趙興科，邢德勝，趙增磊

（1.北京科技大學(xué)順德研究生院，佛山528399；2. 北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083）

球形金屬粉末具有良好的流動性和松裝密度，廣泛用于粉末冶金、熱噴涂、金屬增材制造等領(lǐng)域。近年來，隨著金屬增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，對球形金屬粉末品質(zhì)和品種的需求日益增大。球形金屬粉末主流的制粉方法是熔體霧化法，包括氣霧化[1]、水霧化[2]、超聲霧化[3]和離心霧化[4]等。氣霧化方法生產(chǎn)效率高、粉末純度較高，但惰性氣體消耗大，使用高壓氣體也存在一定安全隱患；水霧化方法成本較低，不適合制備活潑金屬或合金粉末；超聲霧化方法和離心霧化方法不適用于制備高熔點(diǎn)的金屬粉末；旋轉(zhuǎn)電極法是一種改進(jìn)的離心霧化方法[5]，可以制備高熔點(diǎn)金屬粉末，但電機(jī)轉(zhuǎn)速高、同時存在鎢污染粉末；激光離心霧化方法采用激光加熱，可以避免鎢極燒損污染粉末的問題，但仍然需要高速電機(jī)驅(qū)動以產(chǎn)生足夠的離心力[6]。激光作為一種高效加熱熱源，方便與其他霧化技術(shù)結(jié)合，例如超聲輔助激光霧化制粉方法[7]。此外，激光具有高能量密度的特性，可以瞬間汽化金屬而造成金屬液體飛濺，飛濺出的液滴冷凝后成為金屬顆粒。激光霧化制粉的基本原理是高能脈沖激光對材料表面的燒蝕作用（Laser ablation）[8]。通過激光燒蝕制造納米粒子的注量范圍為1～100J/cm2，脈沖持續(xù)時間從數(shù)十納秒到飛秒范圍，使金屬材料發(fā)生劇烈蒸發(fā)沸騰和爆炸沸騰，產(chǎn)生顆粒度為亞微米或/和納米的金屬粉末[9]。以往的研究大多集中在如何利用激光霧化制備細(xì)小金屬粉末，采取在液相中激光燒蝕[10]、引入電場[11]等手段以抑制大顆粒金屬粉末的形成。有關(guān)增材制造用金屬粉末的激光霧化制備的研究相對缺乏。本文嘗試了高能密度脈沖制備金屬粉末的工藝試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了工藝參數(shù)對粉末性能的影響，并探討粉末形成的機(jī)制。

試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為厚度5mm的Cu–9Sn青銅板材，加工成直徑20mm圓片試樣，在圓片試樣中心鉆直徑為6.5mm的孔。通過該中心孔將試樣安裝在制粉裝置中的電機(jī)轉(zhuǎn)軸上。

制粉裝置如圖1所示，主要由高能密度激光、電機(jī)和霧化室等組成。激光束由光纖激光打標(biāo)機(jī)（山東省聊城市繪天激光設(shè)備有限公司）提供。最大平均功率30W，激光波長1064nm，單脈沖能量0.8～1.0mJ，脈沖寬度80～140ns，峰值功率范圍為5.7～12.5kW。

圖1 激光制粉裝置示意圖Fig.1 Schematic of laser device for powder fabrication

制粉試驗(yàn)工藝參數(shù)包括激光參數(shù)（功率、脈沖頻率、光斑直徑）和離心力參數(shù)（旋轉(zhuǎn)速度、激光作用半徑）。各工藝參數(shù)的取值范圍分別為：激光功率選取總功率（30W）的60%～100%，激光頻率選取4～20kHz，光斑直徑選取0.05～0.45mm，旋轉(zhuǎn)半徑即試樣表面激光斑點(diǎn)距離安裝軸心的距離，旋轉(zhuǎn)半徑選取7～15mm，旋轉(zhuǎn)速度選取800～1600r/min，如表1所示。采用單因素試驗(yàn)方法，基本工藝參數(shù)為各工藝參數(shù)的中值，即：激光功率24W，激光頻率12Hz，光斑直徑0.25mm，旋轉(zhuǎn)半徑11mm，旋轉(zhuǎn)速度1200r/min。

表1 試驗(yàn)工藝參數(shù)取值范圍Table 1 Value range of test process parameters

采用掃描電鏡觀察金屬粉末的形貌特征。采用ImageJ軟件分析掃描電鏡圖片，測量金屬粉末的粒徑，做出金屬粉末的粒徑分布圖，并計算其粒徑均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

結(jié)果與討論

1 金屬粉末的形貌

圖2～6為不同參數(shù)下制備的合金粉末的SEM形貌。不同激光功率參數(shù)下制備金屬粉末的SEM形貌見圖2。在試驗(yàn)研究的參數(shù)范圍內(nèi)，金屬粉末均為良好的球形，存在少量水滴形（圖2中標(biāo)注A）或卵形（圖2中標(biāo)注B）的金屬粉末顆粒。此外，還存在金屬粉末團(tuán)聚現(xiàn)象（圖2中標(biāo)注C，標(biāo)注字母A、B和C在后文各圖中的含義相同）。團(tuán)聚現(xiàn)象通常發(fā)生在細(xì)小粉末顆粒之間或者細(xì)小顆粒黏附在稍大的顆粒表面。所有金屬粉末顆粒均呈現(xiàn)出光滑外表。激光功率從18W增加到30W，金屬粉末顆粒直徑在1～20μm。激光功率為21W時金屬粉末的顆粒較為均勻。

圖2 不同激光功率參數(shù)下制備金屬粉末的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of metal powder prepared under different laser power parameters

不同光斑直徑參數(shù)下金屬粉末的掃描電鏡照片如圖3所示。在試驗(yàn)研究的參數(shù)范圍內(nèi)，金屬粉末均為良好的球形，表面光滑。在光斑直徑小的情況下，易得到細(xì)小金屬粉末顆粒，使得金屬粉末的總體平均尺寸較小。隨著光斑直徑的增加，出現(xiàn)一些較大尺寸的粉末顆粒，粒徑分布增大。同樣地，細(xì)小金屬粉末易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，而較大直徑的粉末顆粒球形度會變差。

圖3 不同光斑直徑條件下的金屬粉末SEM形貌Fig.3 SEM morphology of metal powder under different spot diameter conditions

圖4為不同激光頻率下制備的金屬粉末的掃描電鏡照片。在試驗(yàn)研究的參數(shù)范圍內(nèi)，金屬粉末顆粒均為良好的球形，并且表面光滑。激光頻率對粉末顆粒的形態(tài)無明顯影響。在8kHz激光頻率下出現(xiàn)一些大粒徑的粉末顆粒。隨著激光頻率增大，粉末顆粒粘連和衛(wèi)星粉末顆粒出現(xiàn)概率增大。

圖4 不同光頻率條件下金屬粉末SEM形貌Fig.4 SEM morphology of metal powder under different light frequency conditions

圖5為不同旋轉(zhuǎn)半徑參數(shù)下金屬粉末的掃描電鏡照片。在試驗(yàn)研究的參數(shù)范圍內(nèi)，金屬粉末的均為良好的球形，表面光滑。隨著旋轉(zhuǎn)半徑增加，金屬粉末的顆粒有增大趨勢，出現(xiàn)了一些尺寸較大的顆粒。

圖5 不同旋轉(zhuǎn)半徑條件下金屬粉末的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of metal powders under different rotation radius conditions

圖6為不同旋轉(zhuǎn)速度參數(shù)下金屬粉末的掃描電鏡照片。在試驗(yàn)研究的參數(shù)范圍內(nèi)，金屬粉末均為良好的球形，表面光滑。隨著旋轉(zhuǎn)速度提高，金屬粉末的粒徑略有減小趨勢。

圖6 不同旋轉(zhuǎn)速度條件下金屬粉末SEM形貌Fig.6 SEM morphology of metal powder under different rotation speed conditions

2 金屬粉末的尺寸

2.1 粉末粒徑

粒徑是金屬粉末的重要性質(zhì)，一定程度上決定了粉末的應(yīng)用場景和應(yīng)用范圍。為了定性地研究不同工藝參數(shù)對金屬粉末的影響，將每一個工藝參數(shù)值用工藝強(qiáng)度參量表示。工藝強(qiáng)度參量1表示該工藝參數(shù)范圍的最低值，5則代表該工藝參數(shù)范圍的最高值。

不同工藝強(qiáng)度參量對金屬粉末的平均粒徑有著不同的影響。圖7為金屬粉末的平均粒徑隨工藝強(qiáng)度參量的變化關(guān)系?？梢钥闯觯谘芯康脑囼?yàn)參數(shù)下，金屬粉末的平均粒徑分布區(qū)間為4.6～6.3μm。隨著工藝強(qiáng)度的提高，金屬粉末的粒徑略呈增大趨勢。激光光斑直徑和旋轉(zhuǎn)半徑對金屬粉末平均粒徑的影響較為明顯，而其他3個工藝參數(shù)，即激光功率、激光頻率和旋轉(zhuǎn)速度，則對金屬粉末的平均粒徑無明顯影響。增大光斑直徑和旋轉(zhuǎn)半徑、減小激光功率有利于獲得大金屬粒徑粉末。

圖7 金屬粉末的平均粒徑隨工藝強(qiáng)度參量的變化Fig.7 Average particle size of metal powder vs. process strength factors

2.2 粒徑分布

圖8給出了金屬粉末粒徑的標(biāo)準(zhǔn)差隨工藝強(qiáng)度參量的變化關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)，金屬粉末粒徑的標(biāo)準(zhǔn)差集中在2～3μm。本研究中5個工藝參數(shù)對金屬粉末粒徑分布的影響都不明顯。相對而言，激光功率和光斑直徑對金屬粉末的標(biāo)準(zhǔn)差影響略大于另外3個工藝參數(shù)。金屬粉末粒徑分布的標(biāo)準(zhǔn)差隨激光功率增大和激光光斑尺寸減小而減小。兩者的影響規(guī)律可以合并歸結(jié)為激光能量密度對金屬粉末粒徑分布的影響，即隨激光能量密度增大（增大激光功率、減小激光光斑直徑），金屬粉末粒徑方差減小。換言之，使用較大的功率密度有利于獲得粒徑分布較窄的金屬粉末。

圖8 金屬粉末粒徑的標(biāo)準(zhǔn)差隨工藝強(qiáng)度參量的變化Fig.8 Standard deviation of metal powder particle size vs. process strength factors

3 激光霧化粉末的成形機(jī)理

試驗(yàn)激光為納秒脈沖激光，單脈沖能量密度高達(dá)1.28×108W/cm2。足以在極短的時間內(nèi)將金屬加熱至沸點(diǎn)以上，從而使金屬液體發(fā)生氣體膨脹飛濺，并在金屬試樣表面形成激光沖擊坑。激光沖擊坑內(nèi)的一些氣態(tài)金屬還會進(jìn)一步發(fā)生熱電離，形成高溫、高壓、背離材料向外噴射的稠密等離子體羽（圖9），從而誘發(fā)一個高壓沖擊波使坑內(nèi)的液體金屬向外噴射而產(chǎn)生金屬液滴。

圖9 激光作用在金屬表面產(chǎn)生的等離子羽Fig.9 Plasma plume generated by laser ablation on metal surface

Phipps等[12]提出了較為經(jīng)典的壓力負(fù)荷解析表達(dá)式：

其中，P為等離子體沖擊波對金屬熔池表面的壓強(qiáng)，108Pa；b為與材料有關(guān)的常數(shù)，其值一般為5.6到6.5；Ia為激光的功率密度，GW/cm2；λ為激光的波長，μm；τ為激光的脈沖寬度，ns。經(jīng)計算可得本研究試驗(yàn)參數(shù)條件下等離子體對激光熔池的壓強(qiáng)約為1.4×107Pa。這種高壓等離子流對液體金屬有很大的破碎作用，是形成細(xì)小顆粒的主要原因。這也說明了在本研究的試驗(yàn)參數(shù)下，所有金屬粉末都是由細(xì)小顆粒組成。

在一些試驗(yàn)參數(shù)下出現(xiàn)的少量較大尺寸的粉末顆粒，主要來自于離心力甩出的金屬液滴，如圖10所示。熔池液體金屬越多，離心半徑越大，則獲得大直徑金屬顆粒的概率越高。這可以解釋上述試驗(yàn)結(jié)果，即對金屬粉末平均粒徑影響較大的兩個因素分別是旋轉(zhuǎn)半徑和光斑直徑，金屬粉末的平均顆粒直徑隨旋轉(zhuǎn)半徑和光斑直徑的增大而增大。

圖10 激光沖擊–離心復(fù)合作用下的試樣表面形貌Fig.10 Surface morphology of sample under the combined action of laser shock and centrifugation

結(jié)合本節(jié)關(guān)于“金屬粉末的形貌”的試驗(yàn)結(jié)果，對粉末平均粒徑影響明顯的兩個因素是旋轉(zhuǎn)半徑和光斑直徑。隨著旋轉(zhuǎn)半徑和光斑直徑的增大，金屬粉末的平均粒徑呈現(xiàn)一個明顯增大的趨勢。隨著旋轉(zhuǎn)半徑的增大，單脈沖激光熔化金屬液體量不變的情況下，液體甩出量可以發(fā)生明顯的增加，有利于提高金屬粉末的平均粒徑。激光脈沖能量密度高，可以使基板迅速發(fā)生熔化，但是脈沖寬度僅為80～140ns，作用時間短，同時基板的導(dǎo)熱率一定，很難產(chǎn)生一個大的熔深，此時熔池的面積將會是影響熔體量的重要因素。光斑直徑的增加可以迅速增大熔池的面積，提高金屬熔體的量，最終使得金屬粉末的平均粒徑明顯增大。

結(jié)合本節(jié)關(guān)于“金屬粉末的尺寸”的試驗(yàn)結(jié)果，金屬粉末粒徑分布的標(biāo)準(zhǔn)差隨激光功率增大和激光光斑尺寸減小而減小。隨著激光功率增大、激光光斑直徑減小，激光能量密度增大，高壓等離子流對液體金屬的破碎作用機(jī)制加強(qiáng)，產(chǎn)生更多均勻的細(xì)小顆粒，從而抑制了較大尺寸金屬液滴的出現(xiàn)，降低了金屬粉末粒徑的分散程度，粉末粒徑分布的標(biāo)準(zhǔn)差降低。反之，隨著激光能量密度減小（減小激光功率，增大光斑直徑），高壓等離子流對液體金屬的破碎作用機(jī)制削弱，增大了出現(xiàn)大液滴的概率，從而使粉末粒徑更加分散，標(biāo)準(zhǔn)差增大。

結(jié)論

采用自制的高能密度激光沖擊–離心霧化制粉裝置，制備了Cu–9Sn青銅合金粉末。研究了激光參數(shù)（功率、脈沖頻率、光斑直徑）和離心力參數(shù)（旋轉(zhuǎn)速度、激光作用半徑）對粉末形貌和尺寸的影響，得到主要結(jié)論如下。

（1）在試驗(yàn)參數(shù)下，所有金屬粉末均具有良好的球形度，粒徑主要分布在1～20μm之間，表面光滑。

（2）在試驗(yàn)參數(shù)下，對金屬粉末平均粒徑影響較大的兩個因素分別是旋轉(zhuǎn)半徑和光斑直徑。金屬粉末的平均顆粒直徑隨旋轉(zhuǎn)半徑和光斑直徑的增大而增大。

（3）粉末的形成受微觀機(jī)制的影響有兩個，一是高能密度激光在液體熔池表面產(chǎn)生的等離子體沖擊力，二是試樣旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。前者產(chǎn)生粒度較小的粉末顆粒，后者產(chǎn)生粒度較大的顆粒。

（4）使用較大的能量密度有利于獲得粒徑分布較窄的金屬粉末。