氣霧化法制備3D打印金屬粉末的工藝研究進展

3D打印又稱增材制造，大多使用球形粉末作為原料，通過集中的熱源選擇地熔化粉末，并在隨后的冷卻中凝固形成打印件。金屬打印件的質量和性能在很大程度上取決于金屬粉末原料的特性。3D打印球形金屬粉末應具有高球形度、小粒徑、高振實、少或無空心粉和衛星粉、低雜質含量等特征。

氣霧化法（GA）制備的金屬粉末能較好地滿

足3D打印對金屬粉末的性能需求。該方法制備的金屬粉末粒徑小，成分均勻，球形度高，流動性好，已實現規模化生產。采用氣霧化法制備的球形金屬粉末占3D打印金屬粉末總產量的30%~50%，氣霧化法已成為3D打印用球形金屬粉末的主要制備方法。

氣霧化法起源于20世紀20年代，是利用高速氣流作用于金屬液，將氣體動能轉化為熔滴表面能，進而形成微小金屬液滴并冷卻凝固成球形金屬粉末的工藝。氣霧化過程分為一次破碎、二次破碎及球化與凝固3個階段。

氣霧化制粉技術本身是一個氣液兩相流相互耦合作用的復雜過程。在氣霧化法制備球形金屬粉末過程中，金屬液、霧化介質、霧化器結構等因素的改變均會對粉末特性產生一定的影響。

近年來，我國的粉末冶金工業快速發展，但粉末冶金產品的技術水平距離發達國家仍然具有一些差距，特別是在過程質量控制方面。

為了給從事3D打印用金屬粉末研究的技術人員及生產研發人員提供參考，蘭州金川科技園有限公司/國家鎳鈷新材料工程技術研究中心的研究人員從金屬液、霧化介質、霧化器結構對粉末特性影響方面綜述了氣霧化法制備球形金屬粉末的工藝研究現狀。

No.1、金屬液對粉末特性的影響　　過熱度的影響

1、金屬液過熱度是指霧化前金屬液溫度與金屬熔點的差值。

劉再西等利用真空感應熔煉氣霧化法制備3D打印用不銹鋼粉末，研究了不同金屬液過熱度對粉末特性的影響，發現金屬液過熱度越大，金屬粉末的細粉收得率越大，松裝密度越高，流動性越好，確定*佳的金屬液過熱度為245K。

歐陽鴻武等將金屬液過熱度由150K分別提高至300K后，制備粉末的平均粒徑相應從34.88μm下降至19.74μm；若金屬液過熱度過小，則金屬液可能在破碎前就已經完全凝固，這會導致嚴重的顆粒粗化，甚至可能會堵塞噴嘴。

王軼等研究發現：當金屬液過熱度由150℃逐漸增加至300℃時，真空感應熔煉氣霧化法制備的Pd-Ag-Cu粉末平均粒徑由101μm降低至33μm，細粉收得率顯著提高；但隨著金屬液過熱度的持續增加，粉末平均粒徑存在先降低后增大的趨勢，且當粒徑過熱度超過一定值后，粉末球形度變差，衛星粉數量增加。

LUBANSKA用黏度和表面張力的變化解釋了金屬液過熱度對顆粒尺寸的影響。根據E?tv?s定律，金屬液的表面張力一般隨溫度的升高而降低，較低的表面張力能使金屬液破碎更充分，因此粉末粒徑更小。金屬液的動力學黏度通常隨溫度的升高而減小，因此在一定溫度范圍內增加過熱度后，金屬液黏度降低，更易于被高速氣流充分破碎，從而形成細小粒徑的金屬粉末；同時，適當增加過熱度可使金屬液滴在飛行過程中有足夠時間進行冷卻和凝固，更容易獲得球形度較高的金屬粉末。

綜上，適當提高金屬液過熱度可制備出粒徑小、球形度高的金屬粉末，有利于提高3D打印件的綜合性能，但是過大的金屬液過熱度會導致衛星粉增多，增加電力能源及設備負荷，從而大大增加生產成本。

氣液流量的影響

2、氣液質量流率比（GMR）也是影響粉末粒徑的主要參數之一。

MOUSAVI等通過調節霧化氣體的質量流速，將GMR從0.55%增大到2.6%后，發現內部流場從復雜的氣泡流變為環形流，從而降低了導液管出口處的金屬液膜厚度。隨著霧化氣體流量的增加，噴嘴*的金屬液膜變薄，一次破碎產生的液滴的平均尺寸減小。在一定條件下，粉末質量中值直徑D50與金屬液流量的平方根成正相關。

金屬液流量對氣流速度的衰減模式有影響。RICOU等研究發現，如果氣流攜帶的流體密度大于其本身或流體流量較大時，氣流速度均會快速衰減，致使*終粉末粗化。

由LUBANSKA總結的粉末平均粒徑的經驗公式可知，隨著GMR的減小，所得粉末粗化趨勢變得更加明顯；LI等和XU等的研究也證明了這一點，同時還發現增大GMR不僅有利于獲得小粒徑粉末，還有利于提高目標細粉的收得率。

ZHENG等通過將直徑70mm左右的棒材替換為直徑2~5mm的絲材進行電極感應熔煉氣霧化制粉，以此來降低進入霧化室的金屬液流量，發現在霧化壓力為4.0MPa和金屬液過熱度為350℃條件下，制備的粉末D50為40.2μm，其中粒徑為0~53μm的細粉收得率達到了78%，遠高于同等霧化條件下的棒材感應熔煉氣霧化工藝。

通過增加氣體流量或降低金屬液流量來提高GMR可制備出粒徑較小的金屬粉末；然而過高的氣體流量或過低的金屬液流量會導致粒徑小于15μm的超細粉占比增加，使得金屬熔融后發生球化的程度增加，進而影響工件的表面質量；同時當金屬液流量過低時，由于氣體的過度冷卻，金屬液在導液管末端可能提前凝固，進而堵塞導液管。因此在實際生產過程中，需要根據金屬液流量不斷調整霧化氣體的流量，使得GMR達到動態穩定，才能獲得批次穩定性較高的3D打印金屬粉末。

No.2霧化介質對粉末特性的影響   霧化氣體種類的影響

1、在氣霧化法制備金屬粉末的過程中，常用的霧化介質有空氣、氦氣、氮氣及氬氣等，且以氬氣為主。

üNAL分別研究了以氦氣、氮氣、氬氣為霧化氣體制備鋁合金粉末的工藝，發現在相同制備工藝下不同霧化介質在噴嘴出口產生的氣流速度、氣體流量存在較大差異，因此對粉末的粒徑和形貌造成不同影響。采用一維絕熱膨脹模型估算氦氣、氮氣及氬氣的物理特性及噴嘴出口的流動特性，可知氦氣、氮氣及氬氣具有相似的黏度，但密度和導熱系數相差較大，其中氦氣的流速是氬氣流速的3.2倍，其流量卻僅是氬氣流量的1/3。由于在超音速流動條件下氦氣能獲得更大的氣體流速，其作為霧化氣體所制備的粉末比以氮氣和氬氣作為霧化氣體所制備的粉末更加細小。

許天旱等采用空氣、氦氣、氮氣及氬氣作為霧化介質制備了SnAgCu合金粉末，發現以密度*低的氦氣作為霧化氣體所制備的粉末粒徑*小。

NCHIPORENKO等使用空氣霧化制備的粉末球形度差，改用氬氣霧化后，球形粉末占比增至85％。

FANG等研究發現，相比氮氣，氬氣作為霧化氣體制備的粉末外觀更規則，球形度也更高。

選用空氣作為霧化氣體所制備的粉末球形度差，氧含量高，導致3D打印件性能較差；氦氣作為霧化氣體雖然能獲得粒徑更為細小的粉末，但高昂的氣體成本限制了其在工業領域的應用；氬氣和氮氣是較為常用的惰性保護氣體，雖然氮氣比氬氣價格低，但在高溫下（高于1000℃）容易與其他物質發生化學反應，因此在制備純度較高的合金粉末時，*佳的霧化氣體仍是氬氣。

氬氣作為霧化氣體制備的粉末具有球形度高、粒度分布可調控范圍大等優勢，因此在氣霧化制粉技術上得到廣泛應用；同時氬氣霧化制備的粉末粒徑小，氧含量低，空心粉少，夾雜物少，成本低，因此以氬氣為霧化氣體的氣霧化法是未來鎳基高溫合金粉末制備技術的發展方向。

霧化氣體壓力的影響

2、在其他條件一定的情況下，增大霧化氣體壓力會形成超音速氣流，強化對金屬熔體的沖擊破碎作用，因此所制備的粉末粒徑較小。

李響等研究發現，采用真空感應熔煉惰性氣體霧化方法制備的Inconel625合金粉末粒徑隨霧化氣體壓力的增大而減小，目標得粉率也隨之升高，當霧化氣體壓力為4.5MPa時，霧化效果*佳，粉末的D50為72.2μm，粒徑在45~105μm的粉末收得率達到78.1%。

郭快快等采用計算流體力學對氣霧化制備GH4169合金粉末的過程進行了數值模擬，也得出類似的結論：當霧化氣體壓力由3MPa增加至7MPa時，D50從81.10μm減小到41.80μm，粒徑小于53μm的細粉收得率由1.72%提高到71.54%。

然而，隨著霧化氣體壓力的增大，金屬液滴二次破碎程度變大，形成的細小金屬液滴數量較多，其凝固速率比大尺寸液滴快，在高速氣流作用下易黏附在未完全凝固的大尺寸液滴上，從而形成衛星粉。霧化氣體壓力越大，氣流速度越大，氣流與金屬液滴的相互作用越強烈，引起不同顆粒間速度和凝固狀態的差別越大，從而增大了金屬液滴相互之間發生碰撞的可能性，導致衛星粉數量增多、流動性變差。

根據實際生產中在不同霧化氣體壓力下氣霧化制備GH4169合金粉末的松裝密度和流動性指標發現，較低或較高的霧化氣體壓力均會導致粉末松裝密度和流動性降低。相關研究還表明，霧化氣體壓力越大，霧化氣體分子與金屬液滴接觸越充分，在急速冷卻時就會有更多的氣體分子來不及從金屬液滴逸出而被包裹在液滴內部，從而形成更多的空心粉。

氣流速度與霧化氣體壓力幾乎呈線性關系，較大的霧化氣體壓力能獲得較高的氣流速度，進而可實現小粒徑粉末的制備，但較大的霧化氣體壓力也會導致衛星粉和空心粉產生的概率增大，因此僅通過增加霧化氣體壓力的方法來獲取小粒徑粉末是不可取的；同時，當霧化氣體壓力增加到一定程度時，氣流速度便不再變化，因此過大的氣體壓力會導致氣體浪費嚴重。在實際生產過程中，應綜合考慮各方面的影響因素，選擇并確定*優化的霧化氣體壓力。

霧化氣體溫度的影響

3、研究發現，隨著霧化氣體溫度從300K提高到600K，噴嘴出口氣體射流的*大速度從490m/s增加到690m/s，但其基本射流分布規律沒有變化，而氣流速度的提升導致更高效的金屬破碎，特別是二次破碎，從而提升細粉收得率。

王長軍等采用計算流體力學數值模擬分析了霧化氣體溫度對霧化過程的影響，其研究結果也證明了這一點。由此可見，采用較高溫度的霧化氣體有利于制備粒徑較小的粉末。

同時，隨著霧化氣體溫度的升高，二次破碎液滴的彌散角增大；較大的彌散角有利于液滴充分分散，在一定程度上延長液滴的凝固時間，這有利于液滴的充分球化，從而改善粉末的球形度。

基于此，新出現了一種熱氣體霧化技術，即通過提高霧化介質的溫度來達到改善粉末特性的目的；在霧化氣體壓力不變的條件下，提高氣體溫度后，霧化所得粉末的平均粒徑和標準偏差均降低，但由于熱氣體霧化技術受到氣體加熱系統和噴嘴的限制，僅有少數幾家機構開展了相關研究。

綜上，提高霧化氣體的溫度可以提升氣流速度，從而有效提高霧化效率，所制備粉末粒徑明顯減小；同時較大的彌散角可以有效地降低金屬液滴之間的碰撞概率，理論上能減少衛星粉的形成，但根據實際的生產結果來看，隨著霧化氣體溫度的升高，氣體的冷卻作用削弱，加速效果得到提升，產生的超細粉較多且易與尚未完全凝固的金屬液滴發生碰撞，形成較多衛星粉。因此，通過加熱霧化氣體降低粉末粒徑的工藝，還需要進一步的研究與實踐探索。

No.3、霧化器結構對粉末特性的影響　　噴嘴構型的影響

1、噴嘴是氣霧化設備的關鍵部件，對霧化效率的高低和霧化過程的穩定性起至關重要的作用。*早出現的霧化噴嘴為自由落體式結構，如圖1(a)所示，該噴嘴結構設計簡單，不易堵塞，常用于電極感應熔煉惰性氣體霧化制粉系統。為了縮短氣流與導液管出口的距離，發展出了結構緊湊的限制式噴嘴，如圖1(b)所示，因顯著提高了霧化效率而得到廣泛應用。

為了進一步提高霧化效率，限制式噴嘴逐漸演變為緊耦合式噴嘴。該噴嘴制備的粉末粒徑小，球形度高，金屬液滴冷卻速率快，有利于非晶粉末的生產，目前已成為氣霧化設備的*噴嘴。

盡管如此，該噴嘴仍存在一定的局限性：在高壓霧化條件下，導液管出口處會產生較大負壓，使金屬液流速增大，不利于小粒徑粉末的制備。

金屬液從導液管流出時，受到重力和導液管出口處與金屬液面壓力差的共同作用，其流速vl與抽吸壓力ΔP有關。當ΔP<0時，金屬液被加速吸入霧化器，有利于霧化過程的順利進行；當ΔP>0時，金屬液流速放緩；當Ps=ρlgH+Pe（ρl為金屬液密度；g為重力加速度；H為坩堝內金屬液面和導液管出口之間的高度差）時，vl=0，金屬液無法流動，霧化中斷，若Ps持續增加，霧化氣體會倒灌進坩堝，引起返噴。優化噴嘴結構，有利于降低導液管出口處的靜態壓力，提升流場速度，從而細化粉末粒徑、提升霧化效率。

因此，部分學者對緊耦合式噴嘴進行優化設計，將氣流通道設計為Laval管結構。目前，國內市場的真空氣霧化設備生產商大多采用Laval管噴嘴結構，如中航邁特、威拉里等。

Laval管是一種形似沙漏的收縮-擴張管，其通過將霧化氣體加速形成超音速氣流來對金屬液進行霧化。Laval管兩端由兩個錐形管構成，分別為收縮段和擴張段，對應的錐形夾角稱為收縮角ψ和擴張角β，中間以喉口連接，具體結構如圖2所示。收縮角對噴嘴出口氣流速度影響不明顯，較大的擴張角和較小直徑dh的喉口更有利于提高出口氣流速度。

霧化角又稱噴射角，是霧化噴嘴的一個重要性能指標，主要影響噴嘴特別是非限制式噴嘴霧化區的抽吸壓力及氣流的動能利用率。噴射角越大，導液管出口至氣流交匯點處的距離越短，氣流的動能越大，獲得的金屬粉末粒徑越小；但如果噴射角過大，則高速氣流在導液管下方相遇后的反射作用增強，形成較強反射波，造成回流區頂部過于靠近金屬液入口，霧化時易產生片狀粉或出現反噴堵塞噴嘴的現象。噴射角越小，霧化區的抽吸力越大，金屬液流速越快，在相同霧化氣流量下金屬液破碎得越不充分，同時還會導致金屬液霧化前流動行程增加，氣流速度衰減明顯，金屬液過熱度不足，進而導致粉末顆粒粗化、球形度變差。因此，實際生產時應綜合分析，選定較為合適的噴射角。

噴嘴進氣口孔心距也是影響氣體流場結構的一個重要因素。隨著孔心距的增加，流場速度降低，回流區域范圍顯著增大，導液管出口處靜態壓力逐漸降低，這有利于增大抽吸壓力，促進金屬液流出。然而，較低的流場速度和較大的回流區域均不利于金屬液的霧化，因此孔心距應控制在合理的范圍內。

導液管幾何結構的影響

2、導液管主要通過影響金屬液的質量流量來影響霧化性能，在霧化氣體壓力和金屬液過熱度不變的情況下，導液管內徑增加會導致金屬液質量流量增加，造成金屬液滴破碎不充分。

LIU等基于歐拉-拉格朗日法的多相流模型和剪切應力輸運k-ω湍流模型（k為湍動能；ω為比耗散率），研究了不同導液管內徑與粉末粒徑、細粉收得率的關系。發現隨著導液管內徑的減小，粒徑累積體積分布曲線左移，粉末粒徑變小，細粉收得率顯著提高；當導液管內徑由4mm減小到2mm時，細粉（粒徑小于150μm）的收得率由54.7%提高到94.2%。上述數值模擬結論與張夢醒等和GAO等的試驗結果一致。

根據LUBANSKA經驗公式，導液管內徑越小，霧化液滴越小。然而，導液管內徑越小，金屬液也越容易受導液管內表面粗糙度和毛細管效應的影響，導致霧化液滴尺寸增大，嚴重時會堵塞導液管。金屬液流速在導液管中心處*大，在管壁處為0（無滑移情況）。當導液管內徑一定時，*大速度隨著金屬液平均流速的增加而增大，此時從中心線到管壁的徑向速度梯度增加，導致流動阻力增大；當金屬液流速固定時，隨著導液管內徑的減小，金屬液流速的徑向速度梯度增大，金屬液流動阻力增大。研究表明，隨著導液管內徑的減小，鋁液和鐵液的流動阻力均增大，當導液管內徑不大于1mm時，金屬液流動阻力達到102kPa級。

導液管突出長度對氣體流場有很大影響，會直接影響霧化的穩定性與霧化效率。增加導液管突出長度會縮小回流區的范圍，使駐點位置向下方移動，導致導液管末端附近區域形成負壓，這將對坩堝內金屬液產生較大的吸入作用，同時氣流速度也略有增加。

ZHANG等采用計算流體動力學軟件Fluent對旋渦環縫式霧化器噴嘴出口附近霧化室內氣流場進行數值模擬，發現導液管突出長度越大，導液管前端抽吸壓力越小。

THOMPSON等采用離散相模型研究了導液管突出長度對二次破碎粉末粒徑的影響，發現粉末粒徑隨著導液管突出長度的增加而減小。

XU等認為：當導液管突出長度為6~8mm時，有利于獲得較大的抽吸壓力，從而制備出粒徑較小的粉末；當導液管突出長度為12mm時，D50及其標準差均急劇增大。若導液管突出長度過長，則高速氣流會直接噴射至導液管外壁并發生反彈，導致氣流能量損失嚴重，降低了對金屬液的二次破碎作用力，改變了霧化區的流場結構，從而破壞了霧化穩定性。

導液管末端結構也會對粉末特性產生影響。王軍峰等采用計算模擬流體體積界面跟蹤方法，對一次破碎的兩相流進行模擬，發現導液管末端的小平臺是導致噴嘴堵塞的關鍵因素；導液管末端的擴張角由30°逐漸增加到35°，40°，45°，縮短了小平臺的寬度后，霧化連續性提高，粉末特性也得到改善；優化導液管末端的幾何形狀后，金屬液滴在霧化過程中不會黏附在外壁和小平臺上；隨著擴張角的增加，金屬液與導液管末端的接觸面積減小，這會降低導液管*破裂的風險，從而延長導液管的使用壽命；一次破碎后的合金液滴和液帶更接近超音速自由邊界，其與氣體的相互作用強度增加，*終細粉收得率提高。

綜上，在一定范圍內，減小導液管內徑有利于獲得粒徑較小的粉末，但也產生較多的超細粉末顆粒，超細粉末在高速氣流作用下于霧化腔室中充分彌散，增加了與金屬液滴之間的碰撞概率，從而形成較多衛星粉；當導液管內徑減小到一定尺寸后，受導液管壁阻力的影響以及末端過度冷卻的作用，金屬液容易在導液管末端凝固，進而堵塞導液管。同時，導液管的突出長度和末端結構也對粉末的粒徑有較大的影響。因此，在實際生產過程中，需要針對不同設備系統、不同合金、不同工藝條件，不斷優化導液管的工藝參數，同時匹配其他工藝以實現*佳目標粉（粒徑15~53μm）的收得率。

優化霧化器結構以提升氣流動能效率，是改善球形金屬粉末品質及提高氣霧化效率的有效手段。近年來，在傳統的氣霧化技術上逐漸發展起來了幾種新技術，如超音速霧化技術、層流霧化技術、組合霧化技術等。

超音速霧化技術是指在高速氣流破碎液流的同時，借助超聲波的方式顯著提升霧化效率的一種技術；基于Laval噴嘴的層流霧化技術克服了常規氣霧化過程中氣流擾動以及能量損失等問題，可更好地控制金屬粉末的粒徑分布，大幅提升霧化效率；將氣霧化和離心霧化相結合而形成的組合霧化技術制備的金屬粉末粒徑小且分布窄，球形度好。Laval霧化技術目前已經成為氣霧化生產領域中較為成熟的技術，而具有復合效果的新型霧化器結構設計將會是今后氣霧化技術的重要發展方向。

結束語

當前，國內3D打印金屬粉末市場接近飽和，整體呈現供大于求的狀態，但粉末品質普遍偏低，高品質金屬打印粉末的市場需求依然旺盛。所謂的高品質指元素控制*、批次穩定性好，其中前者取決于母合金廠家，后者取決于粉末生產廠家的技術水平和品質管理。

氣霧化制粉技術仍無法完全解決空心粉、衛星球及目標細粉收得率低等問題。增大過熱度、增加霧化氣體壓力和溫度、采用小內徑導液管等措施均有利于提高目標細粉收得率，然而同時也增加了產生空心粉、衛星粉的概率。因此，在實際粉末制備過程中，不能為提高細粉收得率而盲目改變工藝參數，需要結合目標粉末技術指標綜合考慮，針對不同合金粉末匹配相應的工藝。

未來增材制造技術的發展方向將呈現多樣化、規模化和智能化的趨勢，這也給增材制造專用材料研發、粉末制備技術及裝備應用等領域的研究帶來了諸多挑戰與機遇。

首先，應開發新型高效制備技術。針對現階段常規霧化*佳目標粉末（粒徑15~53μm）收得率僅在30%~35%的情況，在現有增材制造粉末制備技術的基礎上，結合各工藝技術的優勢，研制復合型粉末制備技術。

同時，不斷優化改進設備結構，匹配*佳工藝參數，解決長期限制3D打印金屬粉末質量、產量的關鍵技術問題，提高粉末批次穩定性，提升目標粉末收得率。

其次，開展新型專用金屬粉末材料的研發工作。現階段的金屬粉末在現有增材制造技術下所獲得的打印件在性能與功能上仍不能完全替代傳統工藝制備的零部件，因此需要借助增材制造技術在材料設計、多材料及功能復合材料構件制造方面的優勢，研發適用于金屬增材制造全流程的合金材料，構建新材料創新體系，提升材料研發能力和新材料產業競爭力。

*后，進行智能化制粉技術的開發。針對現階段的金屬粉末制備技術還遠不能滿足現代制造業的標準化、自動化生產模式的需求，將設備自動化與數字信息化相結合，基于數據、網絡和軟件，結合系統建模、人工智能等先進技術，將數字信息與物理過程有效聯系起來，極大地提高增材制造粉末制備過程的自動化控制水平。

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