文／T. Brune, Y. Wilkens, P. Weiland, J. Odenthal, N. Vogl,·西馬克集團

譯／西馬克工程（中國）有限公司

西馬克集團增材制造研發(fā)中心，將增材制造產(chǎn)業(yè)的整個價值鏈作為研究方向，其研發(fā)制造的霧化粉末設(shè)備，可以生產(chǎn)高品質(zhì)的金屬粉末，具有成本低、效率高的優(yōu)勢。該設(shè)備集成了衛(wèi)星粉防控技術(shù)，極大地降低了不合格粉末顆粒的含量，同時，通過對霧化過程進行CFD 計算流體動力學仿真(以下簡稱“CFD 仿真”），優(yōu)化了緊耦合噴嘴的設(shè)計，提高了金屬粉末的性能和收得率。為了確保金屬粉末的質(zhì)量，西馬克集團也一直在研究不同粉末的性能，并探索更好的檢測方法。

增材制造研發(fā)中心

西馬克集團為增材制造企業(yè)提供先進技術(shù)，用以生產(chǎn)高品質(zhì)和高純度的金屬粉末。西馬克集團增材制造研發(fā)中心通過不斷努力，對工藝鏈各環(huán)節(jié)的集成積累了豐富經(jīng)驗。尤其是在粉末生產(chǎn)和增材制造工藝上，通過不斷積累的專業(yè)知識，在技術(shù)和經(jīng)濟性上取得很大提升。目前，增材制造已經(jīng)廣泛應(yīng)用于設(shè)備零部件的生產(chǎn)。研發(fā)中心的核心工作為用霧化系統(tǒng)(圖1）生產(chǎn)高質(zhì)量的金屬粉末，然后將金屬粉末篩選分級和分裝。

粉末霧化設(shè)備將原材料裝入坩堝，在真空或者惰性氣體保護下進行電感應(yīng)加熱至液態(tài)。更換不同容量的坩堝可改變其產(chǎn)能，最多一次可熔融500kg 原材料。接下來，熔融態(tài)的金屬通過一個中間包送到霧化裝置，與冷態(tài)或熱態(tài)的惰性氣體一起，通過緊耦合噴嘴完成霧化過程。優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以提高精細金屬粉末收得率，改進顆粒形態(tài)，為此，對霧化工藝過程進行CFD 仿真。

為了改進顆粒的微觀形態(tài)，金屬粉末霧化設(shè)備配備了一套衛(wèi)星粉防控系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時集成了粉末分級和分裝等下游工序，可采用多種合金原料來生產(chǎn)高品質(zhì)金屬粉末。

霧化工藝

為了優(yōu)化金屬粉末的質(zhì)量和產(chǎn)量，首先要明確各工藝參數(shù)、霧化參數(shù)對粉末屬性的影響。所謂粉末屬性，就是指粉末的粒度分布、顆粒形狀、體積密度和流動性。霧化工藝的仿真，是以液態(tài)金屬和惰性氣體等介質(zhì)作為仿真對象，對量化的動態(tài)流體進行模擬，從而研究不同參數(shù)對粉末顆粒形態(tài)的影響。

圖1 西馬克金屬霧化粉末設(shè)備

在CFD 仿真分析中，計算區(qū)域被細分為很多的可控體積元。通過選取合適的方法，量化并獲得描述流體物理變化過程的非線性微分方程組，進而求解數(shù)值。

仿真的難點在于，在溫度范圍從-200 ℃到1700℃的霧化過程中，如何模擬所產(chǎn)生的壓縮超聲波流的極限速度。原因在于并非整個霧化過程都可通過可控體積元表現(xiàn)出來，液滴成形的物理過程中，典型晶核一般小于1 微米，但是霧化設(shè)備本身會將其放大6 到7 個數(shù)量級，造成可控體積元的數(shù)量遠遠超過了計算機的計算能力。因此，必須建立基于經(jīng)驗的亞網(wǎng)格模型才能進行金屬液滴成形計算，類似的方法也用于柴油發(fā)動機的燃燒等模型上。但遺憾的是這些方法并不能照搬到這個案例上。為了建立該亞網(wǎng)格模型，我們先用水模型測試加以驗證。我們與德國達姆斯塔特工業(yè)大學流體力學和空氣動力學教授共同發(fā)起了一個研究項目，在合作的第一階段就驗證了純氣態(tài)流體的計算結(jié)果。

圖2 顯示了使用聚焦紋理技術(shù)確定的縱向密度梯度dρ/dy在pin=15 公斤壓力時，在緊耦合式霧化噴嘴處使用CFD 仿真所得到的梯度對比。對比可知，普朗特-邁耶爾膨脹波、重壓波、自由噴射層、再循環(huán)區(qū)、停滯點和噴射區(qū)等特征現(xiàn)象的數(shù)據(jù)，可重復性非常好，特別是馬赫盤的位置和沖擊角度的預測相當準確。

圖2 數(shù)據(jù)對比

液滴成形模型的建立和驗證仍在進行中，圖3 顯示了已獲得的水基測試設(shè)備的霧化計算初步結(jié)果。然而，對于水基測試設(shè)備和生產(chǎn)設(shè)備，還需要進行額外的計算和相應(yīng)的試驗，以調(diào)整該模型的參數(shù)來適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用。

圖3 不同氣體壓力(空氣)下計算的水滴尺寸分布形態(tài)

此外，必須對粉末塔中金屬熔滴固化的路徑進行數(shù)學建模。由于金屬熔滴表面冷卻速度非常快，即使低于熔化溫度，其內(nèi)核仍然是液態(tài)的。液滴只有達到一定的過冷度和具有一定數(shù)量的晶核之后，才會發(fā)生相變，釋放熔化熱量，形成凝態(tài)液滴。其目標是計算所得和實際生產(chǎn)所得的粉末粒度分布在一定偏差范圍內(nèi)。能否實現(xiàn)這一目標，則取決于目前計算流體力學仿真所能實現(xiàn)的能力極限。

金屬粉末特征描述

描述增材制造用金屬粉末的質(zhì)量，必須知道與質(zhì)量相關(guān)的粉末特性、所要求的性能特點以及合適的測量方法，后兩個要求需要做深入研究。大多數(shù)測量方法源自其他技術(shù)領(lǐng)域，因此，在金屬增材制造領(lǐng)域也應(yīng)該建立適用于不同粉末特性的測量方法。西馬克集團最新的研究表明，根據(jù)現(xiàn)行標準，個別粉末特征描述方法只是部分適用。

粒度分布，作為金屬粉末關(guān)鍵性能特征，它由增材制造(AM）工藝決定。金屬粉末的分類，由集成的篩分和空氣分級工序完成。所獲得的粒度分布實際狀態(tài)，通過試驗室的動態(tài)圖像分析來鑒別。

金屬粉末優(yōu)良的流動性，對激光粉床熔化成形工藝(LPBF）至關(guān)重要。在粉末沉積過程中，良好的流動性(鋪展性）可使鋪出粉層的質(zhì)量足夠薄、光滑，且均勻和致密性好。流動性差的粉末在應(yīng)用過程中會產(chǎn)生問題，并導致粉層不均勻。此外，良好的流動性也影響其在增材制造系統(tǒng)中的傳輸。流動性的這兩個方面在文獻和標準化上都沒有很好的區(qū)分開。對于粉末流動性的要求，一方面不同的增材制造工藝要求不同，另一方面設(shè)備與設(shè)備的要求也不同。西馬克金屬粉末的良好流動行為，在內(nèi)部測試實驗室中可通過測量不同特征數(shù)據(jù)(如霍爾流時間或豪斯納比）來進行監(jiān)測。

顆粒形貌作為粉末的特征，代表了粉末顆粒的平均形狀。激光粉床熔化成形工藝，要求金屬粉末盡可能球形化。隨著粉末顆粒球形度的增加，其流動性和相應(yīng)的粉末密度都能得到改善，從而產(chǎn)生工藝上的優(yōu)勢。氣霧化粉末顆粒的形貌與球形略有差異。雖然在制造工藝上可以減少諸如衛(wèi)星粉等顆粒方面的缺陷，但不可能完全避免。

圖4 不銹鋼316L(1.4404) 粉末的 REM 圖像

REM 圖像可以很好地描述粉末的形貌。圖4 是一張由西馬克集團生產(chǎn)的316L(1.4404）金屬粉末的圖片。這些粉末顆粒具有高球形度和極少的衛(wèi)星粉數(shù)量。定量地說，粒子的平均形態(tài)可以通過不同的形貌系數(shù)來確定，這些可以用數(shù)學方法將粒子進行投影而計算出來。西馬克通過動態(tài)圖像分析和球形度的計算，將高球形度金屬粉末的形貌系數(shù)作為技術(shù)指標加以監(jiān)控。

為了完整地描述粉末的特性，還需要對其化學成分、污染物、粉末密度和水分含量等加以描述。

衛(wèi)星粉防控技術(shù)

在霧化過程中，凝固的小粉末顆粒與半凝固大粒子發(fā)生碰撞后，會粘附在上面而形成衛(wèi)星粉，它是氣霧化金屬粉末中最常見的缺陷。在粉末生產(chǎn)過程中，噴射錐霧中細小的凝固顆粒由于再循環(huán)效應(yīng)，作為塵埃云從霧化塔的下部回流到霧化區(qū)域，圖5 顯示了內(nèi)部循環(huán)產(chǎn)生衛(wèi)星粉的過程。當細小的凝固顆粒上升到腔室的上部并返回到霧化區(qū)時，它們會粘附于正在凝固的大顆粒上。

圖5 衛(wèi)星粉的形成原因

我們增加了衛(wèi)星粉防控系統(tǒng)，該系統(tǒng)作為粉末霧化設(shè)備的模塊化單元，顯著減少了衛(wèi)星粉的形成，使得粉末形貌得以改善。應(yīng)用衛(wèi)星粉防控技術(shù)，產(chǎn)生外部氣流，如圖6 所示，氣流從上方吹進霧化塔，因此，在霧化處理腔室中產(chǎn)生自上而下的二次氣流，抑制了腔室內(nèi)細小顆粒的上升。

圖6 防衛(wèi)星粉系統(tǒng)的作用原理

研究表明，隨著衛(wèi)星粉防控系統(tǒng)氣流的增強，粉末顆粒的形貌得到了改善，衛(wèi)星粉防控系統(tǒng)對粉末性能產(chǎn)生了很好的作用。利用衛(wèi)星粉防控技術(shù)，我們的霧化裝置生產(chǎn)的高品質(zhì)粉，只存在很少量的衛(wèi)星粉。

結(jié)束語

基于研究中心所取得的經(jīng)驗，西馬克集團不斷優(yōu)化粉末生產(chǎn)工藝，通過積極參與各種項目研究，預計未來將能對霧化過程和粉末特性的基本原理和相互關(guān)系有更詳盡的了解和認識。此外，積極開發(fā)新合金粉末，也勢必為金屬粉末在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用帶來更多潛力。