增材制造用球形鈦合金粉等離子制備技術及發展前景分析

增材制造技術 (又稱“3D 打印”) 被譽為“21 世紀最具潛力的技術”，在“中國制造 2025 戰略”中明確提出將增材制造作為未來智能制造的重點技術加以扶持[1]。而要使增材制造技術獲得廣泛應用，所用耗材是決定其發展的關鍵物質基礎[2]。目前，增材制造耗材主要包括：塑料、樹脂、橡膠、陶瓷和金屬等材料[3]，其中金屬材料作為增材制造技術的耗材近年來發展速度很快，特別是鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金等金屬粉末材料大量應用于增材制造技術領域[2]。鈦合金具有低密度、高強度、良好的耐腐蝕性能及高熔點等特點[4]，是增材制造技術最常用金屬原料之一，在航空、航天、汽車、生物等領域作為結構件廣泛應用。通常，增材制造技術主要工藝包括：激光熔化堆積快速成型 (LENS) 和選區激光熔化直接成型 (SLM) 兩種，SLM 技術適用于精密復雜小型零件制造，應用廣泛，其所使用的鈦合金粉的粒徑為 20~50 μm，且要求粉末具有高球形度[2]、純度及流動性。等離子是由中性粒子、陽離子和電子等組成的整體呈電中性的物質集合體[5]，常被作為加熱介質廣泛應用于球形鈦合金粉的制備領域，目前已形成的主要方法包括：等離子旋轉電極法、等離子火炬霧化法和感應等離子球化法。本文主要對目前等離子制備適合增材制造用球形鈦粉技術進行分析，并對其發展前景進行了展望。

一、等離子制備球形鈦粉技術

1、等離子旋轉電極法

等 離 子 旋 轉 電 極 法 (Plasma Rotating ElectrodeProcess，PREP) 是制備球形鈦合金粉常用方法之一，其原理主要是以鈦合金棒材作為自耗電極，制粉時讓電極保持高速旋轉狀態，等離子作為熱源圖，如圖 1 所示。

傳統的旋轉電極法 (REP) 采用鎢電極，在金屬霧化時，鎢電極也會被腐蝕，作為雜質成分進入粉體中，采用等離子旋轉電極法避免了鎢電極產生雜質問題，保證了所制備粉末的純度[8]。1998 年北京鋼鐵研究院和航天材料及工藝研究所從俄羅斯引進PREP 設備，并進行了一系列球形鈦粉制備的研究工作[9]。王琪等[10] 利用等離子旋轉電極法制備出了TC15 鈦合金球形粉末。所制備的粉末化學成分與原來棒材成分近似，顆粒呈規則的球形，表面光亮圓滑，其粒徑范圍為 106~246 μm，細粉 (＜106 μm) 所占比例較低。西安寶德粉末冶金公司在國內首先開展 PREP 制備鈦及其他合金粉，其研制的 PREP 設備制備的金屬粉體粒徑 47~381 μm[8]。采用 PREP 制備的鈦合金粉球形度好、致密度高且氧含量低，但由于電極轉速的限制，制備的粉末適合于選區激光熔化成型工藝 (SLM) 要求的細粉 (20~50 μm) 產出率較低[11]。

2、等離子火炬霧化技術

等離子火炬霧化技術 (Plasma Atomization，PA)是將金屬及其合金以棒坯、絲材、顆粒或者液態蒸汽形式，通過特制的進料設備以恒定的送料速度送入爐內，并利用在爐體上布置的等離子火炬產生的聚焦等離子射流將物料熔融霧化，然后經過冷卻得到球形粉體[12]。通常采用等離子火炬霧化技術制備鈦及鈦合金粉主要原料為鈦或其合金絲，體系在整 個過程中均處于惰性氣氛保護下，可減少粉末氧化，獲得高純粉體[6]。根據專利[13] 繪制該工藝示意圖，如圖 2 所示。該技術采用等離子作為霧化熱源，可使目標物料熔融更充分，結合冷卻速度的合理控制，可得到球形度高、氧含量低及粒度細的粉末。但由于該技術以高功率等離子槍為熱源，能源消耗大，會增加球形鈦及鈦合金粉的制備成本[14]。

此外，等離子火炬霧化法所得球形粉體粒度分布較寬，使用前必須進行粒度分級，且微細粉體產率較低，產品成本高，限制了大面積推廣應用[15]。采用 PA 法與 PREP 法制備的粉末性能基本一致，具有顆粒球形度好、粒度分布均勻、氧含量低、純度高、流動性好等特點，細粉收得率比 PREP 高 2 倍以上[12]。

3、等離子球化法

等離子球化法 (Plasma Spheroidization) 是由位于燈具管外的感應線圈產生溫度達 104~105 K 的高頻感應熱等離子體[16]，利用高溫的等離子體熔化不規則的粉末，粉體表面在高溫下迅速受熱熔化，熔融的顆粒在表面張力作用下形成球形度很高的液滴，并通過快速冷凝固化得到球形顆粒[17]，圖 3 為等離子球化制粉示意圖。

目前加拿大 TEKNA 公司開發的射頻等離子體粉體處理系統處于世界領先地位，該公司已經利用射頻等離子技術實現了 Ti、W、Mo、Ta、Ni、Cu等金屬粉末的球化處理[9]。Hedger 等[18] 也利用射頻等離子體球化技術對 Ti 粉進行了球化處理，處理后粉末的球化率達到 85%。古忠濤等[19-20] 采用射頻等離子體球化顆粒形狀不規則的鈦粉，通過 SEM 觀察其外觀形貌，粉體顆粒球形度高、表面光滑、流動性好及松裝密度高，且采用該方法可去除顆粒中的裂縫及空隙。但目前該方法仍存在氧含量偏高的問題，降低粉體中的氧含量是等離子球化技術獲得推廣應用的關鍵。礦冶科技集團有限公司引進了TEKNA 公司的感應等離子設備，并開展了球形鈦合金粉球化制備工藝研究，所制備的球形鈦合金粉微觀形貌如圖 4 所示，顆粒球形度高、表面光潔、粒徑為 20~50 μm，流動性為 38 s/50 g，可滿足增材制造 SLM 工藝的需求。

二、未來發展前景分析

(1) 近年來，增材制造被認為是智能制造領域最前沿和最具潛力的技術發展方向之一，而作為打印耗材的金屬材料必然與增材制造發展同步進行，根據咨詢公司 SmarTech 預測，到 2024 年全球用于金屬粉末增材制造的市場規模將達到 110 億美金。而鈦合金因具有優異的強度和韌性、耐腐蝕、低密度和生物相容性等特點，將在航空、航天、汽車、生 物醫學等領域獲得廣泛應用，市場需求前景非常廣闊。

(2) 等離子技術的應用和發展為鈦合金粉的制備提供技術支持，等離子旋轉電極工藝受電極轉速等因素的限制，得到的粉體粒度較粗，適合 SLM 工藝用鈦合金粉成品率低；等離子火炬霧化工藝是獲取球形鈦及鈦合金粉的主要方式，但該方法生產小于50 μm 細粉產率仍然偏低，且由于專利保護及技術封鎖等原因導致其價格昂貴，短期內難以大范圍推廣應用。感應等離子球化技術具有原料來源廣、生產工藝簡單、粉末粒度可控、球形率高等特點，而針對該方法氧化程度高的問題，可通過控制設備的密封性和加強惰性氣體保護的控制，減少粉體的氧化。但目前國內感應等離子球化設備多采用國外進口，其核心技術尚不能完全掌握，因此，開發國產等離子球化設備也是推動球形鈦合金粉及其他金屬粉末在國內增材制造領域獲得廣泛應用的關鍵。

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作者簡介：王彥軍 (1979—)，男，河北陽原人，碩士，正高級工程師。主要研究方向：特種功能材料和含能材料。通信地址：102206 北京市昌平區沙河鎮富生路5 號，E-mail：wangyanjun@bgrimm.com。

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