孫念光，陳斌科，向長淑, 朱紀(jì)磊

(西安賽隆金屬材料有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710005)

0 前言

等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉機(jī)(PREP)是基于旋轉(zhuǎn)離心霧化原理的金屬粉末生產(chǎn)設(shè)備。該設(shè)備生產(chǎn)的金屬粉末具有球形度高、流動性好、夾雜含量低、少無衛(wèi)星粉等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在核工業(yè)、航空航天和生物醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了重要應(yīng)用。近年來隨著金屬增材制造等新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，PREP制粉機(jī)作為高品質(zhì)金屬粉末的重要生產(chǎn)裝備受到更廣泛的關(guān)注，然而傳統(tǒng)的PREP制粉機(jī)受制于設(shè)備工作轉(zhuǎn)速、電極棒直徑等技術(shù)瓶頸，生產(chǎn)的金屬粉末粒徑集中在20～250 μm。以鈦合金TC4粉末為例，目前粒徑小于100 μm的粉末收得率不足40%，較粗的粉末粒徑限制了PREP技術(shù)在以粉末熔化成形的3D打印技術(shù)(粉末粒徑集中在10～105 μm)領(lǐng)域的應(yīng)用[1]。西安賽隆自主研發(fā)的新一代大功率立式等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化(SL-PREP)制粉機(jī)，主要用于細(xì)粒徑、難熔金屬粉末的批量生產(chǎn)，將解決目前我國金屬增材制造成形生產(chǎn)用中細(xì)粒徑(粒徑<105 μm)粉末基本依賴進(jìn)口的局面。

1 設(shè)備組成和成形工藝

大功率立式等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉機(jī)主要由惰性氣體供給系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、伺服送進(jìn)機(jī)構(gòu)、等離子槍、霧化室、電極棒、動密封機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)、收粉罐、支架等組成，如圖1所示。等離子槍位于電極棒的正上方，與棒料旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同軸裝配。

圖1 大功率立式等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉機(jī)

粉末制備的工作步驟：

(1)高純度金屬棒料機(jī)加工成自耗電極棒，電極棒一端旋入旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接頭內(nèi)；

(2)開啟真空系統(tǒng)對工作腔室抽真空，使得霧化室的真空度達(dá)到5×10-3Pa；

(3)開啟惰性氣體供給系統(tǒng)向霧化室內(nèi)充入氬氣，使霧化室內(nèi)惰性氣氛壓力為0.04～0.08 MPa；

(4)啟動高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)，帶動電極棒以15 000～18 000 r/min速度高速旋轉(zhuǎn)，安裝在霧化室下端的動密封機(jī)構(gòu)能夠保證制粉過程霧化室內(nèi)相對穩(wěn)定的惰性氣體壓力，為高純凈度粉末的生產(chǎn)提供保護(hù)；

(5)開啟等離子槍產(chǎn)生高溫等離子火炬作用于電極棒端面，使其熔化成液膜，液膜在高速旋轉(zhuǎn)離心力作用下甩出形成液滴，微小液滴在惰性氣氛冷卻在表面張力作用下形成球形粉末，金屬粉末在自身重力作用下流入接粉罐內(nèi)；

(6)等離子槍送進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動等離子槍軸向進(jìn)給，確保制粉過程等離子槍端面和自耗電極棒之間距離恒定；

(7)當(dāng)電極棒完成熔化后，等離子槍驅(qū)動裝置帶動等離子槍軸向上行；

(8)舊電極棒拆卸和新電極棒更換，進(jìn)行下一次制粉準(zhǔn)備。

2 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

(1)工作方式：電極棒立式旋轉(zhuǎn)

(2)工作轉(zhuǎn)速：～18 000 r/min

(3)電極棒直徑：80～100 mm

(4)等離子槍：200 kW+轉(zhuǎn)移弧型

(5)霧化室極限真空：～5×10-3Pa；

(6)霧化室冷卻方式：水冷；

(7)惰性工作氣體：高純Ar、He等；

(8)總裝機(jī)功率：～300 kW ，3相380±10% V，50±1 Hz

(9)生產(chǎn)能力：20 kg/h(以TC4為例)；

(10)金屬粉末質(zhì)量：粉末球形率≥90%；粉末氧增量≤300×10-6；

(11)鈦合金粉末粒度分布：粒度范圍200～10μm，中位粒徑D50=80～90 μm(TC4)。

3 技術(shù)特點(diǎn)

等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉技術(shù)制備的球形金屬粉末粒徑分布的經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

式中，D50為表征粉末粒度的中位粒徑；n為設(shè)備的工作轉(zhuǎn)速；d為電極棒的直徑；σ為電極材料的粘度；ρ為電極材料的密度。

由式(1)可知同種材料下，可通過提高工作轉(zhuǎn)速或電極棒直徑來實(shí)現(xiàn)中細(xì)粉收得率的提高[2]。高的電極棒直徑要求更大功率的等離子槍系統(tǒng)與之相匹配，工作轉(zhuǎn)速的提高對設(shè)備整機(jī)穩(wěn)定性和可靠性提出了更高要求，西安賽隆通過系列技術(shù)創(chuàng)新，使得新一代大功率立式等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化(SL-PREP)制粉機(jī)整機(jī)水平與傳統(tǒng)設(shè)備相比有較大提升。主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

(1)發(fā)明了電極棒立式高速旋轉(zhuǎn)、等離子槍低速軸向進(jìn)給定距補(bǔ)償?shù)臋C(jī)構(gòu)運(yùn)動控制技術(shù)，解決了傳統(tǒng)電極棒臥式高速旋轉(zhuǎn)復(fù)合低速軸向進(jìn)給運(yùn)動模式下設(shè)備振動大、噪聲高、密封可靠性差的問題，實(shí)現(xiàn)了霧化過程高轉(zhuǎn)速電極棒的穩(wěn)定、高潔凈度自耗制粉。

傳統(tǒng)的PREP制粉機(jī)采用電極棒臥式高速旋轉(zhuǎn)復(fù)合低速軸向進(jìn)給定距補(bǔ)償、等離子槍固定的運(yùn)動模式。制粉過程高速旋轉(zhuǎn)(端面線速度70～120 m/s)的電極棒一端與霧化室外的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接，另一端以懸臂模式穿過動密封機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)霧化室內(nèi)軸向進(jìn)給送料(速度1～2 mm/s)。臥式懸臂結(jié)構(gòu)電極棒自重下垂使得電極棒質(zhì)心和等離子槍中心不可能完全重合，導(dǎo)致制粉階段棒料前端部分熔化過程產(chǎn)生一定的不平衡質(zhì)量。電極棒的不平衡質(zhì)量在高轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生大的離心力，進(jìn)而使得高速軸系產(chǎn)生大的振動和噪音，經(jīng)實(shí)測傳統(tǒng)臥式設(shè)備工作過程的最大噪音為102 dB。為了防止前伸棒料高速旋轉(zhuǎn)過程撓度過大，動密封裝置內(nèi)部增加棒料徑向約束機(jī)構(gòu)，約束機(jī)構(gòu)限制了電極棒轉(zhuǎn)速的提高，目前國內(nèi)市場臥式PREP制粉機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速15 000 r/min，制備的鈦合金粉末中位粒徑D50=120 μm左右。臥式PREP設(shè)備動密封機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)棒料高速旋轉(zhuǎn)和直線往復(fù)兩種復(fù)合運(yùn)動密封，制粉工程電極棒大的振動導(dǎo)致密封件磨損較快，復(fù)雜的工況導(dǎo)致臥式制粉設(shè)備的動密封裝置可靠性較差[3]。

圖2 傳統(tǒng)臥式等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉機(jī)

SL-PREP制粉機(jī)采用電極棒立式高速旋轉(zhuǎn)、等離子槍低速(1～2 mm/s)軸向進(jìn)給定距補(bǔ)償運(yùn)動技術(shù)完成電極棒熔融。電極棒立式放置避免了由電極棒自重下垂導(dǎo)致的不平衡質(zhì)量產(chǎn)生，使得電極棒直徑由傳統(tǒng)的Φ75 mm提高到了Φ100 mm。采用旋轉(zhuǎn)自定心的原理使電極棒工作轉(zhuǎn)速提高到18 000 r/min，同時降低了高速旋轉(zhuǎn)過程的振動和噪音，工作過程的最大噪聲值為89 dB，棒料直徑和工作轉(zhuǎn)速的提高，使SL-PREP制粉機(jī)的TC4鈦合金粉末收率D50由120 μm提升到90 μm，大幅提高了細(xì)粉收率。立式電極棒內(nèi)置于霧化室底部，通過聯(lián)接軸與霧化室外的高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置連接，旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)安裝在單純高速旋轉(zhuǎn)的聯(lián)接軸上，制粉過程電極棒無密封件和剛性約束接觸，保證了無雜質(zhì)自耗制粉。等離子槍位于霧化室頂部，通過進(jìn)給驅(qū)動裝置實(shí)現(xiàn)低速軸向進(jìn)給，軸向往復(fù)密封結(jié)構(gòu)安裝在霧化室上蓋與等離子槍導(dǎo)向套接觸位置，滿足等離子槍低速進(jìn)給的密封要求。SL-PREP制粉機(jī)生產(chǎn)的TC4鈦合金粉末其氧增量為(30～70)×10-6，實(shí)現(xiàn)了高純低氧金屬粉末的制備。

(2)開發(fā)了200 kW大功率高能束、寬幅域轉(zhuǎn)移弧等離子槍系統(tǒng)，模塊化的IGBT逆變等離子電源與新型轉(zhuǎn)移弧型等離子槍的高效匹配解決了傳統(tǒng)等離子槍系統(tǒng)功率小、效率低、輸出電流可調(diào)范圍窄的問題。實(shí)現(xiàn)了Φ100 m大直徑鈦合金棒料的熔化和Φ50 mm直徑難熔合金(鉭、鈮)棒料的熔化。

匯集電、水、氣產(chǎn)生穩(wěn)定等離子弧的等離子槍技術(shù)是決定旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉過程棒料熔化效率和粉末成形質(zhì)量的重要因素[4]。等離子槍施加熱量于電極棒端面進(jìn)行棒料熔化過程是電磁場、熱場、流體動力場等多物理場的耦合作用，通過槍體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)對等離子弧進(jìn)行高效的機(jī)械壓縮、熱壓縮和電磁壓縮，使工作氣體達(dá)到高度電離，進(jìn)而獲得具有高穩(wěn)定性和高能流密度的等離子束流，實(shí)現(xiàn)電極棒的端面熔化[5]。

傳統(tǒng)的150 kW轉(zhuǎn)移弧型等離子槍的最大熔化電流為2 000 A，電壓60～70 V。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可實(shí)現(xiàn)直徑Φ75 mm的Ti-6AL-4V鈦合金棒料熔化，當(dāng)棒料直徑擴(kuò)大到Φ80 mm及以上時，棒料端面會出現(xiàn)熔化不充分產(chǎn)生的飛邊，如圖3所示。故而需要更大功率的等離子槍實(shí)現(xiàn)大直徑棒料的熔化。

圖3 采用PREP技術(shù)成形的料頭

SL-PREP制粉機(jī)采用的200 kW大功率 IGBT逆變電源具有功耗小、效率高和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。該電源應(yīng)用高頻變壓器串并聯(lián)技術(shù)和電源模塊化技術(shù)，采用輸入輸出并聯(lián)方式將電源模塊擴(kuò)充，開發(fā)出輸出電流300～3 500 A范圍的高效率、高可靠性寬幅域電流調(diào)控的模塊化電源。通過調(diào)節(jié)大功率立式等離子槍系統(tǒng)的熔化電流、進(jìn)給速度等參數(shù)得到不同剛性和能流密度的電弧，滿足了不同材質(zhì)的等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉工藝需求。當(dāng)?shù)入x子槍進(jìn)給速度為1 mm/s、工作電流為3 000 A時，實(shí)現(xiàn)了直徑Φ100 mm的Ti-6Al-4V鈦合金電極棒熔化。工作電流為3 500 A時，可實(shí)現(xiàn)送進(jìn)速度為1 mm/s、直徑Φ50 mm的鉭(熔點(diǎn)2 996℃)棒料熔化。采用SL-PREP型制粉機(jī)生產(chǎn)的金屬粉末形貌如圖4所示。

圖4 采用立式制粉設(shè)備生產(chǎn)的金屬粉末

4 結(jié)束語

SL-PREP制粉機(jī)是目前國內(nèi)第一臺大功率立式等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉機(jī)，相比較于傳統(tǒng)臥式制粉機(jī)，設(shè)備工作轉(zhuǎn)速、棒料直徑等機(jī)械性能指標(biāo)以及細(xì)粉收率、粉末純度等粉末性能指標(biāo)已有大幅提升[6]，目前該設(shè)備已經(jīng)被列入2018年度國內(nèi)首臺(套)重大技術(shù)裝備產(chǎn)品項(xiàng)目。該設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和推廣將解決增材制造用高品質(zhì)球形合金粉末的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)球形粉末的批量化生產(chǎn)，為我國航空、航天、生物醫(yī)用、機(jī)械制造業(yè)、汽車等行業(yè)的發(fā)展提供必要的支撐。