战在于：细粉收得率低，直接导致3D打印粉体材料制备成本居高不下。以国内外最先进、使用最频繁的无坩埚电极感应熔化气体雾化（EIGA）工艺制备金属3D
