鄒 宇，廖先杰，賴 奇，劉翹楚

(1.西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039)(2.攀枝花學(xué)院釩鈦學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

1 前 言

3D打印(3D printing, 3DP)也被稱作增材制造或近凈成型，是一種以數(shù)字三維模型文件為基礎(chǔ)，通過(guò)“分層制造，逐層疊加”的方式將可粘合性材料構(gòu)造成三維實(shí)體的技術(shù)[1, 2]。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)在制造靈活性、復(fù)雜零件成型以及節(jié)省原材料等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[3]。目前，3D打印技術(shù)在航空航天、汽車制造、生物醫(yī)療、數(shù)字藝術(shù)、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并隨著技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣筟4]。鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、熱膨脹系數(shù)小、生物相容性好、低溫下無(wú)脆性等優(yōu)良性能，3D打印制備高性能鈦合金零件及其應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)之一[5, 6]。適用于制備高性能3D打印件的鈦粉要求具有純凈度高、氧含量低、球形度好、粒度小且分布均勻等特征。3D打印金屬粉末一般要求球形度在98%以上，利于打印時(shí)送粉和鋪粉。根據(jù)金屬打印技術(shù)的不同，所使用的粉末粒徑分布范圍為0～150 μm不等，其中微細(xì)粉末(≤45 μm)對(duì)于打印高性能零件尤為重要[7, 8]。為了保證打印件的質(zhì)量，粉末中雜質(zhì)元素的含量必需控制在一定范圍內(nèi)，尤其是氧元素含量一般應(yīng)控制在0.15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以下，氧含量過(guò)高會(huì)嚴(yán)重?fù)p害打印件的延展性和斷裂韌性[9]。當(dāng)前，制備高品質(zhì)、低成本的鈦合金粉末是發(fā)展鈦合金3D打印技術(shù)所面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)，也是3D打印材料領(lǐng)域的重要內(nèi)容和研究熱點(diǎn)[9, 10]。本文對(duì)適用于金屬3D打印鈦粉的制備技術(shù)原理和特點(diǎn)進(jìn)行了討論，并對(duì)近年來(lái)相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，最后分析了球形鈦粉制備技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 球形鈦粉制備技術(shù)

2.1 霧化法

霧化法是制備高性能球形金屬及合金粉末成熟且應(yīng)用廣泛的方法，霧化法制備的粉末已占到當(dāng)今世界粉末總產(chǎn)量的約80%[11, 12]。目前球形鈦粉的霧化生產(chǎn)技術(shù)主要有真空感應(yīng)熔煉氣霧化、電極感應(yīng)熔煉氣霧化、等離子旋轉(zhuǎn)電極法和等離子霧化法。

2.1.1 氣霧化(GA)

氣霧化(gas atomization, GA)制粉的基本原理是利用高速惰性氣體將液態(tài)金屬流粉碎成小液滴，在表面張力的作用下球化并冷凝成球形粉末[13, 14]。氣霧化粉末粒徑分布范圍較寬(0～500 μm)，可劃分為0～45 μm、46～106 μm和107～500 μm 3個(gè)范圍，其中0～45 μm微細(xì)粉末的產(chǎn)量最少，一般在35%以下[15]。氣霧化粉末粒徑分布和典型應(yīng)用如表1所示。

表1 氣霧化粉末粒徑分布及典型應(yīng)用[15]Table 1 Typical size distributions and applications for gas atomized powders[15]

目前，真空感應(yīng)熔煉氣霧化(vacuum induction gas atomization, VIGA)和電極感應(yīng)熔煉氣霧化(electrode induction gas atomization, EIGA)是兩種應(yīng)用廣泛的氣霧化鈦粉制備技術(shù)。

VIGA是一種冷坩堝熔煉霧化技術(shù)，最早由美國(guó)坩堝公司(Crucible Materials Corp.)的Charles等[16]發(fā)明，其特點(diǎn)在于鈦料是放置于真空感應(yīng)水冷銅坩堝內(nèi)熔煉，由于水冷作用，銅坩堝內(nèi)壁形成一層鈦膜，從而隔絕了熔融鈦與坩堝內(nèi)壁的直接接觸，在一定程度上避免了鈦熔體被污染，有利于制備出高純鈦粉[17, 18]，其基本原理如圖1a所示[19]。VIGA制粉的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)原料形狀沒(méi)有特殊要求，可以是錠材或棒材等[20]。其缺點(diǎn)是不能完全保證熔體不被坩堝污染，且采用冷坩堝爐熔煉金屬存在著電能轉(zhuǎn)化率低、耗能高等問(wèn)題，即使通過(guò)技術(shù)優(yōu)化，電能轉(zhuǎn)化率也只能達(dá)到25%～30%[21]。VIGA技術(shù)還存在一個(gè)問(wèn)題是，高溫下熔融鈦流經(jīng)導(dǎo)流管(材質(zhì)通常為石墨)內(nèi)部時(shí)，容易發(fā)生碳化反應(yīng)，導(dǎo)致鈦粉碳含量大幅度增加(約6倍)，從而影響粉末的綜合性能。為此，趙少陽(yáng)等[22]采用在石墨導(dǎo)流管內(nèi)壁涂抹Y2O3涂料的方法，有效阻止了熔融鈦與石墨導(dǎo)流管的碳化反應(yīng)，進(jìn)而有效控制了鈦粉中的碳含量，使得霧化粉末中的碳含量與原料相比僅增加了1倍左右。

為了徹底避免鈦液在熔煉和導(dǎo)流過(guò)程中雜質(zhì)元素的污染問(wèn)題，無(wú)坩堝且無(wú)導(dǎo)流管的EIGA技術(shù)隨之產(chǎn)生。其基本原理(如圖1b所示)是采用合金棒料為電極，通過(guò)感應(yīng)線圈將緩慢旋轉(zhuǎn)的電極材料熔化形成細(xì)小液流，熔液直接滴落至霧化區(qū)被惰性氣體霧化[23]。熔體流量可由感應(yīng)功率控制，也可由電極的下移速度控制。EIGA技術(shù)有效減少了鈦合金粉末中的夾雜物，而且該技術(shù)耗電較少(因?yàn)槿垠w體積很小)，即使高速旋轉(zhuǎn)時(shí)也無(wú)需平衡電極棒，因此安全性較高[24]。EIGA技術(shù)的缺點(diǎn)在于液流穩(wěn)定性不易控制，同時(shí)電極在熔化過(guò)程中受熱不均可能發(fā)生成分偏析，從而導(dǎo)致粉體成分不均勻。

近年來(lái)，關(guān)于氣霧化技術(shù)的研究主要集中于噴嘴結(jié)構(gòu)及氣流特性和霧化工藝參數(shù)對(duì)粉末性能的影響這兩個(gè)方面。噴嘴是氣霧化技術(shù)的關(guān)鍵，工業(yè)上廣泛應(yīng)用的兩種噴嘴(圖2[25])是自由落體(free-fall)噴嘴和緊耦合(close-coupled)噴嘴，后者比前者具有更高的霧化效率和細(xì)粉產(chǎn)量，因此緊耦合霧化(CC-GA)技術(shù)的研究得到了更廣泛的關(guān)注[26-29]。除了優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)，控制霧化工藝參數(shù)對(duì)提高粉末性能也至關(guān)重要。相關(guān)研究表明，在一定范圍內(nèi)增大熔煉功率和霧化氣壓有利于制備出高性能的球形鈦粉[30-32]。經(jīng)典霧化理論認(rèn)為，普通氣體霧化過(guò)程中熔體破碎機(jī)理可分為5個(gè)階段[33]：① 波形形成階段；② 波形破碎與成帶階段；③ 條帶破碎與波形破碎階段(一次霧化)；④ 二次霧化階段；⑤ 碰撞聚合階段。霧化是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，到目前為止霧化作用機(jī)理仍不是很清楚，因此人們對(duì)熔滴的破碎過(guò)程也進(jìn)行了大量的研究。Wei等[34]研究了氣體壓力對(duì)熔滴破碎過(guò)程的影響。研究表明，增大氣體壓力對(duì)大尺寸橢圓形金屬片與常規(guī)熔融棒在一次破碎過(guò)程中的轉(zhuǎn)化起到了積極作用。在二次破碎過(guò)程中，熔融棒遵循3種破碎方式(正常頸縮破碎模式、干擾破碎模式和沖擊破碎模式)轉(zhuǎn)變?yōu)楫愋畏勰?。隨著壓力的增加，流場(chǎng)的回流體積和氣流速度先增大后減小，不利于正常頸縮破碎模式，阻礙了細(xì)粉的制備。

圖1 霧化法制備球形鈦粉原理示意圖[19]：(a)真空感應(yīng)熔煉氣霧化，(b)電極感應(yīng)熔煉氣霧化，(c)等離子旋轉(zhuǎn)電極離心霧化，(d)等離子霧化Fig.1 Schematic diagrams of the principle of preparing spherical titanium powder by atomization[19]: (a) VIGA, (b) EIGA, (c) PREP, (d) PA

圖2 兩種典型的氣霧化噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖[25]Fig.2 Schematic diagrams of two typical gas atomizing nozzles[25]

2.1.2 離心霧化(CA)

離心霧化(centrifugal atomization, CA)是一種利用離心力將熔體破碎，熔液以液滴的形式拋出并在飛行中凝固成球形粉末的技術(shù)[35]。等離子旋轉(zhuǎn)電極法(plasma rotating electrode process, PREP)是生產(chǎn)高純球形鈦粉最常用的離心霧化技術(shù)[36]。其基本原理(如圖1c所示)是自耗電極端面被等離子體電弧熔化為液膜，并在旋轉(zhuǎn)離心力作用下高速甩出形成液滴，然后液滴在表面張力的作用下球化并冷凝成球形粉末[37, 38]。PREP因采用自耗電極，制備出的粉末純凈度較高，且該技術(shù)不使用高速惰性氣體霧化金屬液流，避免了“傘效應(yīng)”引起的空心粉和衛(wèi)星粉顆粒的形成。因此，相對(duì)于氣霧化而言，PREP制備的粉末中空心粉和衛(wèi)星粉更少[39]。EIGA和PREP法制備的鈦粉(TC4)形貌分別如圖3a和3b所示。PREP制備的鈦粉球形度可達(dá)99.5%以上，但是存在著粉末尺寸偏大的問(wèn)題，由圖3f中粉末粒徑范圍對(duì)比可以直觀看出。

圖3 不同方法制備的鈦粉(Ti-6Al-4V)微觀形貌[36, 40]：(a)電極感應(yīng)熔煉氣霧化，(b)等離子旋轉(zhuǎn)電極離心霧化，(c)等離子霧化，(d)等離子球化，(e)造粒燒結(jié)脫氧；各種粉末的粒徑分布圖(f)Fig.3 micro-morphology of titanium powder (Ti-6Al-4V) prepared by different methods[36, 40]: (a) EIGA, (b) PREP, (c) PA, (d) PS, (e) GSD; particle size distribution of the powders (f)

PREP制備的粉末粒徑分布較窄，主要介于50～150 μm，但細(xì)粉收得率很低，目前俄羅斯最先進(jìn)的PREP技術(shù)也只能收得約15%的細(xì)粉(～45 μm)[20, 41, 42]。PREP粉末的粒徑分布與坯料直徑、電極轉(zhuǎn)速和熔化速度等工藝參數(shù)相關(guān)，雖然通過(guò)提高電極轉(zhuǎn)速和增大電極直徑能夠顯著提高細(xì)粉收得率，但是也會(huì)帶來(lái)高速動(dòng)密封、震動(dòng)等技術(shù)難題[43, 44]。經(jīng)過(guò)技術(shù)突破，目前新一代等離子旋轉(zhuǎn)霧化(N-PREP)制粉系統(tǒng)已能夠?qū)崿F(xiàn)在較大電極棒直徑(100 mm)和較高極限轉(zhuǎn)速(30 000 r/min)條件下細(xì)粉(～45 μm)收得率達(dá)16%，同時(shí)還集成了棒料連續(xù)進(jìn)給技術(shù)[42]。

PREP制備的粉末顆粒大小依賴于熔池邊緣液膜分裂的霧化機(jī)制，而發(fā)生何種霧化機(jī)制則同熔池內(nèi)部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)(液膜厚度、液流速度等)密切相關(guān)[45]。研究人員在圓盤(pán)離心模型[35]的基礎(chǔ)上提出了3種基本的PREP霧化模型[37, 46, 47]：直接液滴成形(DDF)、液線破碎(LD)和液膜破碎(FD)，如圖4所示。由式(1)統(tǒng)計(jì)方程可近似確定液態(tài)金屬實(shí)際霧化模型[48, 49]：

(1)

式中：Hi是無(wú)量綱參數(shù)；μ(Pa·s)是液態(tài)金屬的粘度；Q(m3·s-1)是熔化速率；ρ(kg·m-3)為密度；ω(rad·s-1)是轉(zhuǎn)速；γ(N·m-1)是液態(tài)金屬的表面張力；D(m)是電極棒直徑。如果Hi<0.07，主要霧化模型是DDF；如果Hi<1.33，主要霧化模型是LD；如果Hi>1.33，主要霧化模型是FD。

圖4 典型離心霧化模型：直接液滴成形、液線破碎和液膜破碎[46]Fig.4 Typical centrifugal spray models of DDF, LD and FD[46]

2.1.3 等離子霧化(PA)

等離子霧化(plasma atomization, PA)是以鈦或鈦合金絲為原料，以等離子槍為加熱源，原料絲材被等離子體瞬間熔化的同時(shí)被高溫氣體霧化，形成的微小液滴在表面張力的作用下球化并在下落過(guò)程中冷卻固化為球形顆粒的一種工藝[50, 51]，其原理如圖1d所示。PA工藝的特點(diǎn)在于[51-54]：① 金屬熔化與霧化過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，霧化效率高；② 體系在整個(gè)過(guò)程中均處于惰性氣氛保護(hù)，有利于得到高純粉體；③ 霧化氣體具有較高的溫度，能延緩顆粒的凝固，使得球化充分進(jìn)行；④ 細(xì)粉收得率高(50%～60%)，幾乎沒(méi)有衛(wèi)星球；⑤ 粒徑分布范圍窄，平均粒徑約為40 μm。PA工藝制備的鈦粉微觀形貌如圖3c所示。

PA技術(shù)的關(guān)鍵工藝參數(shù)包括送絲速度、火炬功率、反應(yīng)腔室尺寸等[55]。研究各個(gè)工藝參數(shù)及其合理配合對(duì)粉體性能的影響是PA技術(shù)的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。近年來(lái)，國(guó)外關(guān)于PA技術(shù)的研究取得了不少進(jìn)展，現(xiàn)有技術(shù)已能夠在單位時(shí)間內(nèi)所消耗氣體與原料的質(zhì)量比小于20的條件下，制備大量(至少80%)粒徑分布為0～106 μm的金屬粉末[56]；據(jù)報(bào)道，加拿大Pyrogenesis公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了新的PA工藝，能夠大量生產(chǎn)超細(xì)(5～20 μm)金屬粉末[57]。加拿大AP&C公司是PA技術(shù)的專利持有者，但該公司不對(duì)外出售等離子霧化設(shè)備，由于專利保護(hù)及技術(shù)封鎖，國(guó)內(nèi)關(guān)于PA技術(shù)的研究進(jìn)展緩慢[58]。

2.2 球化法

球化法是指以激光束、等離子體或其它熱源形式將異形金屬粉末熔化并在表面張力作用下球化，最后冷卻凝固成球形顆粒的方法。目前，球化法制備球形鈦粉主要包括激光球化和射頻等離子球化，其中射頻等離子球化法是應(yīng)用廣泛且相對(duì)成熟的技術(shù)。

2.2.1 激光球化(LS)

激光球化(laser spheroidization, LS)制粉是利用“球化效應(yīng)”將不規(guī)則金屬粉末轉(zhuǎn)變成球形粉末的技術(shù)?！扒蚧?yīng)”是金屬粉末選區(qū)激光燒結(jié)(selective laser sintering, SLS)和選區(qū)激光熔化(selective laser melting, SLM)過(guò)程中存在的一個(gè)現(xiàn)象，即當(dāng)激光束掃過(guò)金屬粉末表面時(shí)，粉末迅速升溫熔化，為了使熔融金屬液表面與其接觸的介質(zhì)表面形成的體系具有最小自由能，在重力以及界面張力共同作用下，熔融金屬液表面收縮成球形的現(xiàn)象[59-63]。

歐陽(yáng)鴻武等[64]利用“球化效應(yīng)”在SLS設(shè)備上探索將異形Ti粉轉(zhuǎn)化為球形粉末的可行途徑，探明了形成“球化效應(yīng)”的工藝條件，并在激光功率為600 W，掃描速度為30 mm/s 時(shí)，獲得了較為理想的球形Ti 粉。黃衛(wèi)東等[65]發(fā)明了一種激光球化稀有難熔金屬及硬質(zhì)合金非球形粉末的方法。具體制備過(guò)程為：① 金屬粉末在-0.1 MPa真空條件下烘干處理；② 根據(jù)金屬熔點(diǎn)設(shè)定激光球化參數(shù)：激光器功率5～8 kW，光斑直徑4～8 mm，送粉率10～30 g/min，載粉氣流量150～400 L/h；③ 在氬氣純度≥99.999%的氛圍中球化金屬粉末，可一次獲得球化率大于70%的球形金屬粉末。

激光球化法的優(yōu)點(diǎn)在于激光是一種高能束流，其能量和方向精確可控，能避免球化過(guò)程中粉末元素發(fā)生燒損，同時(shí)激光加工不會(huì)引入外來(lái)雜質(zhì)。目前采用激光球化法制備的粉末球形度不高，原因在于金屬粉末的球化能力除了與激光掃描速度、激光功率等工藝參數(shù)有關(guān)外，還與金屬粉末自身性能(如粒徑、導(dǎo)熱性、熔點(diǎn)和激光吸收率等)相關(guān)，因此很大程度上限制了激光球化法的應(yīng)用和發(fā)展[66, 67]。

2.2.2 等離子球化(PS)

等離子球化法(plasma spheroidization, PS)是將不規(guī)則金屬粉末利用攜帶氣體通過(guò)加料槍噴入等離子炬中，顆粒迅速吸熱后整體(或表面)熔融，并在表面張力作用下縮聚成球形液滴，然后在極高的溫度梯度下迅速冷卻固化，從而獲得球形粉末的方法[68, 69]，其原理如圖5所示。

圖5 等離子球化制粉原理示意圖Fig.5 Principle diagram of powder preparation by plasma spheroidization

熱等離子體具有溫度高(3000～10 000 K)、體積大、冷卻速率快(104～105K/s)等特征，非常適合于高熔點(diǎn)金屬及合金粉末的球化[70, 71]。熱等離子體可以通過(guò)直流等離子弧火炬和射頻感應(yīng)耦合放電等方式產(chǎn)生，其中射頻等離子體因電極腐蝕造成污染的可能性低(無(wú)內(nèi)電極)且停留或反應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)(等離子體速度相對(duì)較低)，因而是球化和致密化金屬粉末的首選方法[72-74]。采用熱等離子體處理金屬粉末可顯著提高粉末球形度，改善流動(dòng)性，消除內(nèi)部孔隙，提高體積密度，降低雜質(zhì)含量，獲得了越來(lái)越廣泛的關(guān)注[75-77]。PS工藝制備的鈦粉形貌參見(jiàn)圖3d。

研究表明，在PS工藝中合理控制工藝參數(shù)(如進(jìn)料速率、等離子體功率、氣體流量等)對(duì)于提高粉末球化率具有重要意義，通常在較低的進(jìn)料速率下可獲得較好的球化效果，甚至球化率可達(dá)到100%[78-81]。除了工藝參數(shù)，原料粒徑對(duì)球化率也有重要影響，Bissett等[82]用PS法分別處理了不同粒徑范圍(<75 μm、75～125 μm、125～250 μm、250～425 μm)的不規(guī)則鈦粉，結(jié)果表明，粒徑小于125 μm的粉末能夠被很好地球化，而粒徑在125 μm以上的顆粒則無(wú)法球化或球化效果不理想。一直以來(lái)，關(guān)于粉末球化率問(wèn)題都是基于實(shí)驗(yàn)研究，沒(méi)有一個(gè)理論模型能夠預(yù)測(cè)實(shí)際的球化效率。鑒于不同粉末的熱物理性質(zhì)不同以及等離子體與粒子相互作用時(shí)傳熱機(jī)制的復(fù)雜性，要提出一個(gè)統(tǒng)一的模型難度極大。Dignard等[83]在已知傳熱機(jī)理和等離子體性質(zhì)的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)預(yù)測(cè)射頻等離子體模型的球化率，該模型適用于各種金屬粉末。盛艷偉等[84]以粒徑為100～150 μm的不規(guī)則TiH2粉為原料，采用PS法制備出了粒徑為20～50 μm的球形鈦粉，球化率達(dá)到100%，但是鈦粉中含有殘余TiH相，需要后續(xù)脫氫處理才能得到單相鈦粉。王建軍等[85]利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent建立了球化制粉過(guò)程的數(shù)值模型，計(jì)算了流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和顆粒運(yùn)行軌跡，研究表明：小顆粒粉末運(yùn)動(dòng)軌跡主要受流場(chǎng)影響，顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡雜亂；大顆粒粉末運(yùn)動(dòng)軌跡主要受重力場(chǎng)影響，顆粒沿軸向快速穿過(guò)等離子區(qū)。由此可知，合理的粉末粒度搭配合理的送粉速率是獲得最佳球化效果的關(guān)鍵。

PS工藝與傳統(tǒng)球形粉末制備技術(shù)相比，在制備難熔金屬高性能球形粉末方面更有優(yōu)勢(shì)，但也存在產(chǎn)率相對(duì)較低的問(wèn)題，比如采用60 kW的等離子設(shè)備生產(chǎn)鈦粉，在保證球化率大于80%的情況下，每小時(shí)產(chǎn)量4.5～6.6 kg左右[86]。目前提高粉末產(chǎn)量的唯一方法就是增大等離子設(shè)備功率，如Tekna公司400 kW的工業(yè)粉末球化裝置根據(jù)所需球化程度每小時(shí)產(chǎn)量可達(dá)20～40 kg或更高[66]。為了實(shí)現(xiàn)等離子球化率和生產(chǎn)率的進(jìn)一步提高，研究粒子在熱場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)行為尤為必要，但是目前除了數(shù)值模擬外還沒(méi)有有效的手段能夠在上萬(wàn)攝氏度的高溫下實(shí)現(xiàn)粒子運(yùn)行軌跡和溫度變化的精確測(cè)量。

2.3 造粒燒結(jié)脫氧法(GSD)

造粒燒結(jié)脫氧(granulation sintering deoxygenation, GSD)工藝是一種無(wú)熔煉制備球形鈦粉的新方法，該方法主要包括3道工序[40, 41]：① 造粒：將鈦合金氫化物或具有母合金的鈦氫化物(由海綿鈦或鈦合金廢料氫化而成)研磨成細(xì)顆粒，然后用噴霧干燥法將顆粒制成所需粒度范圍的球形小顆粒；② 燒結(jié)：將球形小顆粒燒結(jié)成致密的球形鈦顆粒；③ 脫氧：采用新型的Mg或Ca低溫脫氧工藝對(duì)球形Ti顆粒進(jìn)行脫氧。GSD工藝制備鈦粉的微觀形貌和工藝流程分別如圖3e和圖6所示。

圖6 GSD工藝制備鈦/鈦合金球粉工藝流程[40]Fig.6 Flow chart of the GSD process for preparing spherical Ti or Ti-alloy powder[40]

GSD工藝的特點(diǎn)在于：集成了低成本的造粒、燒結(jié)和脫氧工藝，而不依賴于昂貴的熔煉和霧化工藝；可以使用低成本的粉末(如鈦粉廢料等)作為原料；幾乎沒(méi)有原料浪費(fèi)，不合格的粉末還可以再循環(huán)生產(chǎn)。GSD工藝的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題在于，雖然原始粉末粒度越細(xì)，其燒結(jié)性能和成型顆粒的光潔度越好，但是粉末粒度細(xì)小必然會(huì)導(dǎo)致含氧量和間隙元素增加，因此GSD工藝的一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新是可以通過(guò)除氧步驟將粉末中的氧含量降到較低水平(0.08%～0.20%)[87, 88]。GSD工藝制備的粉末還存在一個(gè)問(wèn)題就是其內(nèi)部可能存在孔隙，但是在增材制造過(guò)程中，由于沒(méi)有惰性氣體被困在氣孔中，氣孔在熔化過(guò)程中會(huì)發(fā)生坍塌，因而不會(huì)對(duì)成型零件性能產(chǎn)生較大危害[87]。

采用傳統(tǒng)熔煉技術(shù)制備熔點(diǎn)和密度相差較大的多元合金時(shí)，容易發(fā)生成分偏析，而具有無(wú)熔煉制備特征的GSD工藝就克服了這一難題。例如Xia等[89]采用GSD工藝制備了球形Ti-30Ta合金粉末，成功解決了由于Ti-Ta合金熔點(diǎn)相差大而導(dǎo)致的成分偏析問(wèn)題，而且通過(guò)對(duì)粒徑<75 μm的粉末進(jìn)行脫氧處理可使其氧含量控制在0.035%以下。

3 球形鈦粉制備方法比較

綜上所述，當(dāng)前主要的球形鈦粉制備技術(shù)都存在著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，各自特點(diǎn)總結(jié)于表2。EIGA工藝和VIGA工藝是兩種常用的氣霧化鈦粉制備方法，EIGA工藝相比于VIGA工藝的一大進(jìn)步是采用了無(wú)坩堝熔煉技術(shù)，更容易制備出高純粉體。EIGA技術(shù)制備的鈦粉球形度較好，細(xì)粉收得率較高，但粉末存在連體衛(wèi)星球、氣體夾雜等不足；PREP 技術(shù)制備的鈦粉球形度好、內(nèi)部致密、粒度分布窄，但粒度偏大且生產(chǎn)效率低。PA和PS工藝是目前獲得高質(zhì)量球形鈦粉的兩種重要方法，但其成本依然居高不下。GSD工藝是一種無(wú)熔煉低成本制備球形鈦粉的新技術(shù)，具有很大的發(fā)展前景。

表2 球形鈦粉制備方法特點(diǎn)總結(jié)Table 2 Characteristics summary of spherical titanium powders preparation methods

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，金屬3D打印技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始從研發(fā)階段逐步向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，但是3D打印用金屬粉末的成本及其性能已成為制約該產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的瓶頸之一。雖然球形金屬粉末的制備方法很多，但從目前來(lái)看，各種技術(shù)仍需要不斷改善。隨著球形鈦粉應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，市場(chǎng)對(duì)高品質(zhì)球形鈦粉的需求也越來(lái)越強(qiáng)烈。未來(lái)，獲得高質(zhì)量、低成本、粒度可控的鈦粉仍然是球形鈦粉制備技術(shù)的主要發(fā)展方向。要獲得綜合性能優(yōu)良的球形鈦粉，一方面可以繼續(xù)改進(jìn)現(xiàn)有制粉設(shè)備，優(yōu)化制粉工藝，重視粉體制備技術(shù)的理論基礎(chǔ)研究；另一方面需要研發(fā)新技術(shù)和新設(shè)備達(dá)到先進(jìn)制粉水平，這也是今后重點(diǎn)發(fā)展的方向?？偠灾鉀Q好球形鈦粉的性能和成本問(wèn)題，是推動(dòng)鈦粉3D打印技術(shù)的快速發(fā)展并實(shí)現(xiàn)3D打印高性能鈦合金零件的廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。