西馬克增材制造技術(shù)研究

文／T. Brune, Y. Wilkens, P. Weiland, J. Odenthal, N. Vogl,·西馬克集團(tuán)

譯／西馬克工程（中國）有限公司

西馬克集團(tuán)增材制造研發(fā)中心，將增材制造產(chǎn)業(yè)的整個(gè)價(jià)值鏈作為研究方向，其研發(fā)制造的霧化粉末設(shè)備，可以生產(chǎn)高品質(zhì)的金屬粉末，具有成本低、效率高的優(yōu)勢。該設(shè)備集成了衛(wèi)星粉防控技術(shù)，極大地降低了不合格粉末顆粒的含量，同時(shí)，通過對霧化過程進(jìn)行CFD 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真(以下簡稱“CFD 仿真”），優(yōu)化了緊耦合噴嘴的設(shè)計(jì)，提高了金屬粉末的性能和收得率。為了確保金屬粉末的質(zhì)量，西馬克集團(tuán)也一直在研究不同粉末的性能，并探索更好的檢測方法。

增材制造研發(fā)中心

西馬克集團(tuán)為增材制造企業(yè)提供先進(jìn)技術(shù)，用以生產(chǎn)高品質(zhì)和高純度的金屬粉末。西馬克集團(tuán)增材制造研發(fā)中心通過不斷努力，對工藝鏈各環(huán)節(jié)的集成積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。尤其是在粉末生產(chǎn)和增材制造工藝上，通過不斷積累的專業(yè)知識(shí)，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性上取得很大提升。目前，增材制造已經(jīng)廣泛應(yīng)用于設(shè)備零部件的生產(chǎn)。研發(fā)中心的核心工作為用霧化系統(tǒng)(圖1）生產(chǎn)高質(zhì)量的金屬粉末，然后將金屬粉末篩選分級和分裝。

粉末霧化設(shè)備將原材料裝入坩堝，在真空或者惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行電感應(yīng)加熱至液態(tài)。更換不同容量的坩堝可改變其產(chǎn)能，最多一次可熔融500kg 原材料。接下來，熔融態(tài)的金屬通過一個(gè)中間包送到霧化裝置，與冷態(tài)或熱態(tài)的惰性氣體一起，通過緊耦合噴嘴完成霧化過程。優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以提高精細(xì)金屬粉末收得率，改進(jìn)顆粒形態(tài)，為此，對霧化工藝過程進(jìn)行CFD 仿真。

為了改進(jìn)顆粒的微觀形態(tài)，金屬粉末霧化設(shè)備配備了一套衛(wèi)星粉防控系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時(shí)集成了粉末分級和分裝等下游工序，可采用多種合金原料來生產(chǎn)高品質(zhì)金屬粉末。

霧化工藝

為了優(yōu)化金屬粉末的質(zhì)量和產(chǎn)量，首先要明確各工藝參數(shù)、霧化參數(shù)對粉末屬性的影響。所謂粉末屬性，就是指粉末的粒度分布、顆粒形狀、體積密度和流動(dòng)性。霧化工藝的仿真，是以液態(tài)金屬和惰性氣體等介質(zhì)作為仿真對象，對量化的動(dòng)態(tài)流體進(jìn)行模擬，從而研究不同參數(shù)對粉末顆粒形態(tài)的影響。

圖1 西馬克金屬霧化粉末設(shè)備

在CFD 仿真分析中，計(jì)算區(qū)域被細(xì)分為很多的可控體積元。通過選取合適的方法，量化并獲得描述流體物理變化過程的非線性微分方程組，進(jìn)而求解數(shù)值。

仿真的難點(diǎn)在于，在溫度范圍從-200 ℃到1700℃的霧化過程中，如何模擬所產(chǎn)生的壓縮超聲波流的極限速度。原因在于并非整個(gè)霧化過程都可通過可控體積元表現(xiàn)出來，液滴成形的物理過程中，典型晶核一般小于1 微米，但是霧化設(shè)備本身會(huì)將其放大6 到7 個(gè)數(shù)量級，造成可控體積元的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。因此，必須建立基于經(jīng)驗(yàn)的亞網(wǎng)格模型才能進(jìn)行金屬液滴成形計(jì)算，類似的方法也用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒等模型上。但遺憾的是這些方法并不能照搬到這個(gè)案例上。為了建立該亞網(wǎng)格模型，我們先用水模型測試加以驗(yàn)證。我們與德國達(dá)姆斯塔特工業(yè)大學(xué)流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)教授共同發(fā)起了一個(gè)研究項(xiàng)目，在合作的第一階段就驗(yàn)證了純氣態(tài)流體的計(jì)算結(jié)果。

圖2 顯示了使用聚焦紋理技術(shù)確定的縱向密度梯度dρ/dy在pin=15 公斤壓力時(shí)，在緊耦合式霧化噴嘴處使用CFD 仿真所得到的梯度對比。對比可知，普朗特-邁耶爾膨脹波、重壓波、自由噴射層、再循環(huán)區(qū)、停滯點(diǎn)和噴射區(qū)等特征現(xiàn)象的數(shù)據(jù)，可重復(fù)性非常好，特別是馬赫盤的位置和沖擊角度的預(yù)測相當(dāng)準(zhǔn)確。

圖2 數(shù)據(jù)對比

液滴成形模型的建立和驗(yàn)證仍在進(jìn)行中，圖3 顯示了已獲得的水基測試設(shè)備的霧化計(jì)算初步結(jié)果。然而，對于水基測試設(shè)備和生產(chǎn)設(shè)備，還需要進(jìn)行額外的計(jì)算和相應(yīng)的試驗(yàn)，以調(diào)整該模型的參數(shù)來適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用。

圖3 不同氣體壓力(空氣)下計(jì)算的水滴尺寸分布形態(tài)

此外，必須對粉末塔中金屬熔滴固化的路徑進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。由于金屬熔滴表面冷卻速度非常快，即使低于熔化溫度，其內(nèi)核仍然是液態(tài)的。液滴只有達(dá)到一定的過冷度和具有一定數(shù)量的晶核之后，才會(huì)發(fā)生相變，釋放熔化熱量，形成凝態(tài)液滴。其目標(biāo)是計(jì)算所得和實(shí)際生產(chǎn)所得的粉末粒度分布在一定偏差范圍內(nèi)。能否實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，則取決于目前計(jì)算流體力學(xué)仿真所能實(shí)現(xiàn)的能力極限。

金屬粉末特征描述

描述增材制造用金屬粉末的質(zhì)量，必須知道與質(zhì)量相關(guān)的粉末特性、所要求的性能特點(diǎn)以及合適的測量方法，后兩個(gè)要求需要做深入研究。大多數(shù)測量方法源自其他技術(shù)領(lǐng)域，因此，在金屬增材制造領(lǐng)域也應(yīng)該建立適用于不同粉末特性的測量方法。西馬克集團(tuán)最新的研究表明，根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，個(gè)別粉末特征描述方法只是部分適用。

粒度分布，作為金屬粉末關(guān)鍵性能特征，它由增材制造(AM）工藝決定。金屬粉末的分類，由集成的篩分和空氣分級工序完成。所獲得的粒度分布實(shí)際狀態(tài)，通過試驗(yàn)室的動(dòng)態(tài)圖像分析來鑒別。

金屬粉末優(yōu)良的流動(dòng)性，對激光粉床熔化成形工藝(LPBF）至關(guān)重要。在粉末沉積過程中，良好的流動(dòng)性(鋪展性）可使鋪出粉層的質(zhì)量足夠薄、光滑，且均勻和致密性好。流動(dòng)性差的粉末在應(yīng)用過程中會(huì)產(chǎn)生問題，并導(dǎo)致粉層不均勻。此外，良好的流動(dòng)性也影響其在增材制造系統(tǒng)中的傳輸。流動(dòng)性的這兩個(gè)方面在文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)化上都沒有很好的區(qū)分開。對于粉末流動(dòng)性的要求，一方面不同的增材制造工藝要求不同，另一方面設(shè)備與設(shè)備的要求也不同。西馬克金屬粉末的良好流動(dòng)行為，在內(nèi)部測試實(shí)驗(yàn)室中可通過測量不同特征數(shù)據(jù)(如霍爾流時(shí)間或豪斯納比）來進(jìn)行監(jiān)測。

顆粒形貌作為粉末的特征，代表了粉末顆粒的平均形狀。激光粉床熔化成形工藝，要求金屬粉末盡可能球形化。隨著粉末顆粒球形度的增加，其流動(dòng)性和相應(yīng)的粉末密度都能得到改善，從而產(chǎn)生工藝上的優(yōu)勢。氣霧化粉末顆粒的形貌與球形略有差異。雖然在制造工藝上可以減少諸如衛(wèi)星粉等顆粒方面的缺陷，但不可能完全避免。

圖4 不銹鋼316L(1.4404) 粉末的 REM 圖像

REM 圖像可以很好地描述粉末的形貌。圖4 是一張由西馬克集團(tuán)生產(chǎn)的316L(1.4404）金屬粉末的圖片。這些粉末顆粒具有高球形度和極少的衛(wèi)星粉數(shù)量。定量地說，粒子的平均形態(tài)可以通過不同的形貌系數(shù)來確定，這些可以用數(shù)學(xué)方法將粒子進(jìn)行投影而計(jì)算出來。西馬克通過動(dòng)態(tài)圖像分析和球形度的計(jì)算，將高球形度金屬粉末的形貌系數(shù)作為技術(shù)指標(biāo)加以監(jiān)控。

為了完整地描述粉末的特性，還需要對其化學(xué)成分、污染物、粉末密度和水分含量等加以描述。

衛(wèi)星粉防控技術(shù)

在霧化過程中，凝固的小粉末顆粒與半凝固大粒子發(fā)生碰撞后，會(huì)粘附在上面而形成衛(wèi)星粉，它是氣霧化金屬粉末中最常見的缺陷。在粉末生產(chǎn)過程中，噴射錐霧中細(xì)小的凝固顆粒由于再循環(huán)效應(yīng)，作為塵埃云從霧化塔的下部回流到霧化區(qū)域，圖5 顯示了內(nèi)部循環(huán)產(chǎn)生衛(wèi)星粉的過程。當(dāng)細(xì)小的凝固顆粒上升到腔室的上部并返回到霧化區(qū)時(shí)，它們會(huì)粘附于正在凝固的大顆粒上。

圖5 衛(wèi)星粉的形成原因

我們增加了衛(wèi)星粉防控系統(tǒng)，該系統(tǒng)作為粉末霧化設(shè)備的模塊化單元，顯著減少了衛(wèi)星粉的形成，使得粉末形貌得以改善。應(yīng)用衛(wèi)星粉防控技術(shù)，產(chǎn)生外部氣流，如圖6 所示，氣流從上方吹進(jìn)霧化塔，因此，在霧化處理腔室中產(chǎn)生自上而下的二次氣流，抑制了腔室內(nèi)細(xì)小顆粒的上升。

圖6 防衛(wèi)星粉系統(tǒng)的作用原理

研究表明，隨著衛(wèi)星粉防控系統(tǒng)氣流的增強(qiáng)，粉末顆粒的形貌得到了改善，衛(wèi)星粉防控系統(tǒng)對粉末性能產(chǎn)生了很好的作用。利用衛(wèi)星粉防控技術(shù)，我們的霧化裝置生產(chǎn)的高品質(zhì)粉，只存在很少量的衛(wèi)星粉。

結(jié)束語

基于研究中心所取得的經(jīng)驗(yàn)，西馬克集團(tuán)不斷優(yōu)化粉末生產(chǎn)工藝，通過積極參與各種項(xiàng)目研究，預(yù)計(jì)未來將能對霧化過程和粉末特性的基本原理和相互關(guān)系有更詳盡的了解和認(rèn)識(shí)。此外，積極開發(fā)新合金粉末，也勢必為金屬粉末在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用帶來更多潛力。