等離子旋轉(zhuǎn)電極法制取AlSi10Mg鋁合金粉末工藝的研究
戴 煜1, 2，李 禮1, 2，易志明1, 2，呂 攀1, 2
(1. 湖南頂立科技有限公司，湖南 長沙 410118;
2. 湖南省新型熱工裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410000)

摘 要：簡要介紹了等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝（PREP）制粉設(shè)備、主要工藝參數(shù)和粉末形成機理。研究了AlSi10Mg制粉工藝參數(shù)對粉末粒度、粒度分布以及粉體形貌的影響。結(jié)果表明，受鋁合金高比熱容、高熱傳導系數(shù)、高熱膨脹系數(shù)等“三高”特性的影響，采用PREP法制取AlSi10Mg粉，熔池不易形成，易造成Si、Mg元素的燒蝕，出現(xiàn)大量片狀粉末，球形粉末占比減少，且粉末整體球形度與表面光潔度較差；AlSi10Mg電極棒受熱膨脹與金屬密封環(huán)刮擦，產(chǎn)生的鋁合金碎屑易引起電極棒“卡死”，影響連續(xù)制粉；通過工藝調(diào)整與優(yōu)化，解決了上述技術(shù)難題，并成功制取高球形度、表面光潔的AlSi10Mg粉末。
關(guān)鍵詞：等離子旋轉(zhuǎn)電極；AlSi10Mg合金；制粉工藝參數(shù)；燒蝕；片狀粉末；

在“輕量化”、“綠色制造”、“節(jié)能降耗”等全球發(fā)展戰(zhàn)略推動下，產(chǎn)品制造過程中輕合金的用量越來越多[1]。鋁合金作為輕合金的*材料之一，以其優(yōu)良的物理、化學特性及機械性能，廣泛應用于航空航天、軌道交通、輕量化汽車等領(lǐng)域[2]。
選擇性激光熔化技術(shù)（SLM）是一種新型激光快速成形工藝。應用SLM工藝成形單件、小批次航空航天鋁合金制品，在提高材料利用率、實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)制造、縮短制造周期等方面比傳統(tǒng)工藝具有優(yōu)勢[3]。但是，要得到性能優(yōu)良的鋁合金SLM制件，高性能鋁合金粉體材料的制備是其主要的難點之一。目前，國內(nèi)外鋁合金粉體材料主要采用的是惰性氣體霧化法（AA法）與無坩堝電極感應熔化氣體霧化法（EIGA法），粉末存在球形度不高，流動性差（－325目粉末基本不具備流動性），松裝密度低等不足，在SLM打印過程中易出現(xiàn)鋪粉不均勻、粉末團聚等現(xiàn)象，從而影響*終制品的質(zhì)量。PREP法制備的粉末球形度高、流動性好、松裝密度可達到其致密材料的60%，可有效解決氣霧化粉末存在的技術(shù)瓶頸。
本文立足頂立科技*新一代等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉技術(shù)及裝備（N-PREP），研究 N-PREP技術(shù)制備AlSi10Mg粉末的物理性能，并結(jié)合掃描電鏡（SEM）、電感耦合等離子體光譜儀（ICP）、X射線熒光光譜儀（XRF）、激光粒度分析儀、N/H/O聯(lián)合測定儀等技術(shù)分析粉末形貌、成分、粒度分布、氧含量等性能，并與氣霧化粉末進行了對比，在此基礎(chǔ)上進行工藝調(diào)整與優(yōu)化，以便為制備出適用于SLM工藝的高質(zhì)量AlSi10Mg粉體材料提供技術(shù)依據(jù)。
1 試驗方法
1.1 試驗材料
試驗使用的AlSi10Mg合金棒材采用離心澆鑄的方式制成Φ75×300mm的鑄錠，后經(jīng)過退火處理消除內(nèi)應力。切除縮孔后經(jīng)數(shù)控車床、磨床加工，*終得到Φ70×285mm的母合金棒料，棒料圓周跳動量小于5個絲（0.05mm）。電極棒的化學成分見表1。
表1 試驗用AlSi10Mg母合金電極棒的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）/%
Al Si Mg Mn Fe Ti O 其他雜質(zhì)
89.70 10.1 0.38 0.0008 0.125 0.089 0.05 單個＜0.0005

1.2 試驗設(shè)備和主要工藝技術(shù)參數(shù)
本試驗在頂立科技自主研發(fā)的PREP-24000型制粉設(shè)備上進行，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)備主要由以下部分和系統(tǒng)組成：(1)霧化室，高溫等離子弧將高速旋轉(zhuǎn)的電極棒端面熔化，形成熔池，液態(tài)金屬薄膜在離心力的作用下甩出并霧化成小液滴，在快速凝固過程中小液滴冷卻并在表面張力的作用下形成球形粉末；(2)等離子體發(fā)生器（等離子槍），含有鈰鎢陰極和水冷銅陽極，用于熔化電極棒；(3)料旋轉(zhuǎn)和軸向移動機械裝置，用于電極棒的高速旋轉(zhuǎn)與進給；(4)電動機室，裝有測速器、變頻箱和電動機，用于旋轉(zhuǎn)電極棒；(5)真空系統(tǒng)，由羅茨泵、滑閥泵、擴散泵、維持泵、檢測儀器等組成，為設(shè)備工作室和粉罐抽真空； (6)氣體系統(tǒng)，用于在制粉過程中為等離子發(fā)生器供應形成等離子體的惰性氣體等；（7）冷卻系統(tǒng)，用于等離子槍等部件的快速冷卻；（8）收粉系統(tǒng)，用于成品粉末收集與出料；（9）供電系統(tǒng)；（10）操作間。

圖1 新一代等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化（N-PREP）制粉設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖
PREP-24000型制粉設(shè)備主要工藝技術(shù)參數(shù)為：霧化室直徑3.2m，霧化室壓力120-140KPa，設(shè)備功率150KW；電極棒尺寸Φ70×285mm，其*大穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速22000r/min，惰性氣體消耗量約0.008m3/1kg粉末；等離子弧*大電流2000A，電壓60V；制粉粒度范圍10-280μm，生產(chǎn)率40kg/h。
1.3 試驗參數(shù)
制粉工藝參數(shù)主要依據(jù)粉末粒度、粉末性能和生產(chǎn)率所制定的。為研究AlSi10Mg電極棒在不同轉(zhuǎn)速、不同電流強度、不同等離子槍與電極棒間距等條件下粉末粒度、粒度分布、細粉率及粉末性能的特點，其轉(zhuǎn)速分別為8000r/min、12000r/min、18000r/min；其電流強度分別為1000A、1500A以及2000A（電壓60V）；其等離子槍與電極棒間距分別為10mm、40mm、70mm。
1.4 粉末性能測試
粉末采用標準篩篩分，并進行粒徑分布統(tǒng)計；松裝密度及流動性按照國標GB/1479-1984，通過霍爾流量計測得；粉末形貌通過JSM-5600LV型掃描電鏡獲得；粉末元素通過IRIS Advantage1000電感耦合等離子體光譜儀（ICP）和X射線熒光光譜儀（XRF）分析；粉末粒度分布通過激光粒度分析儀檢測；氧等氣體雜質(zhì)含量在LECO TCH600型測定儀上進行檢測。

2 試驗結(jié)果及分析
2.1 AlSi10Mg鋁合金特性
表2為幾種典型適用于激光選區(qū)熔化成形（SLM）材料的部分物理性能，與鈦合金、不銹鋼等材料相比，鋁合金具有較高的比熱容、較高的熱傳導系數(shù)、較高的熱膨脹系數(shù)等“三高”特性，在成形中需要更高的單位體積能量輸入；由于鋁合金的導熱系數(shù)高，制粉過程中還需考慮因快速散熱形成的異常液膜形態(tài)，并及時進行調(diào)整與控制；而較高的熱膨脹系數(shù)，則需要在高速旋轉(zhuǎn)、密封等方面進行改進。
表2 幾種典型材料的屬性[4-6]
合金材料 比熱容/
（KJ/Kg·K） 熱傳導系數(shù)/
（W/m·K） 熱膨脹系數(shù)/
（/℃）
AlSi10Mg 0.91 146.0 23.8×10-6
TC4 0.54 6.7 7.89×10-6
316L 0.46 21.4 17.3×10-6

2.2 電極棒轉(zhuǎn)速對粉末性能的影響
根據(jù)等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備鈦合金、不銹鋼的經(jīng)驗，在正常的霧化機理下，AlSi10Mg液滴形成的臨界條件也應該遵循以下公式：
σπd≤mω2D/2 （1）
其中，σ為液滴表面張力，d為液滴直徑、D為電極棒直徑、ω為電極棒角速度。
整理可得：
d=（3σ/ρπ2）1/2·（1/n）·（1/D1/2） （2）
其中，ρ為液滴密度、n為電極棒轉(zhuǎn)速。
由公式（2）可知，等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉粒徑與液滴表面張力成正比關(guān)系，與液滴密度、電極棒極限轉(zhuǎn)速、電極棒直徑成反比關(guān)系。根據(jù)文獻[7-8]記載的鋁的表面張力數(shù)值，獲得AlSi10Mg粉末粒徑的近似理論計算公式：
d=1.727×107/[n·D1/2] （3）
由公式（3）可得到Φ70mm的AlSi10Mg電極棒，在8000r/min、12000r/min、18000r/min的粉末平均粒徑分別為257.9μm、171.9μm和114.6μm。實際制粉獲得的粉末經(jīng)篩分處理后，統(tǒng)計如表3所示，與理論計算值基本吻合。
表3 不用轉(zhuǎn)速條件下粉末粒度分布
序號 轉(zhuǎn)速 +40目 -40-+100目 -100-+200目 -200-+325目 -325目
1 8000r/min 3.35% 54.56% 36.78% 4.51% 0.8%
2 12000r/min 8.79% 34.8% 39.2% 15.81% 1.4%
3 18000r/min 14.16% 16.83% 41.49% 24.78% 2.74%

實際制粉過程中，引弧的初始階段經(jīng)常伴隨著大量片狀粉末的出現(xiàn)（等離子弧電流2000A），并且集中在+40目的粒度范圍內(nèi)，如圖2所示。片粉產(chǎn)生的原因，需從霧化機理上進行分析。根據(jù)大量研究試驗表明[9]，在不同條件下，液體在旋轉(zhuǎn)元件上存在3種不用的霧化機理，即：液滴形成機理（DDF），在DDF機理下，粉末顆粒一般為球形；液線破碎機理（LD），在LD機理下，液線破碎后會產(chǎn)生橢球形顆粒；液膜破碎機理（FD），在FD機理下，因液膜極不穩(wěn)定，其破碎后易形成不規(guī)則的片狀粉末。通常隨著電極棒轉(zhuǎn)速的提高或電流強度的增大，霧化機理逐漸由DDF轉(zhuǎn)變?yōu)镕D。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，在相同電流的情況下，降低轉(zhuǎn)速，片狀粉末的含量從18000r/min的14.16%降低到了8000r/min的3.35%，表明降低轉(zhuǎn)速，能夠有效抑制片狀粉末的產(chǎn)生，霧化機理由高轉(zhuǎn)速下非穩(wěn)態(tài)的FD機理轉(zhuǎn)變?yōu)檩^穩(wěn)定的DDF或LD機理。

圖2 PREP法制取AlSi10Mg粉末中夾雜片狀粉末的形貌

圖3分別是AlSi10Mg鋁合金、TC4鈦合金剩余料頭的形貌圖（等離子弧電流2000A）。從圖3(a)中可以看出，正常TC4鈦合金在化粉過程中會形成熔池，霧化機理基本介于穩(wěn)定的DDF與LD之間，因此很少出現(xiàn)片狀粉末（不足0.2%）；從圖3(b)中發(fā)現(xiàn)，AlSi10Mg電極棒在霧化過程中，中間凸起，很難形成像圖3(a)所示的熔池。其原因是AlSi10Mg受到自身高比熱容（鈦合金的2倍），高熱傳導系數(shù)（鈦合金的25倍，不銹鋼的7倍）特性的影響，霧化過程中類似于隕石進入大氣層：引弧的瞬間，AlSi10Mg電極棒中部迅速升溫，但在自身比熱容比較大的情況下，中部不會瞬間熔化，在極高的自身熱傳導率的作用下，邊緣部分迅速升溫達到熔點，在旋轉(zhuǎn)與進給同時發(fā)生時，等離子弧相當于大氣層，電極棒端面相當于進入大氣層的隕石，在等離子弧高溫沖擊下，電極棒端面迅速瓦解，并逐漸剝離成中間凸起，兩邊凹陷的形狀。此時，電極棒端面的霧化機理是不穩(wěn)定的，并存著DDF、LD以及FD 3種機理，因此在引弧的瞬間，我們可以在霧化室內(nèi)清晰的觀察到片狀粉末與球形粉末的出現(xiàn)。

圖3 不同材質(zhì)電極棒在PREP工藝后形成的端面形貌示意圖
(a) TC4; (b) AlSi10Mg
圖4是AlSi10Mg電極棒停機卡死的示意圖。從圖4中可以看出，采用常規(guī)的PREP法制備AlSi10Mg粉末，電極棒易出現(xiàn)停機后卡死的現(xiàn)象。經(jīng)停機檢查，造成電極棒卡死的直接原因是電極棒與金屬密封環(huán)之間存在白色的填充物，檢測后發(fā)現(xiàn)是AlSi10Mg的碎屑。碎屑產(chǎn)生的原因有兩個，其一是霧化過程中，爐內(nèi)壓力為微正壓，片狀粉末在微壓力的作用下吹入電極棒與金屬密封環(huán)之間，慢慢堆積造成電極棒的卡死；其二是AlSi10Mg合金熱膨脹系數(shù)大，熱傳導系數(shù)高，端部溫度迅速傳遞到電極棒后端造成電極棒直徑方向尺寸變大，而電極棒本身材質(zhì)較軟，硬度低（里氏硬度314HL），從而造成電極棒與金屬環(huán)發(fā)生摩擦，電極棒表面刮擦下來的碎屑慢慢在電極棒與金屬密封環(huán)的間隙處堆積，造成電極棒停機后卡死。

圖4 AlSi10Mg電極棒停機卡死結(jié)構(gòu)示意圖

針對上述情況，進行了問題的逐一排查。其一是開啟氣簾保護系統(tǒng)，在電極棒與金屬密封環(huán)的內(nèi)部形成1MPa的氣簾保護，用以阻隔爐內(nèi)片狀粉末的進入，但是并沒有解決電極棒停機卡死的問題。因此，片狀粉末進入金屬密封環(huán)與電極棒間隙不是引起電極棒卡死的原因。拆卸金屬密封環(huán)后發(fā)現(xiàn)，AlSi10Mg電極棒外表面與密封環(huán)內(nèi)側(cè)均出現(xiàn)磨損的現(xiàn)象，如圖5所示。在更改金屬密封環(huán)與電極棒的配合公差后，成功解決了電極棒停機卡死的問題。

圖5 電極棒及金屬密封環(huán)磨損后結(jié)構(gòu)示意圖
2.3 電流大小對粉末性能的影響
電流大小反映等離子槍的能量。在電流強度分別為1000A、1500A以及2000A（電壓60V）條件下，分別對AlSi10Mg的PREP制粉過程進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，隨著電流的增大，片狀粉末的比例也隨之增加。這是因為隨著電流強度的增大，等離子槍的能量愈大，一方面能量過大易造成AlSi10Mg熔池產(chǎn)生紊亂的液流，形成片狀粉末；另一方面能量密度過大，易造成Al、Si、Mg等低沸點元素的部分燒蝕。
表3為電流1000A、1500A、2000A時，片狀粉末與球形粉末的電感耦合等離子體光譜分析結(jié)果。從表3中可以看出，在2000A的大電流下，Si、Mg元素燒蝕嚴重，其中Si元素的燒蝕*為厲害，從電極棒含量的10.1%降低至片狀粉末的3.10%。球形粉末中Si元素的含量降低至8.51%。降低電流，Si、Mg元素的燒蝕量急劇減少，片狀粉末的比例也隨之下降。Si元素的存在有利于粉末球化，Si元素的燒蝕也是產(chǎn)生片狀粉末的原因之一。
表4 不同電流下片狀粉末與球形粉末元素含量/%
電流大小 粉末形貌 O Al Si Mg Fe Mn Ti Cu
- 母合金 0.05 89.70 10.1 0.38 0.125 0.0008 0.089 0.0005
2000A 片狀 0.061 96.36 3.10 0.16 0.088 0.0010 0.14 0.0081
球形 0.089 88.89 8.51 0.23 0.11 0.0010 0.054 0.092
1500A 片狀 0.058 93.79 5.2 0.19 0.092 0.0010 0.09 0.006
球形 0.082 89.21 9.17 0.29 0.12 0.0010 0.062 0.072
1000A 片狀 0.05 91.3 8.21 0.24 0.10 0.0010 0.074 0.005
球形 0.075 88.76 9.36 0.32 0.12 0.0010 0.058 0.035
2.4 等離子槍與電極棒間距對粉末性能的影響
試驗表明，對于轉(zhuǎn)移弧模式工作的等離子槍而言，等離子束的有效熱功率與電極棒端部的距離有關(guān)。等離子槍與電極棒間距越小，等離子弧的電流就越大，等離子束的有效熱功率就越高。如等離子槍與電極棒間距縮短為10mm時，對應的等離子弧電流為2000A；逐漸拉大等離子槍與電極棒間距，達到40mm時，等離子弧電流為1500A左右；當?shù)入x子槍與電極棒間距達到70mm時，等離子弧電流一般低于1000A。為了控制AlSi10Mg霧化過程中不出現(xiàn)片狀粉末，等離子槍與電極棒的間距不宜太小，但也不能過大，過大容易造成引弧困難。經(jīng)過試驗驗證，一般認為AlSi10Mg霧化過程中，等離子槍與電極棒間距保持在70-80mm為宜。
3 PREP法制取AlSi10Mg粉末工藝參數(shù)的優(yōu)化
3.1 電極棒轉(zhuǎn)速的確定
轉(zhuǎn)速過快，AlSi10Mg粉末的霧化機理一般會從DDF或LD機理模式直接轉(zhuǎn)換為FD機理模式，產(chǎn)生大量的片狀粉末。但是轉(zhuǎn)速過慢，影響-325目細粉的收得率，不利于SLM領(lǐng)域的應用。基于上述原理，將初始電極棒轉(zhuǎn)速設(shè)定為6000r/min，在成功引弧的瞬間，10秒內(nèi)將轉(zhuǎn)速逐步提升至22000r/min。
3.2 等離子弧電流大小的確定
等離子弧電流過大，一方面能量過大易造成AlSi10Mg熔池產(chǎn)生紊亂的液流，形成片狀粉末；另一方面能量密度過大，易造成Al、Si、Mg等低沸點元素的部分燒蝕。因此必須控制初始等離子弧電流大小，一般控制在800-1000A較為合適。
3.3 等離子槍與電極棒間距的確定
等離子槍與電極棒間距影響的是等離子弧電流的大小。為了能夠較好的控制等離子弧初始電流，等離子槍與電極棒初始間距保持在70-80mm之間較為適宜。
3.4 霧化介質(zhì)的確定
現(xiàn)階段，俄羅斯等國采用PREP法制備合金粉末，霧化介質(zhì)均為氬氣與氦氣的混合氣體，其中氬氣主要作用是產(chǎn)生等離子弧，用于熔化電極棒；氦氣主要起快速冷卻作用。本研究一直采用的高純Ar進行霧化試驗，后期可采用高純氬氣與氦氣的混合氣體，氣體比例為30%Ar+70%He，工作壓力130KPa進行AlSi10Mg霧化試驗驗證。
3.5 金屬密封環(huán)的優(yōu)化
鑒于AlSi10Mg因熱膨脹，硬度低等特性造成的電極棒與金屬密封環(huán)卡死的問題，從三方面進行著手改進。*是將金屬密封環(huán)重新設(shè)計內(nèi)部公差配合，并進行打磨拋光處理，使其內(nèi)表面精度達到2個絲（0.02mm）；第二是將現(xiàn)有金屬密封環(huán)材質(zhì)更換為與電極棒同材質(zhì)的鋁合金，減少磨損；第三是將AlSi10Mg表面進行熱處理，提高硬度。
3.6 工藝參數(shù)優(yōu)化后的實際生產(chǎn)效果
圖6為PREP工藝參數(shù)優(yōu)化前后，球形AlSi10Mg粉末SEM照片。由圖6(a)可知，工藝優(yōu)化前，采用PREP法制備的粉末球形度較差，表面光潔度不高，并存在粘接粉、衛(wèi)星粉的現(xiàn)象。工藝優(yōu)化后，采用PREP法制備的粉末具有球形度高、伴生顆粒少、無空心/衛(wèi)星粉、流動性好、高純度、高松裝密度、低氧含量、粒度分布窄等優(yōu)勢，是SLM等3D打印工藝的理想材料。

圖6 改進前后AlSi10Mg粉末的SEM圖
(a) 改進前; (b) 改進后
4 結(jié)論
1、對于AlSi10Mg合金，粉末粒度的平均值與電極棒直徑和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系由 d=1.727×107/[n·D1/2]表示，理論計算公式與實測值吻合較好；
2、PREP法制取AlSi10Mg合金過程中，為有效避免片狀粉末的出現(xiàn)，初始電極棒轉(zhuǎn)速不能過大，*佳的電極棒轉(zhuǎn)速應從初始6000r/min逐步提升至18000r/min；
3、PREP法制取AlSi10Mg合金過程中，為避免出現(xiàn)紊亂的霧化機理，緩解Si、Mg元素的燒蝕，初始等離子弧電流不能太大，*佳的初始等離子弧電流在800A-1000A之間；
4、等離子槍與電極棒端面與等離子弧電流強度成反比關(guān)系，等離子槍與電極棒端面越近，等離子弧電流強度越高。PREP法制取AlSi10Mg合金過程中，為避免片狀粉末的出現(xiàn)，同時有效控制熔池的形狀，等離子槍與電極棒端面的間距控制在70-80mm為宜；
5、重新設(shè)計金屬密封環(huán)內(nèi)環(huán)的配合公差與加工工藝或更換金屬密封環(huán)的材質(zhì)或通過熱處理方式提高電極棒表面硬度，均可有效解決AlSi10Mg電極棒在高速旋轉(zhuǎn)過程中因為磨損產(chǎn)生的碎屑導致電極棒與金屬密封環(huán)卡死的問題；
6、通過工藝優(yōu)化，頂立科技成功解決了用PREP法制備AlSi10Mg粉末的技術(shù)難題，制備的AlSi10Mg粉末是SLM等3D打印工藝的理想原材料。

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