吳凱琦 ，盧 林 ?，吳文恒 ，張 亮 ，王 濤 ，楊啟云 ，倪曉晴 ，許炯愷 ，蔣丁丁

1) 上海材料研究所，上海 200437 2) 上海3D打印材料工程技術(shù)研究中心，上海 200437

?通信作者, E-mail: lulinws@163.com

3D打印技術(shù)，又稱增材制造（additive manufacturing，AM），是相對于傳統(tǒng)機加工等“減材制造”技術(shù)而言的，是基于離散/堆積原理，通過材料的逐漸累積來實現(xiàn)制造的技術(shù)。3D打印技術(shù)利用計算機將成形零件的3D模型切成一系列一定厚度的“薄片”，通過3D打印設(shè)備自下而上地制造出每一層“薄片”，最后疊加成形出三維實體零件。這種制造技術(shù)無需傳統(tǒng)的刀具或模具，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝難以或無法加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造，并且可以有效簡化生產(chǎn)工序，縮短制造周期[1]。

1986年，美國3D Systems創(chuàng)始人Charles Hull開發(fā)了第一臺商業(yè)3D印刷機，由此3D打印技術(shù)進入了一個快速發(fā)展的時期。目前，該技術(shù)在建筑、汽車工業(yè)、航空航天、船舶工業(yè)、能源、醫(yī)療、教育、土木工程以及其他領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[2?3]。2014年8月31日，美國宇航局進行了3D打印火箭噴射器的測試，驗證了3D打印技術(shù)在火箭發(fā)動機制造上的可行性，也正面驗證了3D打印可應(yīng)用于燃氣輪機行業(yè)的可能性[4?6]。2017年，美國通用電氣公司宣布由3D打印技術(shù)制備的最大燃氣輪機9HA.02可以以64%的效能運行，打破了能源行業(yè)的記錄，并利用3D打印技術(shù)為渦輪機制造了多個部件。2018年，德國西門子股份公司成功為其航空改型燃氣輪機SGT-A05進行了3D打印和發(fā)動機測試。

金屬3D打印技術(shù)在高溫合金燃氣輪機方面的應(yīng)用愈顯重要。GTD222作為一種新型的鎳基沉淀硬化型等軸晶鑄造高溫合金，具有1000 ℃以上的使用溫度、中等高溫強度、良好的抗蠕變和抗疲勞性能、優(yōu)異的高溫抗氧化和耐腐蝕性能、良好的鑄造和焊接工藝性能以及優(yōu)秀的長期時效組織穩(wěn)定性，被應(yīng)用于航空航天、能源等重大領(lǐng)域。

氣霧化法作為國內(nèi)常用的制粉技術(shù)之一，具有生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)點，能夠制備粒度小、球形度好、純凈度高的金屬與合金粉末[7?9]。上世紀80年代中期，瑞典的研究者通過對限制型噴嘴的研究發(fā)現(xiàn)，增加氣壓可以減小粉末的平均粒徑，但由于氣體速度和壓力接近線型關(guān)系，當(dāng)氣壓超過5 MPa后，其速度增加很少，而且增加氣壓還明顯增加氣體消耗量。因此，在限制型噴嘴中霧化氣體壓力一般不超過5.5 MPa，限制了霧化效率的進一步提高[10]。提高霧化效率的另一個可行方法是增加氣體動能的傳輸效率。根據(jù)這一思想，研究者對限制型噴嘴結(jié)構(gòu)進行了改進，提出了緊耦合氣霧化的概念。本文選用緊耦合式環(huán)縫霧化噴嘴作為核心部件，在保證霧化壓力等參數(shù)一定的情況下，研究不同進氣方式對GTD222高溫合金粉末性能的影響。

1 粉末制備與實驗方法

1.1 工藝路線

實驗用GTD222高溫合金熔煉用原料采用同一批原料，其化學(xué)成分如表1所示。GTD222高溫合金粉末制備的工藝路線是：GTD222高溫合金原料→真空感應(yīng)熔煉→惰性氣體霧化→粉末收集→粉末篩分分級→粒度配比。

表 1 GTD222高溫合金原料的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 Chemical composition of the GTD222 superalloys %

實驗采用的是真空感應(yīng)熔煉緊耦合氣霧化技術(shù)，具有定量的金屬液流直徑，金屬液流有過熱度，因而漏嘴直徑、進氣方式、噴嘴結(jié)構(gòu)、鋼液溫度和霧化壓力等參數(shù)對粉末的形貌及粒度都具有直接的影響。本文主要研究進氣方式對粉末形貌、粉末粒度及其分布的影響。

1.2 霧化參數(shù)

在氣霧化技術(shù)中，噴嘴外套的進氣口一般分為單向進氣和雙向進氣，雙向進氣結(jié)構(gòu)相對于單向而言，更有利于氣室內(nèi)壓力的對稱性分布，因此本文選擇雙向進氣結(jié)構(gòu)的噴嘴外套來進行此次對比實驗。噴嘴內(nèi)外套的進氣方向主要分為垂直進氣和切向進氣，本文采用外直內(nèi)直、外直內(nèi)切、外切內(nèi)直及外直內(nèi)切四種進氣組合來研究不同進行方式對粉末性能的影響規(guī)律，如圖1所示。

圖 1 不同霧化噴嘴內(nèi)外套的進氣方向（單位：mm）：（a）外套垂直進氣；（b）外套切向進氣；（c）內(nèi)套垂直進氣；（d）內(nèi)套切向進氣Fig.1 Gas inlets of the inner and outer casings for the atomizing nozzle (unit: mm): (a) outer straight; (b) outer tangent; (c) inner straight; (d) inner tangent

在霧化設(shè)備安全運行參數(shù)范圍內(nèi)，選定如下固定參數(shù)：鋼液保溫溫度(1620±20) ℃，保溫時間20 min，漏包溫度(1060±30) ℃，霧化介質(zhì)為氮氣或氬氣，霧化壓力3.0 MPa，選定的進氣方式如表2所示。

表 2 不同進氣方式組合Table 2 Combination of the gas inlets

1.3 實驗方法

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5314[11]《粉末冶金用粉末取樣方法》進行取樣，對粉末樣品進行化學(xué)元素分析。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19077.1[12]《粒度分析 激光衍射法 第1部分：通則》，采用Mastersizer2000激光粒度分析儀對3D用金屬粉體材料的粒徑及粒度分布進行測試，測定粉末顆粒的表面積等效直徑（dS，D［3,2］）和顆粒的體積等效直徑（dV，D［4,3］），進而得到粉末的平均球形度Q=dS/dV。利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡QUANTA400FEG觀察粉末的表面形貌。按照GB/T1482[13]《金屬粉末 流動性的測定 標(biāo)準(zhǔn)漏斗法（霍爾流速計）》標(biāo)準(zhǔn)，采用霍爾流速計對3D打印用金屬粉末進行流動性測定。根據(jù)GB/T1479.1[14]《金屬粉末 松裝密度的測定 第1部分：漏斗法》，采用霍爾流速計對3D打印用金屬粉末的松裝密度進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同進氣方式對GTD222高溫合金粉末化學(xué)成分的影響

對四種進氣方式下得到的GTD222高溫合金粉末進行篩分，選取其中53 μm以下的粉末進行化學(xué)成分測定，檢測結(jié)果如表3所示。對比四種不同進氣方式制備的GTD222高溫合金粉末的化學(xué)成分可以看出，主要元素的成分差別很小，C、Al、Ti元素的燒損程度較低，說明在真空環(huán)境和氬氣的保護下，未有較多空氣進入爐內(nèi)與合金發(fā)生反應(yīng)，保證了粉末的低氧與低氮。隨著進氣方式的改變，粉末中氧含量出現(xiàn)了相應(yīng)的變化，其中A最低，D最高。在確定沒有較多外界氧氣與合金反應(yīng)的情況下，霧化得到的粉末越細，比表面積越大，吸附游離氧更多，導(dǎo)致氧元素含量增大。由此反推，A得到的粉末最粗，D得到的粉末最細。

表 3 不同進氣方式GTD222高溫合金粉末的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 3 Chemical composition of the GTD222 superalloy powders prepared by the different gas inlets %

根據(jù)對3D打印用GTD222高溫合金粉末化學(xué)成分的分析研究，適用于3D打印的高溫合金粉末的氧含量（質(zhì)量分數(shù)）都低于0.05%，本文采用霧化制粉設(shè)備適合于制備低氧含量的金屬粉末，在四種制粉進氣方式下制備的GTD222高溫合金粉末氧含量都小于0.05%，能夠滿足3D打印技術(shù)對于低含氧量的要求。

2.2 不同進氣方式對GTD222高溫合金粉末粒徑分布的影響

對四種進氣方式下制備的GTD222高溫合金粉末進行粒度分析測定，結(jié)果如表4所示。由表可知，四種進氣方式得到的粉末粒度按A、B、C、D順序依次減小，其中A、B小于53 μm的粉末收得率都低于40%，這進一步驗證了上述氧含量與粒徑的相關(guān)規(guī)律。對四種進氣方式進行冷態(tài)測試，結(jié)果如表5所示，發(fā)現(xiàn)在相同霧化壓力下，A、B、C、D進氣方式在噴嘴處的抽吸力逐漸增強，說明相對垂直進氣結(jié)構(gòu)而言，切向進氣結(jié)構(gòu)噴嘴抽吸力得到了較大提升，且霧化氣流具有較強的剪切力，更有利于粉末的細化。從圖2粒徑累積分布曲線可以看出，粒徑累積分布曲線隨著進氣方式的變化而向左發(fā)生偏移，粉末的粒徑變小。

表 4 不同進氣方式GTD222高溫合金粉末的粒度累積分布Table 4 Size distribution of the GTD222 superalloy powders prepared by the different gas inlets

進氣方式C和D制備的GTD222高溫合金粉末在105 μm以下粉末收得率接近90%，小于53 μm的粉末收得率均高于40%，細粉收得率高。市場上幾乎所有的3D打印成形設(shè)備都要求粉末粒徑≤53 μm，有的甚至要求粒徑≤45 μm，因此細粉收得率直接決定了粉末的利用率。A進氣方式制備的粉末利用率最低，導(dǎo)致制備成本很高，無法實現(xiàn)大批量規(guī)?；a(chǎn)，C和D進氣方式制得粉末的利用率較高，并且這兩種進氣方式制備的粉末粒徑較為接近。然而在實際3D打印過程中，耗材選擇方面更偏向于氧含量較低的一方，C的氧含量明顯低于D，因此C進氣方式更適合制備3D打印用GTD222高溫合金粉末。

2.3 不同進氣方式對GTD222高溫合金粉末球形度、流動性及松裝密度等性能的影響

對不同進氣方式制備的GTD222高溫合金粉末的球形度、流動性以及松裝密度進行測定，結(jié)果如表6所示，可以發(fā)現(xiàn)D進氣方式制備的粉末球形度最高，A進氣方式制備的粉末流動性最好，四種進氣方式制備的粉末松裝密度相差很小。

表 5 不同進氣方式噴嘴口的抽吸力變化Table 5 Suction change of the nozzle under the different gas inlets

圖 2 不同進氣方式對GTD222高溫合金粉末粒徑的影響Fig.2 Effect of the gas inlets on the size distribution of the GTD222 superalloy powders

表 6 不同進氣方式下GTD222高溫合金粉末的球形度、流動性和松裝密度Table 6 Sphericility, fluidity, and loose packed density of the GTD222 superalloy powders prepared by the different gas inlets

在電子掃描顯微鏡下對四種進氣方式制備的GTD222高溫合金粉末進行觀察，結(jié)果如圖3所示。A、B、C、D四種進氣方式制備的合金粉末基本呈球形顆粒，并且一部分小顆粒粉末粘連、團聚形成“衛(wèi)星球”粉末，大部分的細小顆粒粉末發(fā)生了團聚，隨著粉末整體粒度的降低，細小顆粒粉末的比例增加，同樣粘連團聚的粉末比例也增加，流動性隨之降低。

圖 3 不同進氣方式制備的GTD222高溫合金粉末顯微形貌：（a）A；（b）B；（c）C；（d）DFig.3 Microstructure of the GTD222 superalloy powders prepared by the different gas inlets: (a) A; (b) B; (c) C; (d) D

顆粒表面凝固組織為樹枝晶和胞狀晶組織，其中大尺寸粉末表面為發(fā)達枝晶組織，晶粒較粗大，表面附著的“衛(wèi)星球”粉末尺寸較大；中等尺寸粉末表面為樹枝晶和胞狀晶的混合組織，表面光滑平整，沒有“衛(wèi)星球”粉末，隨著粉末尺寸的減小，粉末表面組織由樹枝晶向胞狀晶轉(zhuǎn)變，粉末球形度高，組織趨于細化平整，減小粉末的使用尺寸，粉末中胞晶組織比例將增加，枝晶組織減少，枝晶偏析得到弱化，粉末的組織和成分分布更為均勻[15]。

3 結(jié)論

（1）采用真空感應(yīng)熔煉氣霧化技術(shù)制備的GTD222高溫合金粉末氧含量（質(zhì)量分數(shù)）低、球形度高、流動性好，能滿足3D打印對粉末的綜合需求。

（2）通過改變霧化噴嘴的進氣方式可以獲得不同粒徑分布、顆粒形貌的GTD222高溫合金粉末。切向進氣方式能夠有效提高細粉收得率。

（3）最佳霧化工藝參數(shù)為進氣方式外直內(nèi)切，保溫溫度(1620±20) ℃，保溫時間20 min，漏包溫度(1060±30) ℃，高純氬氣霧化，霧化壓力3.0 MPa。按此霧化工藝制備的GTD222高溫合金粉末的氧含量（質(zhì)量分數(shù)）低于0.02%，球形度較高，流動性和松裝密度滿足3D打印對金屬粉末的要求。