趙少陽(yáng)，談 萍，李增峰，殷京甌，沈 壘

西北有色金屬研究院金屬多孔材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710016

TiAl合金密度低、比強(qiáng)度高、高溫性能良好和抗蠕變性能優(yōu)秀，與鎳基高溫合金相比極具應(yīng)用潛力，已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、國(guó)防軍工等領(lǐng)域[1?3]。球形TiAl合金粉末具有流動(dòng)性好、氣孔與夾雜少、雜質(zhì)含量低等優(yōu)點(diǎn)，是金屬增材制造技術(shù)的重要基礎(chǔ)原料。隨著以激光或電子束選區(qū)熔化技術(shù)為代表的金屬增材制造裝備及工藝技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)高品質(zhì)球形TiAl合金粉末制備提出了更高的要求[4?5]。

劉娜等[6]通過(guò)真空自耗熔煉獲得TiAl母合金鑄錠，將鑄錠裝入冷壁坩堝真空感應(yīng)熔煉，熔煉完成后，熔融金屬液從坩堝底部流入噴管，金屬液流流入到噴口處被高壓氬氣霧化成粉末。結(jié)果表明，氣霧化制備的TiAl合金粉末球形度較好，隨著粉末粒度減小，粉末氧含量增大，相組成與粉末粒度相關(guān)。劉英杰等[7]采用旋轉(zhuǎn)盤(pán)離心霧化技術(shù)，制備了增材制造用鋁合金粉末，優(yōu)選出粉末收得率高的盤(pán)形，并獲得了對(duì)結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，離心霧化制備的鋁合金粉末球形度高，表面光潔，無(wú)衛(wèi)星粉，3D打印樣件熔覆道均勻，空洞缺陷少，力學(xué)性能明顯提高。賀衛(wèi)衛(wèi)等[8]和楊鑫等[9]利用等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制備了球形TiAl合金粉末，并通過(guò)熱等靜壓成型，還對(duì)其性能進(jìn)行了表征。目前，對(duì)球形TiAl合金粉末的研究主要集中在氣霧化制粉和等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉兩種技術(shù)上，已有的報(bào)道主要集中在TiAl合金粉末物理性能表征、3D打印件制備以及霧化工藝參數(shù)模擬方面[10?11]，鮮有關(guān)于氣霧化制備工藝優(yōu)化改進(jìn)的研究報(bào)道。然而，開(kāi)展氣霧化制粉工藝優(yōu)化改進(jìn)研究，對(duì)制備高品質(zhì)球形TiAl合金粉末而言至關(guān)重要。

本文從增材制造技術(shù)對(duì)高品質(zhì)球形TiAl合金粉末的的實(shí)際需求出發(fā)，以TiAl合金塊為原料，利用水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉高壓氬氣霧化 （water-cooled copper crucible vacuum induction melting gas atomizing，VIGA-CC）技術(shù)制粉，通過(guò)對(duì)導(dǎo)流系統(tǒng)和霧化器的優(yōu)化改進(jìn)，獲得了細(xì)粉收率高、氧含量低、流動(dòng)性好的高品質(zhì)球形TiAl合金粉末，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和科研試驗(yàn)具有重要的指導(dǎo)意義，并對(duì)氣霧化制備球形金屬粉末提出了一些建議，為后期重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)方向作參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

圖1所示為水冷銅坩堝氣霧化制粉流程圖，以真空自耗電弧熔煉等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉（plasma rotating electrode atomization，PREP）用Ti?48Al?2Nb?2Cr（原子比）剩余料頭為原料，在水冷銅坩堝中進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉，真空度≤2.5×10?2Pa，待金屬完全熔化后，充入高純氬氣保護(hù)。對(duì)導(dǎo)流管加熱以熔化坩堝底部的TiAl合金墊片，金屬熔液從導(dǎo)流管底部流出，最后經(jīng)過(guò)高壓氬氣霧化制備成球形金屬粉末。本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了低成本、短流程快速制備球形鈦合金粉末。所用霧化氣體為高純氬氣，坩堝熔煉溫度大約為1470 ℃，霧化壓力為4～7 MPa。霧化粉末經(jīng)過(guò)飛行冷卻后落入收集罐中，之后將粉末取出。

圖1 VIGA-CC氣霧化法制備TiAl粉末流程圖Fig.1 Flow diagram of the TiAl powders prepared by VIGA-CC

利用振動(dòng)篩分法對(duì)粉末進(jìn)行分級(jí)，采用JSM-6700型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察粉末表面及截面形貌，通過(guò)Leco-600型氧氮聯(lián)測(cè)儀測(cè)定粉末氧含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），并使用PC600型碳硫儀測(cè)試粉末碳含量 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

2 結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)流管的影響

在氣霧化制粉過(guò)程中，霧化氣體動(dòng)能通過(guò)霧化破碎轉(zhuǎn)變?yōu)槿垠w液滴的表面能，金屬熔液在霧化氣體的沖擊作用下破碎成大小不一的液滴，金屬液滴在表面能的驅(qū)動(dòng)下，冷卻形成粉末顆粒。霧化粉末顆粒的大小受金屬熔液溫度、霧化氣體壓力、霧化器結(jié)構(gòu)等多方面影響，根據(jù)Lubanska粉末粒度方程，氣霧化制備粉末的質(zhì)量中位徑（mass median diameter，MMD）遵循式（1）所示規(guī)律[12?13]。

式中：Klub是與霧化器結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)，vl、vg分別是熔體和霧化氣體的動(dòng)力學(xué)黏度，σ是熔體表面張力，ρl是熔體密度，ΔU是熔體與霧化氣流之間的速度差，GMR是霧化氣體與熔體的質(zhì)量流量比，D0是液流直徑。其中，熔體黏度、密度及表面張力均受過(guò)熱度的影響。

由上述式（1）可知，粉末粒徑主要受到氣體與熔體自身性質(zhì)、工藝參數(shù)、設(shè)備結(jié)構(gòu)等因素影響，增加熔體過(guò)熱度、增大霧化氣流速度與流量、減小液流直徑和流量是制備細(xì)粒徑球形粉末的關(guān)鍵所在。若液流直徑過(guò)粗，氣體無(wú)法徹底將其擊碎，形成粗大顆粒甚至片狀及塊體；若液流直徑過(guò)小，液流不能順暢流下易堵塞導(dǎo)流內(nèi)芯，從而導(dǎo)致霧化失敗，并且霧化效率低?？梢?jiàn)，對(duì)液流直徑控制至關(guān)重要。目前應(yīng)用較多的電極感應(yīng)氣霧化制粉技術(shù)（electrode induction gas atomizing，EIGA）通過(guò)感應(yīng)加熱使棒料表面熔化形成液流，通過(guò)控制加熱功率調(diào)控單位時(shí)間內(nèi)棒料的熔化量，這種方法很難實(shí)現(xiàn)小流量液流穩(wěn)定性、連續(xù)性控制。為了減小液流直徑 （D0）和流量并保持參數(shù)穩(wěn)定，在真空感應(yīng)氣霧化技術(shù)（vacuum induction melting gas atomizing，VIGA）中使用導(dǎo)流管可以在坩堝與霧化室形成連續(xù)、穩(wěn)定的通道，使液流得到充分破碎，形成粉末，可見(jiàn)液流直徑是由導(dǎo)流管粗細(xì)直接決定的。

對(duì)于TiAl基合金而言，由于其在熔融狀態(tài)下活性高，能與很多包括常規(guī)耐火材料的化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以選擇抗熱振性好、耐沖刷的導(dǎo)流管尤為關(guān)鍵。涂抹氧化物陶瓷涂層Y2O3、Al2O3/Y2O3、ZrO2、CaO、MgO[14?17]的常規(guī)石墨導(dǎo)流管已不能滿足TiAl基金屬熔液對(duì)導(dǎo)流管的沖刷。圖2所示為石墨導(dǎo)流管（內(nèi)壁涂抹Y2O3涂層）在氣霧化前后內(nèi)徑變化，圖中導(dǎo)流管內(nèi)徑明顯擴(kuò)大，直徑由2.0 mm擴(kuò)大至4.5 mm，陶瓷涂層已被高溫液流嚴(yán)重沖刷及腐蝕破壞。如圖2（c）所示，在其他霧化制粉工藝不變的情況下，單位時(shí)間內(nèi)從導(dǎo)流管流下來(lái)的金屬熔液增多，霧化氣體不足以將其擊碎細(xì)化，從而形成大顆粒粉末。金屬熔液直徑的變大不僅影響到粉末顆粒粗化，同時(shí)還會(huì)向粉末中引入大量的碳以及其他雜質(zhì)?？梢?jiàn)，霧化制粉過(guò)程中，導(dǎo)流管的穩(wěn)定性對(duì)霧化效率及粉末性能有著至關(guān)重要的影響。

圖2 石墨導(dǎo)流管在氣霧化前后內(nèi)徑變化：（a）霧化前；（b）霧化后；（c）制備粉末的宏觀形貌Fig.2 Change in the inner diameter of the graphite deflector: (a) before atomization; (b) after atomization; (c) macro-profile of the prepared powders

鑒于上述導(dǎo)流管擴(kuò)大致使金屬液柱直徑變粗的問(wèn)題，對(duì)導(dǎo)流系統(tǒng)做了優(yōu)化改進(jìn)。如圖3所示，將導(dǎo)熱性好的石墨導(dǎo)流管和耐沖刷的陶瓷導(dǎo)流內(nèi)芯配合使用，將熱振性好的石墨作為熱傳遞基座，石墨基座內(nèi)用耐沖刷的BN[18?21]材質(zhì)作陶瓷內(nèi)芯。從圖3可見(jiàn)，霧化前后陶瓷導(dǎo)流內(nèi)芯直徑幾乎沒(méi)有變化，表明在霧化過(guò)程中金屬液柱直徑?jīng)]有擴(kuò)大，且粉末顆粒明顯細(xì)化。石墨基座和陶瓷內(nèi)芯的有效應(yīng)用，保證了霧化過(guò)程中金屬熔液直徑的穩(wěn)定，同時(shí)減少了石墨對(duì)鈦鋁熔液的污染，從而實(shí)現(xiàn)了潔凈導(dǎo)流?？梢?jiàn)，對(duì)于VIGA-CC霧化制粉工藝，在金屬熔液的導(dǎo)流方面，如何形成穩(wěn)定的細(xì)直徑液流，是技術(shù)人員后期更應(yīng)該關(guān)注的工作重點(diǎn)。

圖3 石墨基座和陶瓷導(dǎo)流內(nèi)芯（a）及制備的粉末宏觀形貌（b）Fig.3 Graphite base and the ceramic guide inner core (a) and the macro-profile of prepared powders (b)

2.2 霧化器結(jié)構(gòu)的影響

在氣霧化制粉過(guò)程中，通過(guò)提高金屬過(guò)熱度，增大霧化氣體壓力，優(yōu)化霧化器結(jié)構(gòu)是提高細(xì)粉收率的重要途徑。冷壁坩堝熔煉均使用感應(yīng)加熱，受感應(yīng)加熱電源功率、頻率的限制，對(duì)合金熔體過(guò)熱度的調(diào)控較為困難，對(duì)提高細(xì)粉收率的助力已經(jīng)達(dá)到瓶頸。所以，調(diào)整霧化氣體速度與流量成為提高細(xì)粉收率的關(guān)鍵參數(shù)。圖4（a）所示為利用流體力學(xué)模擬得到的霧化氣體速度流程分布，高速氣流和大流量會(huì)增大氣體對(duì)熔體的沖擊力，得到細(xì)粒徑粉末，但也會(huì)影響回流區(qū)的范圍，一旦回流區(qū)范圍太大或氣流速度過(guò)大，會(huì)增加液流反噴、擺動(dòng)以及產(chǎn)生片狀粉末的風(fēng)險(xiǎn)，影響霧化過(guò)程的進(jìn)行?，F(xiàn)有的環(huán)孔式、環(huán)縫式霧化器隨著霧化壓力的增高，霧化室內(nèi)氣流場(chǎng)發(fā)生波動(dòng)，均存在金屬液回流和反噴問(wèn)題，使得熔融金屬液容易粘連在霧化出氣口，直至堵塞，從而破壞霧化器，致使霧化制粉過(guò)程終止，如圖4（b）所示，得到的霧化粉末也以碎片和粗顆粒為主（圖4（c））。因此，對(duì)霧化器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)工作迫在眉睫。

圖4 模擬霧化氣體速度流場(chǎng)分布（a）、反噴引起環(huán)孔式霧化器堵塞（b）及環(huán)孔式霧化器制備的粉末（c）Fig.4 Simulation distribution of the atomized gas velocity flow field (a), the blockage of annular atomizer caused by reverse injection(b), and the powder macro-profile prepared by annular atomizer (c)

Lee和Ahn[22]在對(duì)氣霧化制粉的研究中提出了霧化氣體速度（Vg）滿足式（2）。

式中：V0為霧化氣流的初始速率，z為氣體軸向飛行距離，α取10.5，Ae為氣體噴嘴喉部面積。由式 （2）可見(jiàn)，霧化氣體從噴嘴噴射出后，伴隨著氣體飛行距離延長(zhǎng)，其飛行速度在迅速衰減，霧化氣體對(duì)金屬液柱的沖擊效果也明顯減弱。

為此，針對(duì)上述高壓霧化的難題，對(duì)現(xiàn)有霧化器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，摒棄傳統(tǒng)環(huán)孔霧化器，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了螺旋分布噴管霧化器，在保證霧化器安全的情況下，盡可能的使霧化噴管接近金屬液柱。通過(guò)霧化點(diǎn)下移，使回流區(qū)位置遠(yuǎn)離導(dǎo)流管出口，解決了液柱反流的問(wèn)題。同時(shí)，螺旋分布管能夠有效約束霧化氣體，動(dòng)能損失小，在同等實(shí)驗(yàn)條件下，能夠顯著提高細(xì)粉收率20%以上。圖5所示為改進(jìn)后的螺旋分布噴管霧化器及其制備的粉末，8根霧化噴管呈螺旋分布，用螺紋固定在霧化器下端，且噴管可拆卸更換。針對(duì)不同霧化工藝，對(duì)噴管長(zhǎng)度以及噴管螺旋分布的角度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)低成本、短周期對(duì)霧化器結(jié)構(gòu)的靈活優(yōu)化。

圖5 螺旋分布噴管霧化器（a）和制備的粉末（b）Fig.5 Spiral distribution nozzle atomizer (a) and the prepared powders (b)

2.3 粉末物理性能

表1所示為利用改進(jìn)后的導(dǎo)流內(nèi)芯和螺旋噴管霧化器制備的粉末物理性能，流動(dòng)性為27.7 [s·(50 g)?1]，振實(shí)密度為2.49 g/cm3，球形度＞90%，更加適用于3D打印和注射成型工藝用粉。表2所示為所制備粉末的化學(xué)成分，從表2可見(jiàn)，所制備的粉末氧含量?jī)H為0.066%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），原料的氧含量為0.060%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。這是因?yàn)槿蹮掃^(guò)程中水冷銅坩堝的潔凈熔煉和高純氬氣的保護(hù)氣氛共同作用，使得所制粉末氧增量?jī)H為0.006%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

表1 改進(jìn)后VIGA-CC制備的TiAl粉末物理性能Table 1 Physical properties of the TiAl powders prepared by the modified VIGA-CC

表2 改進(jìn)后VIGA-CC所制TiAl粉末的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Chemical composition of the TiAl powders prepared by the modified VIGA-CC %

圖6為改進(jìn)后氣霧化制備的TiAl合金粉末表面形貌。如圖所示，粉末球形度較高，但也有少數(shù)土豆?fàn)罘勰┮约氨砻嬲辰Y(jié)有熔融金屬片條的粉末。粗粒徑粉末表面呈近似等軸花瓣?duì)畹陌麪罹ЫM織。隨著粉末顆粒尺寸減小，其表面的組織逐漸細(xì)化。造成粗細(xì)粒徑粉末表面形貌差異的主要原因是霧化過(guò)程中冷卻速率不一樣。粉末顆粒越小，其冷卻速度越高，當(dāng)冷卻速度到一定值時(shí)，就會(huì)造成結(jié)晶過(guò)程的抑制。

圖6 改進(jìn)后氣霧化制備的TiAl合金粉末表面形貌Fig.6 Surface morphology of the TiAl alloy powders prepared by the modified VIGA-CC

3 結(jié)論

（1）將導(dǎo)熱性好的石墨導(dǎo)流基座和耐沖刷的BN材質(zhì)陶瓷導(dǎo)流內(nèi)芯配合使用，既可以保證導(dǎo)流管加熱，也可以有效阻止金屬熔液的沖刷。

（2）螺旋噴管霧化器使霧化點(diǎn)下移，回流區(qū)位置遠(yuǎn)離導(dǎo)流管出口，解決了液柱反流的問(wèn)題。螺旋分布管能夠有效約束霧化氣體，動(dòng)能損失小，能夠顯著提高細(xì)粉收率20%以上。

（3）改進(jìn)后氣霧化工藝制備的球形TiAl合金粉末流動(dòng)性為27.7 [s·(50 g)?1]，球形度＞90%，粉末氧增量小，適用于3D打印和注射成型工藝用粉。