等离子旋转电极雾化制粉研究现状.pdf

第14卷第14期2023年7 月黑龙江科学HEILONGJIANG SCIENCEVol.14Jul.2023等离子旋转电极雾化制粉研究现状末。与3 D打印工艺参数相关研究相比,对于合金粉隋毅,冯义成，张煜?,李艳春?（1.哈尔滨理工大学材料科学与化学工程学院，哈尔滨150 0 8 0；2.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨150 0 2 0）摘要：等离子体旋转电极制备的合金粉末具有空心粉末少、化学纯度高、球形度高、尺寸分布窄等优点，但细粉的低生产率限制了其发展。为了深入分析等离子体旋转电极雾化的制粉过程，改善制粉工艺并提高细粉生产率，综述了等离子旋转电极雾化机理、数值模拟及工艺参数对粉末影响的研究进展，指出粉末通常表现为液线破碎模式与直接液滴形成模式，提升转速与增加电流强度可提高细粉生产率，而等离子旋转电极雾化制粉过程的数值模拟还有待进一步研究。关键词：等离子，旋转电极；增材制造；球形粉末中图分类号：TF123Research Status of Atomization Powder Production of Plasma Rotating Electrode(1.School of Materials Science and Chemical Engineering,Harbin University of Science and Technology,Abstract:Alloy powders prepared by plasma rotating electrodes process have the advantages of less hollow powder,highchemical purity,high sphericity,and narrow size distribution,etc.However,the low yield of fine powder particleslimites its development.In order to further analyze the pulverization process of plasma rotating electrode atomization,improve the pulverization process,and increase the productivity of fine powder,the study summarizes the researchprogress of the mechanism of plasma rotating electrode atomization,numerical simulation and the influence oftechnological parameters on powder;and points out that powder usually shows the mode of liquid line breaking and directdroplet formation.The productivity of fine powder can be improved by increasing the rotational speed and currentintensity,but the numerical simulation of atomization process of plasma rotating electrode needs further study.Key words:Plasma;Rotating electrode;Additive Manufacturing;Spherical powder0引言3D打印（AdditiveManufacturing，A M）为制造几何复杂的合金提供了新路径，其可对其微结构特征进行原位定制 ，但3 D打印合金的质量取决于应用工艺参数及原料粉末的性能 2 ，为减少粉末成型后的缺陷，需调整3 D打印工艺参数，使用更高性能的合金粉收稿日期:2 0 2 3-0 5-2 3基金项目：黑龙江省科学院院长基金项目（YZ2023GJS01）；黑龙江省院所基本应用技术研究专项（ZNBZ2022GJS01)作者简介：隋毅（19 9 9）,男，硕士研究生。研究方向：等离子旋转电极制粉。通讯作者：李艳春（19 8 1-），女，硕士研究生，高级工程师。研究方向：增材制造用球形粉末的制备。E-mail:Liy-anchun0451 o文献标志码：ASui Yi,Feng Yicheng,Zhang Yu,LI Yanchun?Harbin 150080,China;2.Institute of Advanced Technology,Heilongjiang Academyof Sciences,Harbin 150020,China)1等离子旋转电极雾化机理等离子旋转电极雾化法制粉原理如图1 5,以电弧或等离子体为热源，以金属或合金棒料为自耗电极，棒料在高速旋转过程中端面熔融金属液流在离心力作61文章编号：16 7 4-8 6 46(2 0 2 3)14-0 0 6 1-0 3末制备工艺的研究较少。目前，制备合金粉末的方法主要包括气雾化法（Gasatomization，G A）、机械合金化法（Mechanical alloying，M A）及等离子旋转电极雾化法(Plasma rotating electrode process,PREP)等 3-4 。但气雾化法制备的合金粉末存在较多的卫星粉颗粒，表面较为粗糙，会对粉体成型后的质量造成影响。而机械合金化法制备的合金粉末球形度不高，流动性较低，需要后期结合球化工艺才能满足3 D打印用粉末的要求。与其他制备方法相比,PREP制备的合金粉末具有含氧量低、粉末内部缺陷少、粒度分布为单峰分布、球形度高等优点，故对其展开深入研究。用下雾化成金属粉末。电极电机真空泵粉末图1PREP雾化制粉过程Fig.1Process of PREP atomization powder productionChampagne 等 6 通过高速摄像机对液体破碎进行研究,结果表明，等离子旋转电极制粉的离心雾化过程存在3 种破碎模式，即直接液滴形成模式（Directdropformation DDF）、液线破碎模式（Ligament disintegra-tion,LD）、液膜破碎模式（Film disintegration FD），破碎过程如图2 所示。液饵液线二次颗粒电极棒一次颗粒图2 离心雾化过程中的三种破碎模式Fig.2Three modes of fragmentation during centrifugal atomizationLiu等 7 对等离子旋转电极法制备的镍基高温合金粉末进行研究，结果表明，直接液滴形成模式下，粉末粒度分布显示为典型的双峰分布，韧带崩解机制下的粉末平均粒度更小,粒度分布呈现单峰分布,较高的熔化速率会产生更多的LD颗粒（小于DDF主颗粒）。Zduji等 8 研究表明,金属熔液在离心力作用下的分解机理与液体相似,即当金属棒材熔化表面获得足够的离心力抵抗液体表面张力时，液滴立即从熔池边界分离。Liu等 9 通过旋转杯对液体的崩解进行实验发现,在韧带形成的崩解过程中,液滴直径由韧带尾端的直径决定,该直径是恒定的。Cuil101 等研究了等离子旋转电极工艺参数对Ti-6A1-4V合金粉末粒度分布及微观结构的影响,发现在DDF的情况下形成一次和二次粒子,导致粒径分布中的两个相关峰。分析了崩解模式,将 PCA(Principal component analysis)与 MC(Themonte carlo method)方法组合,建立了统计模型。Zhao等 11 进行了Ti64与SUS316合金制备实验，从熔融金属离心造粒角度阐明了外加气流与电极端面影响金属粉末粒径的原因，通过实验数据对比发现，熔体的密62度、黏度及表面张力是决定离心造粒行为的重要参数。Zhang12研究了旋转杯离心雾化生产的锡粉粒度分布，通过实验数据发现，随着熔体流动速率的增加，熔氩气体的膜厚度可以在分解前减小，此外流体供给速率（熔化速率)决定了离心造粒过程中的崩解模式。2等离子旋转电极雾化的数值模拟Cui等 10 采用计算热流体动力学软件FLOW-3D对钨电极PREP制粉过程进行数值模拟，定量评价了PREP制粉粉末收集罐液膜电极棒颗料颗粒过程中的温度变化及冷却速率,采用主成分分析方法与蒙特卡罗方法相结合的统计模型来评估PREP制粉工艺参数与平均粉末直径之间的关系，粉末的预测中位粒径与实测值接近。Han13等利用超速等离子旋转电极工艺（SS-PREP）成功制备了 150 m的Ni-11Mo-8Al-3Ta-2Cr-1Re球形粉末,描述了粉末中一些不规则颗粒的形成机理，通过图像复制方法分析了其微观结构的差异，使用双峰雾化假设模拟了PREPNi-11Mo-8Al-3Ta-2Cr-1Re粉末的粒度分布（PSD）数据，3等离子旋转电极工艺参数对粉末性能的影响Nie等 14 对不同转速下等离子旋转电极工艺生产电极棒的合金粉末进行分析,结果表明，平均粒径大致与转速倒数的平方根成正比，但由于合金成分的不同，相同转速下不同成分的粉末粒径的理论值与实验数据存在偏差。Tangl15等研究了不同转速下等离子旋转电极工艺制备的Ti-6Al-4V粉末的特性，结果表明,随着转速的增加,制备粉末的平均粒径减小，分布逐渐变窄,较高转速下制备粉末显示出卫星颗粒与不规则颗粒的数量较少，由于较低转速下雾化模式可能处于从LD模式到DDF模式的过渡区,导致经验公式在预测低转速下粒径方面存在不足。Hsu等 16 研究了等离子旋转电极工艺制备雾化镍钛合金粉末,结果表明，当旋转电极速度增加，细粉重量百分比会增加，熔化速率降低，镍钛合金粉末的平均尺寸减小。Cui等 10 研究了等离子旋转电极工艺参数对Ti-6Al-4V合金粉末的影响，结果表明，由于较高的冷却速度,随着旋转电极速度的增加,粉末中的马氏体尺寸减小,随着电极转速的增加,粒径分布的峰值位置减小，平均粉末直径也随着转速的增加而减小。Liu等 17 研究了超高速等离子体旋转电极法制备Ti6A14V球形粉末,结果表明，合金电极的转速主要决定了超高速制备过程中的粒度分布，随着转速的变化，粒度分布的对数正态分布因子保持稳定。Cui等 18 将实验方法与数值模拟相结合,研究了影响预处理过程中粉末形成的不同因素,结果表明,将转速提高到10 0 0 0 rpm后，减小粉末尺寸变得更加困难,因为相邻液滴重新组合的概率增加且颗粒化趋势降低。Liu7等研究了旋转电极工艺制造的 Inconel718粉末,结果表明,熔化速率(由电弧功率决定)显著影响功率谱密度，随着熔化速度的增加,Inconel718粉末的平均尺寸减小，因为较高的熔化速率会产生更多的LD颗粒（小于DDF主颗粒），可使接收的粉末更细。Zhaol等通过增加电流强度、流体条的密度及厚度，令流体条中形成了较大的液滴，故流体条的解构形成了较大的颗粒，导致粉末尺寸增加，而额外引人的气流及电极端面的形貌在流体粒化中发挥作用，气流对粉末粒度有竞争作用，对流体产生扰动，加深电极端面凹陷，促进粉末细化，但冷却效果提高了流体稳定性，阻碍了流体颗粒化。Zhang等 12 对关键工艺参数对离心雾化制备锡粉粒度分布的影响进行研究，结果表明，每个旋转速度都有一个临界熔体流动速率,粉末粒度不随流速的减小而减小，即存在每个转速可达到的最小粒径，粉末粒径随着电流强度的降低而减小,这主要是由于解体前熔体膜厚度减小导致。4结束语在等离子旋转电极雾化生产中，由等离子体电弧熔化的熔融金属通过离心力从旋转棒中排出，在惰性气体中凝固成球形粉末。与气雾化及机械合金化粉末相比,等离子旋转电极雾化产生的纳米粉末孔隙与卫星更高、更小,可将其用于3 D打印。但细颗粒粉末的收得率较低,限制了其应用。虽然