增材制造技術(shù)(又稱“3D打印”)被譽(yù)為“21世紀(jì)最具潛力的技術(shù)”,在“中國制造2025戰(zhàn)略”中明確提出將增材制造作為未來智能制造的重點(diǎn)技術(shù)加以扶持[1]。而要使增材制造技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用,所用耗材是決定其發(fā)展的關(guān)鍵物質(zhì)基礎(chǔ)[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(shù)的耗材近年來發(fā)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(yīng)用于增材制造技術(shù)領(lǐng)域[2]。鈦合金具有低密度、高強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性能及高熔點(diǎn)等特點(diǎn)[4],是增材制造技術(shù)最常用金屬原料之一,在航空、航天、汽車、生物等領(lǐng)域作為結(jié)構(gòu)件廣泛應(yīng)用。通常,增材制造技術(shù)主要工藝包括:激光熔化堆積快速成型(LENS)和選區(qū)激光熔化直接成型(SLM)兩種,SLM技術(shù)適用于精密復(fù)雜小型零件制造,應(yīng)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(zhì)集合體[5],常被作為加熱介質(zhì)廣泛應(yīng)用于球形鈦合金粉的制備領(lǐng)域,目前已形成的主要方法包括:等離子旋轉(zhuǎn)電極法、等離子火炬霧化法和感應(yīng)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(shù)進(jìn)行分析,并對其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
1. 等離子制備球形鈦粉技術(shù)
1.1 等離子旋轉(zhuǎn)電極法
等離子旋轉(zhuǎn)電極法(Plasma Rotating Electrode Process,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(zhuǎn)狀態(tài),等離子作為熱源逐步熔化電極,所產(chǎn)生的液體通過離心力作用甩出后形成細(xì)小液滴,在表面張力作用及惰性氣體保護(hù)的環(huán)境中冷卻固化為球形顆粒[6]。PREP制粉原理示意圖,如圖1所示。
傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)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(zhì)成分進(jìn)入粉體中,采用等離子旋轉(zhuǎn)電極法避免了鎢電極產(chǎn)生雜質(zhì)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(jìn)PREP設(shè)備,并進(jìn)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(zhuǎn)電極法制備出了TC15鈦合金球形粉末。所制備的粉末化學(xué)成分與原來棒材成分近似,顆粒呈規(guī)則的球形,表面光亮圓滑,其粒徑范圍為106~246 μm,細(xì)粉(<106 μm)所占比例較低。西安寶德粉末冶金公司在國內(nèi)首先開展PREP制備鈦及其他合金粉,其研制的PREP設(shè)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(zhuǎn)速的限制,制備的粉末適合于選區(qū)激光熔化成型工藝(SLM)要求的細(xì)粉(20~50 μm)產(chǎn)出率較低[11]。
1.2 等離子火炬霧化技術(shù)
等離子火炬霧化技術(shù)(Plasma Atomization,PA)是將金屬及其合金以棒坯、絲材、顆?;蛘咭簯B(tài)蒸汽形式,通過特制的進(jìn)料設(shè)備以恒定的送料速度送入爐內(nèi),并利用在爐體上布置的等離子火炬產(chǎn)生的聚焦等離子射流將物料熔融霧化,然后經(jīng)過冷卻得到球形粉體[12]。通常采用等離子火炬霧化技術(shù)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(hù)下,可減少粉末氧化,獲得高純粉體[6]。根據(jù)專利[13]繪制該工藝示意圖,如圖2所示。該技術(shù)采用等離子作為霧化熱源,可使目標(biāo)物料熔融更充分,結(jié)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(xì)的粉末。但由于該技術(shù)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(jìn)行粒度分級,且微細(xì)粉體產(chǎn)率較低,產(chǎn)品成本高,限制了大面積推廣應(yīng)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(diǎn),細(xì)粉收得率比PREP高2倍以上[12]。