3D打印(增材制造)技术由于高效性、快速性、适合于加工复杂零件等显著优势使其成为近年国、内外快速成形技术研究的重点^[1-2].欧美等发达国家非常重视3D打印技术的应用，特别是大力推动增材制造技术在钛合金、高温合金等高价值材料零部件制造上的应用.近年来，由于钛合金3D打印技术在航空航天领域的重点研究应用而得到了迅速发展.

与传统制造的钛合金粉末相比，激光3D打印钛合金对钛合金粉末的要求比较高，对粉末的粒度分布、流动性及含氧量等都有较高要求.目前，钛合金粉末的主要制备方法包括旋转电极法和气体雾化法.旋转电极法由于其旋转速度限制问题，主要制备20 ~ 40目左右的粗粉，而气体雾化法制备的粉末具有球形度好、粒度可控、氧及其他杂质含量低等优点，已成为高品质钛及钛合金粉末的主要制备工艺^[3-5].近年来，随着电极感应熔化气体雾化(EIGA)工艺的完善与发展，国内雾化制备TC4合金粉末的技术有了很大提高，但适合激光3D打印用高品质钛合金粉末以及制备技术仍然被国外垄断，制备激光3D打印用钛合金粉末核心设备及粉末原材料依然需要进口.

熔炼功率作为雾化工艺的主要参数之一，对气雾化过程有着重要的影响^[6-8].国内部分学者研究了气体雾化法制备Ni粉^[9]、SnAgCu^[10]等金属粉末，但对于激光3D打印用TC4合金粉末的制备鲜有报道.新型的EIGA技术采用无坩埚感应熔炼雾化技术，有效降低了钛合金粉末的含氧量，改善了合金粉末的质量.为此，本文将采用EIGA法制备TC4钛合金粉末，并通过改变功率参数，探索EIGA雾化制粉过程中功率参数对TC4合金粉末特性的影响，了解熔炼功率对雾化过程的影响.

1 实 验

实验所采用的设备是国内首台自主设计制造的EIGA气雾化制粉炉.真空感应熔炼雾化炉主要由真空系统、雾化系统、雾化罐体、粉尘收集系统、供气系统、水冷系统、控制系统等组成.图 1 为EIGA制粉炉的核心部分熔炼室.雾化设备的核心技术包括感应线圈和紧耦合型环形喷嘴，本设备的优点是采用无坩埚感应熔化技术，实验过程中将TC4钛合金棒锥形尖端缓慢送至铜感应线圈中加热，熔化的金属液滴连续滴落被喷嘴喷射出的高速气体吹散后快速凝固，制得纯净无杂质的钛合金粉末，通过旋风器收集粉末至储粉罐内.

TC4合金成分如表 1所示.采用10 kg TC4进行实验，加工尺寸见图 2.首先将加工好的钛棒固定稳定，再利用机械泵、罗茨泵和扩散泵将熔炼室和雾化室内气体抽出，待真空达到要求后，开启中频电源开始感应熔炼，雾化介质采用高纯氩气(纯度99.999%).实验过程中，在保证其他参数不变的条件下，对电极感应熔炼气体雾化制粉进行研究.试验中功率参数依次设置为53、56、59、62 kW.利用HORIBA LA-920激光散射粒度分布分析仪分析TC4粉末的粒度大小及分布.采用OLYMPUS-GX71型倒置式光学显微镜、JSM-6510A扫描电子显微镜和MPD-PW3040/60型X射线衍射仪分析TC4合金粉末的微观形貌及相结构.采用HYL-102型霍尔流速计测量粉末松装密度及流动性.采用TCH-600氮氧氢分析仪测定TC4钛合金粉末的氧含量.

2 结果与讨论 2.1 功率参数对TC4合金粉末粒径大小及粒度分布的影响

表 2为不同功率参数下制备的TC4合金粉末的粒径大小.从表 2可以看出，随着熔炼功率的升高，粉末的平均粒径逐渐减小，在功率为62 kW时，平均粒径急剧降低至103.5 μm，其平均粒径依次为141.8，126.3，120.5，103.5 μm.雾化粉体粒径的大小与熔体的黏度和表面张力有着密切的关系.熔体的表面张力可用Ramsay-Sheilds^[11]公式表示.

$\sigma \text{=}k\left( {{T}_{c}}-T-6 \right){{V}_{m}}^{-2/3}.$

(1)

式中：σ为熔体表面张力，10^-3N·m^-1；k为常量，对于一般非极性物质或非缔合液体取2.1×10^-7 J/K；T_c为合金液临界温度,℃；T为合金液实际温度,℃；V_m为合金液摩尔体积,cm³.

由式(1) 可以看出，随着熔体温度的升高，(T_c-T)减小，熔体的表面张力σ减小.此外，经验表明，熔体的黏度也是随着温度的降低而降低.Upadhyay^[12]等研究了粉体的粒径与熔体的表面张力、黏度及密度的关系，可简化为

${{D}_{50}}=k{{\sigma }^{\frac{1}{2}}}{{\mu }^{\frac{1}{3}}}{{\rho }^{-\frac{1}{2}}}.$

(2)

式中：k为常数；σ为表面张力；μ为黏度；ρ为密度.

由式(2) 可以推出，随着熔体表面张力以及黏度的降低，粉末的平均粒径逐渐减小.因此，适当提高熔炼功率，将降低熔体的表面张力和黏度，使得金属液冷却凝固时间延长，液流发生形变破碎的时间相应延长，有利于破碎过程，使制得的粉末粒径更加细小.

图 3为不同功率参数下制得TC4粉末的粒度分布曲线，雾化制备粉末的粒径均匀分布在10~500 μm.通过对其拟合发现，4种功率参数下所得粉末的粒度分布均为正态分布，这也与German 利用计算机技术模拟的结果相吻合.German^[13]认为气雾化所制备的粉末符合对数正态分布，

$P\left( X \right)=\frac{1}{\sqrt{2\pi }\delta }{{\exp }^{\left\{ -\frac{x-{{u}_{x}}}{2{{\delta }^{2}}} \right\}}}.$

(3)

式中δ为几何标准差，取决于雾化综合条件.

2.2 功率参数对合金粉末组织形貌的影响

图 4为不同功率参数下制备的TC4粉末的SEM形貌.从图 4可以看出，虽然功率参数不同，但EIGA法制备的TC4合金粉末整体球形度均较好，不规则形状颗粒的比例较低.

雾化过程是一个多相流相互耦合作用的复杂过程.粉末的形成过程是由熔体的膜化、初始液膜破碎成液滴、液体的二次膜化和凝固3个阶段组成^[14].由图 4(a)、(b)可以看出，功率较低(53,56 kW)时，粗颗粒粉末较多，大颗粒上面粘附了较多的卫星粉末，且存在一定比例不规则的棒形和哑铃状粉末颗粒.这是因为功率较低时，熔体的过热度小，液滴很大，不易凝固，在凝固前碰到其他已经凝固的颗粒，则后者就会成为它的卫星球.功率为56 kW粉末形成的卫星颗粒比53 kW要多，其主要原因是随熔炼功率的升高，合金过热度升高，破碎后的液滴不能及时凝固，碰到已经凝固的颗粒更容易形成卫星颗粒.功率为59 kW时制备的粉末球形度较好，表面光洁，且细粉比例有所提高(图 4(c)).当功率提高到62 kW时，从图 4(d)可以看出，细粉比例明显提高，粉体球形度可达99%，不规则形状的粉末颗粒基本消失.

颗粒形貌由液滴在冷凝过程中的形变决定，是外力与液滴本身的表面张力和粘性力之间相互竞争的结果，表面张力总是试图使液体保持最小的表面积，而粘性力则抑制液体的变形；只有当外力同时克服表面张力与粘性力时，液体才会变形、破碎成为液滴颗粒.而大液滴是不稳定的，在环境气流作用下，会继续变形、破碎.球化时间是决定颗粒形状的一个重要因素，粉末颗粒的形状取决于表面张力收缩成球时间(t_球化)以及金属液滴凝固时间(t_凝固)的大小，其所需时间为^[7]

${{t}_{\text{球化}}}\text{=}\left[ 3{{\pi }^{2}}\mu /\left( 4V\sigma \right) \right]/\left( {{r}_{1}}^{4}-{{r}_{2}}^{4} \right).$

(4)

式中：μ为黏度；V是粉末颗粒的体积；σ是液态金属表面张力；r₁和r₂分别是球化后与球化前的粉末颗粒半径.

金属液滴的冷却凝固时间可表示为^[15]

$\begin{align} & {{t}_{\text{凝固}}}=\left[ D{{\rho }_{\text{m}}}/\left( 6h \right) \right]{{c}_{p}}\ln \left[ \left( {{T}_{\text{m}}}-{{T}_{\text{o}}} \right) \right]+ \\ & H/\left( {{T}_{\text{S}}}-{{T}_{\text{o}}} \right). \\ \end{align}$

(5)

式中：D为熔滴直径；ρ_m是金属溶液的密度；h是传热系数；c_p是金属的质量定压比热容；T_m是金属的起始温度；T_O是雾化介质温度；T_S是熔体凝固温度；H是金属熔化潜热.

当t_球化﹥t_凝固时，凝固时间短，雾化的金属液滴在未充分球化前就已经凝固，成球机会下降，导致不规则颗粒增多.

当t_球化﹤t_凝固时，凝固时间较长，颗粒球形度便会降低，颗粒越大，球形度越低，因为熔滴尺寸越大，其表面张力越小越不易球化.且大尺寸颗粒在飞行中易被击碎，并与气体回流的粉末与未凝固的液滴相互碰撞，熔滴黏附在粉末上，尤其较细粉末易以此方式形成卫星球，同时受到气流的波动干扰、重力等外界因素影响而发生形变的可能性增大.

由此可见，合适的功率参数对于得到球形度高的合金粉末至关重要.熔炼功率在59和62 kW时制备的TC4合金粉末表面更加光洁，球形度高，卫星颗粒较少，更适合于激光直接沉积技术.功率较低(53 kW)时，凝固时间很短，部分液滴在未充分球化前就已经凝固，因此，在粉末中存在一定比例的棒状和哑铃状粉末颗粒.

2.3 EIGA制备TC4合金粉末空心球分析

图 5为不同功率参数制得TC4合金粉末的金相显微照片，可以看出，EIGA雾化制备的合金粉末整体上空心球缺陷较少，空心球率低于3%.比较图 5(a)~(d)可以得出，随着熔炼功率的升高，所得粉末中的空心球呈增加的趋势.由图 5(c)、(d)可以看出，熔体功率从59 kW增加到62 kW后，粉体空心缺陷明显增加.这是因为在熔体过热条件下，熔体中原子间距增大，空穴密度升高，体积膨胀.随熔炼功率的升高，熔体过热度愈高，液态原子愈加活化，空穴愈多，气体原子溶解度增大.在雾化熔滴高速运动下，熔体表面破裂，高速氩气将迅速侵入流体，占据空穴位置，经碰撞聚合形成微观气核，形成空心球.

2.4 EIGA制备TC4合金粉末微观组织特性

图 6为功率为62 kW下制备的TC4合金粉末显微组织，可以看到，粉末由细小的针状马氏体组成.由粉末的XRD衍射图谱(图 7)分析可知，针状马氏体是晶体结构为密排六方的α′相，这表明EIGA法制备的TC4钛合金粉末保持了低温金属钛的晶体结构.这是受到雾化过程中快速冷凝的影响，TC4合金从马氏体相变点以上快速冷却，由体心立方β相发生无扩散转变，转变为密排六方的α相，从而得到细针状的α′相马氏体组织.

2.5 熔炼功率参数对合金粉末松装密度与流动性的影响

依据GB1482-84标准，测量5次松装密度计算平均值.图 8为不同功率参数下所得TC4合金粉末的松装密度.从图 8可以看出，随着熔炼功率的增加，粉末的松装密度先升高后降低，功率为56 kW时，松装密度最好，为2.686 g/cm³，标准TC4钛合金棒密度为4.43 g/cm³，松装密度比为60.63%，符合激光3D打印用TC4钛合金粉末松装密度比要求.粉末的松装密度是由颗粒大小、颗粒形状、粉末比表面积、粉末粒度偏聚情况等诸多因素相互作用的结果.从图 4(a)可知，功率为53 kW时，粉末颗粒存在不规则形状的颗粒，颗粒之间的摩擦度增加，松装密度减小.随着熔炼功率的升高，雾化制备的不规则粉末颗粒减小甚至消失，但粉末粒径减小，由于颗粒间的内聚力使得粉末颗粒间越易发生团聚，粉末松装密度又逐渐减小.

图 9为不同功率参数下制得合金粉末的流动性.从图 9可以看出，随着熔炼功率的增加，粉末的流出速度逐渐降低，即流动性越来越好.粉末流动性能与很多因素有关，如粉末颗粒尺寸、形状、粗糙度等.

通常,球形颗粒的粉末流动性最好，而颗粒形状不规则、尺寸小、表面粗糙的粉末，其流动性差.由2.1、2.2节可知，随着功率的增加，所制得粉末的平均粒径逐渐减小，不规则形貌的颗粒减小，因此，粉末的流动性越来越好.

2.6 熔炼功率参数对合金粉末含氧量的影响

钛中的杂质元素对钛的综合性能影响很大，杂质元素中尤其以C、N、O最为常见.氧能够提高钛合金的强度和硬度，但会严重影响合金的塑性和断裂韧性.尽管很多金属都有在含氧高时变脆的特性，但钛对于微量元素的变化尤为敏感，Yu等^[16]研究发现含氧0.3%的钛的韧性只有含氧0.1%的1/3.

图 10为不同功率参数下制得合金粉末中的氧含量.从图 10可以看出，随着功率的增加，粉末中的氧含量呈升高趋势，当功率为62 kW时，粉末中的氧含量急剧升高至0.108%.这是因为随着功率的增加，熔体的过热度升高，TC4合金液滴的凝固时间变长，增加了与外界气体接触的时间.

另一方面，由2.1节的分析可知，随着功率的增加，粉末的粒径逐渐减小，细粉比例增加.从而使具有很高比表面积的细粉增加，导致粉末整体表面积的增加，进而增加了与含氧介质的接触面积，增加了合金粉末的含氧量.但从图 10可以看出，即使粉末中的含氧量有所增加，却仍基本保持在0.08%~0.10% 的较低范围内.原因：一方面是实验选用的雾化介质是高纯氩气，避免了雾化过程中氧气的增加；另一方面，真空系统选择的是包括机械泵、罗茨泵、扩散泵的三级泵抽系统，扩散泵的使用大大的提高了雾化室的真空度，极限真空度可达3.0×10^-3 Pa.因此，两者的选择极大地降低了雾化过程中粉末的增氧现象，保证TC4合金粉末的氧含量在合理范围.

3 结 论

1) 随着熔炼功率的升高，粉末的平均粒径逐渐减小，在功率为62 kW时，粉末平均粒径急剧降低至103.5 μm，其平均粒径依次为141.8，126.3，120.5，103.5 μm.4种功率参数下所得粉末的粒度分布均为正态分布.

2) 采用EIGA法制备的TC4钛合金粉末整体球形度均较好，不规则形状颗粒的比例较低.功率参数为56 kW时，所得粉末松装密度最好为2.686 g/cm³，松装密度比为60.63%，符合激光3D打印用TC4钛合金粉末松装密度比要求.

3) EIGA雾化法制备的TC4合金粉末整体上空心球缺陷较少，空心球率低于3%.随着熔炼功率的升高，粉末中的空心球呈增加的趋势.粉末组织由细小的针状马氏体组成，晶体结构为密排六方的α′ 相.随着熔炼功率的升高，粉末中的氧含量呈增加趋势，却仍基本保持在0.08%~0.10% 的较低范围内.