, 董欢欢, 刘常升, 梁京东北大学 材料各向异性与织构教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2015-06-22
基金项目：辽宁省科技计划项目 (2014221006)；国家重点研发计划项目 (2016YFB1100201);中央高校基本科研业务费重大创新项目 (N130810002)；广东省科技计划项目 (2015B010122001)。
作者简介：陈岁元 (1964-)，男，甘肃天水人，东北大学教授，博士生导师;
刘常升 (1963-)，男，内蒙古奈曼旗人，东北大学教授，博士生导师。
摘要：采用电极感应熔炼气雾化法 (EIGA) 制备激光3D打印用TC4合金粉末，研究了雾化气压对粉末收得率、粒径、粉末形貌、松装密度、流动性及空心球率等特征的影响.结果表明：随着雾化气压的增加，粉末收得率、球形度增加，而粉末平均粒径减小.雾化气压为6.0 MPa时，粉末收得率超过50%，平均粒径小于100 μm，松装密度为2.950 g/cm3，流动性为2.242 g/s，空心球率低于3%.雾化气压为7.0 MPa时，非球形缺陷粉末和空心球率增加.对比雾化气压为6.0 MPa制备的不同粒径粉末，以及激光3D打印后的拉伸曲线与断口形貌，发现50~100 μm粉末打印TC4合金的抗拉强度达907.7 MPa，延伸率最大达15.3%，具有良好的强韧性.
关键词：气雾化激光3D打印TC4合金粉末粉末形貌松装密度空心球率
TC4 Alloy Powder Prepared by Electrode Induction Melting Gas Atomization for Laser 3D Printing
CHEN Sui-yuan
, DONG Huan-huan, LIU Chang-sheng, LIANG JingKey Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials, Ministry of Education, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: CHEN Sui-yuan, professor, E-mail: chensy@smm.neu.edu.cn
Abstract: TC4 alloy powders for laser 3D printing were prepared by electrode induction melting gas atomization (EIGA). The effects of different pressures on printable powder production rate, particle size, powder morphology, apparent density, flow ability and hollow powder rate were studied. The results showed that by increasing gas pressure, the printable powder production rate and powder sphericity increase, while the particle size decreases. When the gas pressure is 6.0 MPa, the powder production rate is over 50%, the average particle size is below 100 μm, the apparent density is 2.950 g/cm3, the flow ability is 2.242 g/s and the hollow powder rate is below 3%. When the gas pressure is 7.0 MPa, the broken powder and hollow powder rate increase dramatically. By comparing the tensile stress-strain curve and fractograph of the samples made by the powders with different particle size under 6.0 MPa, it is found that the laser 3D printing sample using TC4 alloy powders ranging from 50 to 100 μm has better strength and toughness, corresponding to the tensile strength of 907.7 MPa and the ductility of 15.3%.
Key Words: gas atomizationlaser 3D printingTC4 alloy powderpowder morphologyapparent densityhollow powder rate
激光3D打印技术中，原材料粉末是实现快速成形零件的物质基础和关键要素之一.而制粉工艺及粉末的成分、球形度、粒度、流动性等对3D打印制件的发展和应用起着关键性的作用.气雾化法是制备金属合金粉末的主要发展方向[1-4]，电极感应熔炼气雾化法采用无坩埚感应熔炼，制备过程不会发生掺杂，适合低含氧量的激光3D打印专用TC4合金粉末制备[5].在气雾化过程中，雾化压力对粉末的形貌和粒径起着决定性的作用[6-9].Zhao等[6]研究发现，雾化气流随雾化气压增高发生变化，导致雾化气嘴的进气压力先减后增.采用气雾化法制备激光3D打印专用TC4粉末的研究较少.
本文采用旋转电极真空感应熔炼气雾化制备球形TC4合金粉末，并对雾化气压对TC4粉末的形貌、粒径分布、松装密度和流动性的影响进行了研究，以获得满足激光3D打印需求的TC4合金粉末.
1 实验材料和方法实验采用氩气作为雾化气体，保持感应熔炼功率、电极旋转速度不变 (分别为60 kW，6 rad/min)，通过改变喷嘴气压，研究气压对TC4合金粉末表面形貌、粒径分布、收得率、松装密度、流动性的影响.雾化气压分别为4.0，5.0，6.0，7.0 MPa，实验母材TC4成分和自制TC4粉末成分如表 1所示.
表 1(Table 1)
 表 1 TC4母材与自制TC4粉末成分 (质量分数)Table 1 Chemical composition of TC4 bar and prepared powders (mass fraction)
| 表 1 TC4母材与自制TC4粉末成分 (质量分数) Table 1 Chemical composition of TC4 bar and prepared powders (mass fraction) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
实验开始前将TC4合金棒送入铜感应线圈中，电极棒旋转切割磁感线而被加热，熔化的液体连续下滴，通过气嘴中心形成小颗粒液滴，被高速、高压的氩气冲击破裂并快速凝固成球形粉末.对制得的粉末采用Shimadzu-SSX-550扫描电子显微镜 (SEM) 观察粉末表面形貌和球形度，采用日本SmartLab-9000型X射线衍射仪 (XRD) 进行物相分析，采用LA-920激光粒度仪测量粉末粒径分布.
2 结果与讨论2.1 钛合金粉末形貌分析图 1为不同雾化气压下制备的钛合金粉末的SEM图.由图 1a~1c可以看出，在气压4.0，5.0 MPa下制备的钛合金粉末，绝大部分都为球形，极少部分出现椭圆球.三者相比，气压为6.0 MPa的粉末球形度最好，雾化气压为4.0 MPa的粉末含有椭球形颗粒最多.其原因主要是雾化气压太小时，雾化液滴形成薄膜太厚，粒径大表面张力小，液滴收缩成球倾向性小，此时液滴凝固速度大于其液滴收缩速度，凝固时便形成椭球.因而在雾化气压为4 MPa制备的粉末，液滴破碎不充分，粉末球形度相对较低.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 不同气压下TC4合金粉末的SEM图像Fig.1 SEM images of TC4 alloy powders prepared at different gas pressures (a)—4.0 MPa；(b)—5.0 MPa; (c)—6.0 MPa；(d)—7.0 MPa. |
由图 1b~1d可看出，球形粉末表面凝固有小球形颗粒，称为卫星颗粒.卫星颗粒是由于小颗粒与大颗粒粉末发生碰撞后凝固形成卫星颗粒.气压为6 MPa粉末形成的卫星颗粒比5 MPa要少很多，其主要原因是随雾化气压增大，液滴发生二次破碎，形成了粒径更细小的粉末，细小的粉末冲击动能小，只能吸附在大颗粒表面，不能形成卫星颗粒.当气压增大到7.0 MPa时，出现部分破碎的金属碎屑，其主要原因是由于气压越大粉末冲击力越大，撞击激烈，大颗粒碰撞时部分粘结到一起，一部分液滴被冲击到雾化室内壁，破碎成碎屑状的颗粒.因此，雾化气压为6.0 MPa的钛合金粉末球形度最高，卫星颗粒最少，更适合激光直接沉积技术.
图 2是TC4合金表面微观形貌的SEM与EDS分析图.粉末颗粒表面有晶粒，晶粒内部有二次枝晶，有的二次枝晶不发达，晶界不清晰，在晶界生长；有的二次枝晶发达，排列均匀，晶界清晰，由晶粒内部向晶界生长.能谱分析表明，粉末表面主要合金元素Ti，Al，V的质量分数与原始棒材一致.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 TC4粉末表面微观形貌与能谱图Fig.2 SEM and EDS images of TC4 alloy powders |
2.2 合金粉末空心球率缺陷分析图 3为不同气压下制备TC4合金粉末的SEM图，由图 3a~3c可以看出，绝大部分粉末为实心球体，极少部分为空心球.气压为5.0 MPa时制备的TC4合金粉末的空心球比4.0 MPa时多，而气压为6.0 MPa时制备的TC4合金粉末的空心球要比5.0 MPa时多，空心球率低于3%.气压为7.0 MPa的粉末空心球最多，这是由于气压越大，气流动能越高，二次破碎增加，气流中部分气体被束缚在液滴内部的概率增加，因此气压增大，空心球率增加.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 不同气压下制备TC4合金粉末的SEM图像Fig.3 SEM images of TC4 alloy powders prepared at different gas pressures (a)—4.0 MPa; (b)—5.0 MPa; (c)—6.0 MPa; (d)—7.0 MPa. |
2.3 雾化气压对TC4粉末粒径的影响图 4为雾化气压对钛合金粉末累积体积分数的影响，可知，随着平均雾化气压的增大，累积体积分数曲线向左侧偏移，TC4合金粉末粒径变小.气压为7.0 MPa与6.0 MPa的钛合金粉末粒径相差不大，平均粒径小于100 μm.7.0 MPa的粉末细粉粒径分布区间更广，这是由于粉末形成的直接能量来自由高速氩气的雾化作用冲击产生的能量，气体压力越大，气体冲击的动能越高，TC4合金熔滴所受的能量越大，二次雾化破碎粉末更多，因此，小粒径粉末的体积分数增加.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 TC4合金粉末累积体积分布曲线Fig.4 Cumulative volume distribution of TC4 powders |
图 5为气压对可打印粉末收得率的影响曲线.粒径在1~180 μm时满足可打印粉末粒径范围要求，其质量分数为可打印粉末收得率，气压高于6.0 MPa的粉末收得率大于50%.随气压增大粉末收得率先增加后趋近平稳，其原因主要由于气压超过6.0 MPa时，气压增大，一方面二次雾化细粉增加，另一方面粉末碰撞激烈，当凝固粉末与未凝固的液滴碰撞时形成大颗粒粉末，综合作用导致气压增大粉末收得率变化不大.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 TC4粉末收得率随气压变化曲线Fig.5 Change of production rate of TC4 powders with gas pressures |
2.4 TC4合金粉末松装密度和流动性图 6为粉末的松装密度和流动性随气压变化曲线，可知，随着雾化气压的增加，钛合金粉末流动性和松装密度先增大后减小.这是由于气压增大，粉末粒径减小且粉末球形度高，粉末之间间隙减小，单位时间内通过漏斗的粉末增加，粉末流动加快，松装密度增加.6.0 MPa下，粉末松装密度为2.950 g/cm3，流动性为2.242 g/s.当粉末气压超过6.0 MPa时，破碎粉末和细粉团聚增多，因此，粉末流动性下降，松装密度降低.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 流动性和松装密度随气压的变化曲线Fig.6 Change of flow ability and apparent density of TC4 powders with gas pressures |
2.5 TC4合金粉末打印件的拉伸性能将6.0 MPa制备的TC4钛合金粉末筛分成50~100，100~150，150~180 μm三种不同粒径范围的TC4合金粉末，分别烘干后，在TC4基板上采用送粉激光直接沉积法进行3D打印.保护气为氩气，光斑直径为3 mm.工艺参数为：激光功率1 600 W，扫描速度为600 mm/min，送粉速度12 g/min，扫描间距2 mm.不同粒径粉末3D打印件的拉伸曲线如图 7所示，50~100 μm粉末打印样品的抗拉强度为907.7 MPa，延伸率为15.3%.100~150 μm的抗拉强度为913.7 MPa，延伸率为13.2%.150~180 μm的抗拉强度为927.8 MPa，延伸率为10.1%.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 不同粒径TC4粉末打印件的拉伸曲线Fig.7 Tensile stress-strain curves of printing samples made by TC4 powders with different particle sizes |
图 8为不同粒径粉末打印样品的断口形貌.50~100 μm粉末的拉伸断口不平整，出现明显塑性变形，在扫描电镜下呈现大量的韧窝，韧窝较深且分布密集，有较好的韧性和强度；100~150 μm粉末的拉伸断口不平整, 出现一定的塑性变形，扫描电镜下也有大量韧窝，但韧窝较浅，塑性和韧性降低，强度较高；150~180 μm粉末的拉伸断口平整且出现少量塑性变形，扫描电镜下也有少量韧窝，主要呈现波浪形凸起，塑性和韧性相对较差，强度最高.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 不同粒径TC4粉末打印样品的断口形貌Fig.8 Fractograph of printing samples made by TC4 powders with different particle size (a)—50~100 μm; (b)—100~150 μm; (c)—150~180 μm. |
3 结论1)?雾化气压为6.0 MPa时制备的TC4钛合金粉末形貌好，雾化气压增大，粉末粒径减小.当气压高于6.0 MPa时，破碎的粉末增多，粉末粒径和收得率变化不大.制备的TC4合金粉末流动性和松装密度随着雾化气压的增大先增加后减小，当气压为6.0 MPa时，流动性最好, 为2.242 g/s，松装密度为2.95 g/cm3.
2)?气压低于6.0 MPa时制备粉末的空心球率小于3%，随气压增大，粉末空心球率增加，当气压为7.0 MPa时粉末空心球数目最多.
3)? 50~100 μm粉末的激光3D打印样品的抗拉强度为907.7 MPa，延伸率为15.3%，断口韧窝较深且分布密集，打印的TC4钛合金样品韧性最好.
参考文献
| [1] | Heidloff A J, Rieken J R, Anderson I E, et al. Advanced gas atomization processing for Ti and Ti alloy powder manufacturing[J].Journal of Metals, 2010, 62(5): 35–41. |
| [2] | Aydin O, Unal R. Experimental and numerical modeling of the gas atomization nozzle for gas flow behavior[J].Computers and Fluids, 2011, 42(1): 37–43.DOI:10.1016/j.compfluid.2010.10.013 |
| [3] | Shi L, Li Q. Mechanism study of producing non-spherical powder in gas atomization[J].China Welding (English Edition), 2013, 22(2): 60–66. |
| [4] | Parka H Y, Kilicaslanb M F, Hong S J. Effect of multiple pressures by magnetic pulsed compaction (MPC) on the density of gas-atomized Al-20Si powder[J].Powder Technology, 2012, 224(1): 360–364. |
| [5] | Yablokovaa G, Speirsb M, Humbeecka J V, et al. Rheological behavior of β-Ti and NiTi powders produced by atomization for SLM production of open porous orthopedic implants[J].Powder Technology, 2015, 283(1): 199–209. |
| [6] | Zhao X M, Xu J, Zhu X X, et al. Effect of atomization gas pressure variation on gas flow field in supersonic gas atomization[J].Science in China Serirs E:Technological Sciences, 2009, 52(10): 3046–3053.DOI:10.1007/s11431-009-0158-5 |
| [7] | Si C R, Zhang X J, Wang J B, et al. Design and evaluation of a Laval-type supersonic atomizer for low-pressure gas atomization of molten metals[J].International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 2014, 21(6): 627–634.DOI:10.1007/s12613-014-0951-4 |
| [8] | Anderson I E, Byrd D, Meyer M. Highly tuned gas atomization for controlled preparation of coarse powder[J].Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 2010, 41(7): 504–512.DOI:10.1002/mawe.v41:7 |
| [9] | Aksoy A, Unal R. Effects of gas pressure and protrusion length of melt delivery tube on powder size and powder morphology of nitrogen gas atomized tin powders[J].Powder Metallurgy, 2013, 49(4): 349–354. |
