基于PREP設(shè)備粉末粒徑細(xì)化的研究

高 峰，陳斌科，趙 培，任 龍，向長(zhǎng)淑，朱紀(jì)磊

(西安賽隆金屬材料有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018)

0 引言

近年來(lái)，增材制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展勢(shì)頭迅猛，3D打印設(shè)備生產(chǎn)的鈦合金等打印件已成功運(yùn)用于航空航天、生物醫(yī)療等國(guó)防軍工及民用領(lǐng)域，并得到逐步推廣[1-3]。目前，受限于電極棒料轉(zhuǎn)速及直徑，以鈦合金為例，Φ75 mm的電極棒料極限工作轉(zhuǎn)速≤18 000 r/min，粉末中位粒徑≥118 μm，較粗的粉末粒徑使得PREP法制備的金屬粉末在3D打印行業(yè)中運(yùn)用受限。因此，細(xì)化PREP設(shè)備粉末粒徑，制備高品質(zhì)、細(xì)粒徑金屬及合金粉末有助于推動(dòng)我國(guó)增材制造行業(yè)的發(fā)展，打破國(guó)外對(duì)于軍工國(guó)防用細(xì)粒徑高品質(zhì)粉末的壟斷及出口限制。

1 PREP設(shè)備粉末粒徑細(xì)化理論

等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉設(shè)備是一種以電極棒料為陽(yáng)極，等離子槍為陰極，氬氣為電離介質(zhì)(及惰性保護(hù)氣體)的一種球形高品質(zhì)粉末制備裝置。工作時(shí)，電極棒料連接到逆變電源“+”極，等離子槍連接到逆變電源“-”極。在電場(chǎng)作用下，處于陰陽(yáng)極之間的氬氣被電離形成電弧。電極棒料在電弧加熱作用下熔化為液體，通過(guò)電極棒料高速旋轉(zhuǎn)的離心力將液體拋出并粉碎為細(xì)小液滴，繼之在表面張力作用下冷卻為球形金屬粉末[4]。根據(jù)液滴形成的臨界條件[5-6]，對(duì)其進(jìn)行受力分析可得：

σsπd≤mω2Da/2.

(1)

其中：σs為熔化金屬表面張力，N/m；m為液滴質(zhì)量，kg；ω為電極棒料角速度；d為粉末粒徑，m；Da為電極棒料直徑，m。

液滴質(zhì)量m和電極棒料角速度ω為：

(2)

(3)

將式(2)、式(3)代入式(1)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化得：

(4)

其中：ρm為熔化金屬密度，kg/m3；n為電極棒料轉(zhuǎn)速，r/min。

由公式(4)可知，細(xì)化粉末粒徑有兩種方法，一種是增大電極棒料直徑Da，另一種是提高電極棒料工作轉(zhuǎn)速n[7-9]。

2 試驗(yàn)研究

以賽隆公司自主研發(fā)的工業(yè)級(jí)臥式RPEP設(shè)備為例(如圖1所示)，選用Φ60 mm、Φ75 mm的TC4電極棒料，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1，工作轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為12 000 r/min、13 000 r/min、13 500 r/min，制備的粉末粒徑結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1 工業(yè)級(jí)SLPA-H型等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉設(shè)備

表1 試驗(yàn)參數(shù)

由表2數(shù)據(jù)可知，在上述試驗(yàn)條件下，實(shí)測(cè)粉末粒徑與理論值之間雖存在偏差，但最大偏差值≤19 μm，且滿足以下變化規(guī)律：相同電極棒料直徑條件下，工作轉(zhuǎn)速越高，粉末粒徑越細(xì)；相同工作轉(zhuǎn)速條件下，電極棒料直徑越大，粉末粒徑越細(xì)。這與公式(4)推導(dǎo)出來(lái)的粉末粒徑與電極棒料工作轉(zhuǎn)速成反比、與電極棒料直徑的二分之一次方成反比的變化規(guī)律是吻合的。

表2 實(shí)測(cè)粉末粒徑與理論結(jié)果

3 粉末粒徑細(xì)化途徑

增材制造行業(yè)迅猛發(fā)展，對(duì)用于增材制造的球形金屬粉末有著粒徑方面的限制。目前，主流的增材制造技術(shù)類型有兩種：直接能量沉積和粉末床熔合。以鈦合金為例，不同增材制造技術(shù)對(duì)粉末粒徑的要求如表3所示。

由表3可知，直接能量沉積增材制造技術(shù)粉末原料較粗，粉末生產(chǎn)技術(shù)以等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化為主；粉末床熔合增材制造技術(shù)粉末粒徑較細(xì)，目前生產(chǎn)技術(shù)以氣霧化為主。氣霧化技術(shù)制備的金屬粉末粒徑雖較細(xì)，但空心粉較多，粉末熔化過(guò)程中空心粉中的氣體不易溢出，會(huì)造成零件內(nèi)部缺陷，影響零件整體力學(xué)性能。因此，PREP法制備的球形金屬粉末是較為理想的增材制造原材料。以鈦合金為例，直徑75 mm的金屬棒料，轉(zhuǎn)速≥20 213 r/min時(shí)，粉末粒徑≤105 μm，滿足電子束選區(qū)熔化成形粉末原料需求；轉(zhuǎn)速≥47 164 r/min時(shí)，粉末粒徑≤45 μm，滿足電子束選區(qū)熔化成形和激光選區(qū)熔化成形粉末原料需求。

表3 不同增材制造技術(shù)對(duì)粉末粒徑的要求

現(xiàn)有的工業(yè)級(jí)PREP設(shè)備，工作轉(zhuǎn)速基本<20 000 r/min，鈦合金粉末粒徑>106 μm，難以滿足粉末床熔合鈦合金粉末原料需求。因此，提高設(shè)備工作轉(zhuǎn)速、增大電極棒料直徑，制備出細(xì)粒徑球形金屬粉末具有巨大的市場(chǎng)需求。本文就如何提高PREP設(shè)備工作轉(zhuǎn)速，給出了以下方法。

3.1 提高電極棒料直徑

由公式(4)可知，當(dāng)工作轉(zhuǎn)速一定時(shí)，對(duì)于選定的金屬電極棒料，熔化金屬表面張力、熔化金屬密度為定值，電極棒料直徑越大，粉末粒徑越小。因此提高電極棒料直徑是提高粉末粒徑的有效途徑。實(shí)際工程中，受限于設(shè)備尺寸、電主軸尺寸和功率、動(dòng)密封結(jié)構(gòu)尺寸等，電極棒料直徑一般≤100 mm。

3.2 提高電極棒料工作轉(zhuǎn)速

由公式(4)可知，當(dāng)電極棒料直徑一定時(shí)，對(duì)于給定的金屬電極棒料，熔化金屬表面張力、熔化金屬密度為定值，電極棒料工作轉(zhuǎn)速越高，粉末粒徑越細(xì)。提高設(shè)備工作轉(zhuǎn)速途徑較多，具體有以下幾種方法：

(1)提高電極棒料加工精度。電極棒料自身精度的提高可以保證棒料旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的偏心力較小，其與棒料支撐單元(動(dòng)密封結(jié)構(gòu))由于棒料自身不平衡引起的振動(dòng)強(qiáng)度降低，從而提高運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性，也提高了電極棒料工作轉(zhuǎn)速。

(2)采用柔性聯(lián)軸器。由于加工誤差的存在，電主軸、機(jī)械軸、電極棒料、動(dòng)密封機(jī)構(gòu)不可能做到完全同心。不同心就會(huì)產(chǎn)生偏心力，從而引起振動(dòng)，導(dǎo)致設(shè)備轉(zhuǎn)速難以提高。因此，可在電主軸和機(jī)械軸之間、機(jī)械軸和電極棒料之間采用柔性聯(lián)軸器(圖2所示)，利用彈性變形緩和沖擊和吸收振動(dòng)，從而降低不同心問(wèn)題所帶來(lái)的振動(dòng)強(qiáng)度，提高電極棒料工作轉(zhuǎn)速。

圖2 柔性聯(lián)軸器

(3)采用浮動(dòng)輥動(dòng)密封支撐單元，如圖3所示。動(dòng)密封組件是PREP設(shè)備的核心單元，其作用有二：①支撐高速旋轉(zhuǎn)的電極棒料；②在電極棒料高速旋轉(zhuǎn)時(shí)保持霧化室內(nèi)的惰性氣氛。在動(dòng)密封裝置中，電極棒料由三組120°均布的軸承支撐旋轉(zhuǎn)。現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中，動(dòng)密封組件內(nèi)的超高轉(zhuǎn)速軸承支撐體為固定結(jié)構(gòu)，棒料在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中由于不平衡力引起的振動(dòng)將導(dǎo)致電極棒料與軸承間產(chǎn)生“硬碰硬”的直接撞擊，引起設(shè)備各組件產(chǎn)生不同強(qiáng)度的振動(dòng)，導(dǎo)致電極棒料轉(zhuǎn)速難以達(dá)到設(shè)定值。軸承支撐單元必須采用浮動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得電極棒料在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)由于不平衡產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，浮動(dòng)輥動(dòng)密封支撐單元在徑向方向上產(chǎn)生位移，不會(huì)發(fā)生“硬碰硬”的現(xiàn)象，對(duì)高轉(zhuǎn)速的電極棒料不產(chǎn)生類似于傳統(tǒng)動(dòng)密封支撐單元的極大阻力。

圖3 浮動(dòng)輥動(dòng)密封裝置

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了電極棒料直徑和電極棒料轉(zhuǎn)速兩個(gè)因素對(duì)粉末粒徑的影響：轉(zhuǎn)速升高或者直徑變大，粉末粒徑變細(xì)。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)長(zhǎng)期工作實(shí)踐，提出了提高PREP設(shè)備工作轉(zhuǎn)速的三種途徑，即提高電極棒料加工精度、采用柔性聯(lián)軸器和采用浮動(dòng)輥動(dòng)密封支撐單元。