气雾化参数对304不锈钢3D打印专用粉末粒径的影响*

朱晓飞， 周 舸， 李正元， 陈立佳

(沈阳工业大学 材料科学与工程学院， 沈阳 110870)

3D打印技术是“增材制造技术”的俗称，该项技术作为新一轮科技革命和产业变革中的代表性和颠覆性技术，受到世界各国的高度重视.3D打印技术是通过计算机三维辅助设计，实现材料逐层累加，是一种“自下而上”的先进成型制造方法.与传统方法相比，3D打印技术具有材料利用率高、适应性好、精度高、复杂结构零件一次性成型等特点.近年来，在国内外学者及相关研究机构的广泛关注与大力推进下，该项技术的发展与应用不断取得突破，在军工武器装备制造、新能源汽车、医疗器械等领域展现出良好的应用前景[1-2].虽然国内3D打印产业从原材料、工艺、成形设备多点发力，逐步形成较为完善的产业链，但高性能3D打印专用粉末基本依赖进口，国内尚无法完成稳定、低成本的生产制造，严重影响国内3D打印制造产业的发展.

304不锈钢(AISI304)是按照美国ASTM标准生产出来的一个牌号系列，主要合金元素为Cr和Ni，是一种典型奥氏体不锈钢.304不锈钢合金在具有良好综合力学性能的同时，还具备较好的抗高温(温度大于500 ℃)氧化性，目前广泛应用于工业、医疗器械、民用家居装饰业等领域，其产量和用量占到我国不锈钢总量的50%以上[3-5].随着应用领域的不断扩展与服役条件的日趋苛刻，304不锈钢零件结构设计要求也逐渐提高.为了能够实现复杂零件的一次性近净成型，3D打印技术已成为目前304不锈钢成型制造领域的研究重点与热点.众所周知，金属材料3D打印过程本质上为金属粉末的熔化与逐层凝固的过程，因此，金属粉末的粒径尺寸、球形度、氧氮含量、综合物理性能等因素会对3D打印成型性能起到重要影响.其中，粉末粒径的影响最为明显，具体表现为：当粉末粒径区间分布较大时，3D打印成型工艺可调性较差；
当粉末粒径区间分布较窄时，成型工艺可调性显著增加[6-9].覃思思等[10]自行研发设计了双层雾化喷嘴并制备出球形度高、粉末粒径约为40 μm且符合3D打印要求的304L不锈钢粉末.陈岁元等[11]利用EIGA法制备了激光3D打印用TC4合金粉末，研究了雾化气压对粉末收得率、粒径、形貌、流动性和空心率等特征的影响.国内外学者[12-14]系统研究了316L不锈钢粉末SLM成型技术，零件致密度可以达到99%，然而，粉末制备过程中细粉收得率均小于25%.

目前有关粉末粒径分布峰值区间与气雾化工艺之间的影响规律以及通过工艺参数控制提高细粉收得率的相关研究罕见报道.本文采用EIGA气雾化方法，系统研究了304不锈钢粉末制备过程中气雾化压力、加热功率、进给速度对其粒径的影响，探讨提高细粉收得率的途径，确定最佳气雾化工艺参数，从而为改进304不锈钢高性能3D打印专用粉末制备技术提供理论支撑.

试验材料为铸态304不锈钢棒材，合金化学成分如表1所示.棒材加工尺寸如图1所示(单位：mm).

表1 304不锈钢化学成分(w)Tab.1 Chemical composition of 304 stainless steel (w) %

图1 棒材加工尺寸示意图Fig.1 Schematic diagram of machining dimension of rod specimen

利用JIGA-2型真空气雾化制粉设备开展不同工艺制度下的EIGA法304不锈钢粉末制备工艺试验.试验分为如下三个阶段：1)保持气雾化压力(4 MPa)和加热功率(30 kW)不变，设定进给速度为0.04、0.05和0.06 mm/s；
2)保持进给速度(0.05 mm/s)和气雾化压力(4 MPa)不变，设定加热功率为27、30和33 kW；
3)保持加热功率(30 kW)和进给速度(0.05 mm/s)不变，设定气雾化压力为4、5和6 MPa.分别研究上述试验过程中工艺参数对304不锈钢粉末粒径的影响.

根据GB/T 5314-2011对所制备的304不锈钢粉末进行化学元素成分分析，按照GB/T 19077.1-2008利用BETTERSIZE 2000型激光粒度仪进行粉末粒径与粒度分布测试与分析，采用GeminiSEM 300型场发射扫描电子显微镜对粉末形貌进行观察与表征.

2.1 加热功率的影响

图2为当进给速度为0.05 mm/s、气雾化压力为4 MPa时，气雾化加热功率与304不锈钢粉末粒径之间的关系曲线.由图2可见，随着气雾化加热功率的提高，304不锈钢粉末D10、D30、D50、D70、D90均呈现出先减小后增大的变化趋势，但粉末粒径变化不大.当加热功率为27 kW和33 kW时，粉末粒径较为接近，而当加热功率为30 kW时，粉末粒径略微减小.通常状态下采用平均粒径D50表征不锈钢的粉末粒径，当粒径整体分布趋势接近时，D50越小，粉末整体粒径越细.

图2 气雾化加热功率与粉末粒径的关系Fig.2 Relationship between atomization heating power and powder particle size

气雾化制粉是一个包括金属熔化、金属液破碎和重新凝固的复杂过程，主要涉及热量交换和能量转换.因此，当研究加热功率对304不锈钢粉末粒径的影响时，必须从能量耗散与再分配角度出发，充分考虑金属液气雾化破碎过程中雾化气体动能与金属熔体表面能之间的转换关系.沈英俊等[15]根据上述理论推导出金属粉末气雾化平均粒径公式为

(1)

式中：C为常数；
ρm为金属熔体密度；
σm为金属熔体表面张力；
vg为气雾化气体流速；
Gm为金属熔体的质量流量；
Gg为雾化气体的质量流量.

定义GMR=Gg/Gm为气液流量比，则式(1)可变换为

(2)

金属熔体表面张力与温度的关系可以表示为

(3)

式中：M为金属熔体的摩尔质量；
Tc为临界温度；
K为常数；
T为温度.

将式(3)代入式(2)可得

(4)

由式(4)可见，粉末粒径随温度的减小呈现出先减小后增大的趋势.当T增大且小于Tc时，Tc-T值减小，粉末粒径减小；
当T增大并高于Tc时，Tc-T绝对值增大，此时出现过热现象，粉末粒径增大.本文金属熔体温度由加热功率控制，这与图2中304不锈钢粉末粒径随着加热功率的增大呈现出先减小后增大的规律相吻合.

2.2 工件进给速度的影响

根据GMR的定义式，计算得到本文GMR值分别为0.4、0.5和0.6.图3为当气雾化压力为4 MPa、加热功率为30 kW时，304不锈钢粉末粒径与GMR值间的关系曲线.

图3 粉末粒径随气液流量比的变化Fig.3 Variation of powder particle size with gas-liquid flow ratio

由图3可见，304不锈钢粉末粒径随着GMR值的增大而减小，D50值介于125.3～165.9 μm.与图2中D50值相比，粉末粒径未发生较大波动.一般而言，当提高进给速度时，粉末粒径显著降低，有利于提高细粉收得率.但进给速度需要与加热功率相配合，当进给速度增加幅度较大而加热功率较小时，会出现金属熔化不均匀、金属液滴下落不稳定等现象，从而严重影响粉末球形度，出现卫星球或凹坑，甚至会出现金属液滴堵塞雾化器而造成的金属液滴返喷现象(见图4).因此，当在合金熔化过程中设定进给速度时，需要考虑其与加热功率相匹配的问题.对于304不锈钢而言，当进给速度为0.06 mm/s时，细粉收得率较高，且与加热功率匹配较好.

2.3 真空气雾化压力的影响

图5为不同真空气雾化压力对304不锈钢粉末粒径分布的影响曲线.由图5可见，随着气雾化压力的增大，304不锈钢粉末粒径分布曲线发生了明显整体左移现象，表明在气雾化制粉过程中当加热功率、进给速度不变时，随着气雾化压力的增大，304不锈钢粉末粒径减小，细粉收得率增加.

金属熔体气雾化过程伴随着熔滴的破碎与再凝固，该过程将导致熔体表面积增加.对于球形液滴而言，当熔滴总质量不变时，其比表面积随着直径的减小而增大.假设忽略该过程中温降对表面张力的影响，则表面能与比表面积成正比关系[15]，因此，比表面能可以表示为

图4 不同气液流量比下粉末表面SEM图像Fig.4 SEM images of powder surface under different gas-liquid flow ratios

图5 粉末粒径分布曲线Fig.5 Distribution curves of powder particle size

(5)

式中：Dm为金属液滴直径；
L为常数.将304不锈钢的密度(7.93 g/cm3)代入式(5)，结合图5结果，可以获得304不锈钢粉末制备过程中粉末粒径与液滴比表面能的关系曲线，结果如图6所示.

图6 液滴比表面能随粉末粒径的变化Fig.6 Variation of specific surface energy of liquid drops with powder particle size

由图6可见，304不锈钢液滴的比表面能随其粒径的增大而减小.当粉末粒径小于10 μm时，比表面能较大；
在粉末粒径处于0～25 μm范围内时，比表面能随粒径的增大迅速下降；
当粉末粒径大于30 μm时，比表面能降低趋势较为平稳.比表面能的增大有利于金属液滴的凝固，对其凝固过程中的破碎效应具有积极促进作用.同时，通过对比不同气雾化压力的影响可知，304不锈钢液滴的比表面能随着气雾化压力的增大而增大.因此，对于304不锈钢而言，提高气雾化压力、增加金属液滴的比表面能是控制粉末粒径尤其是提高细粉收得率的重要途径之一.

2.4 粉末制备最佳气雾化参数

304不锈钢3D打印专用粉末粒径分布区间的要求较为严格，通常需要介于45～55 μm之间.根据以上研究结果可以获得304不锈钢3D打印专用粉末制备的最佳工艺参数，结果如表2所示.

表2 粉末制备最佳工艺参数Tab.2 Optimal technological parameters for power preparation

图7为采用EIGA气雾化方法在最佳工艺参数下获得的304不锈钢3D打印专用粉末的粒径分布曲线.由图7可见，在最佳工艺参数下304不锈钢粉末粒径峰值分布区间为30～80 μm，细粉(粒径45～55 μm)收得率约为35%～40%.在最佳工艺参数下304不锈钢粉末的形貌如图8所示.由图8a可见，在最佳工艺参数下304不锈钢粉末整体球形度较好，且卫星球数量较少.由图8b可见，在最佳工艺参数下单个粉末球形度较好，未出现如图4中所示的凹坑缺陷，这说明最佳工艺参数中气雾化压力、加热功率与气液流量比的匹配度较好.因此，该最佳工艺制度能够满足304不锈钢3D打印专用粉末对粒径分布以及粉末球形度等方面的要求.

图7 最佳工艺参数下粉末粒径分布曲线Fig.7 Distribution curve of powder particle size under optimal technological parameters

图8 粉末表面SEM形貌Fig.8 SEM images of powder surfaces

本文采用EIGA气雾化设备制备出了304不锈钢粉末，通过以上分析可以得到如下结论：

1) 粉末粒径随气雾化压力的增大而显著降低，而加热功率对粉末粒径影响不大.

2) 304不锈钢粉末球形度受进给速度与加热功率的协同影响较大，粉末制备过程时需要充分考虑两个工艺参数的匹配性.

3) EIGA法制备304不锈钢3D打印专用粉末的最佳工艺参数为：加热功率30 kW，气液流量比0.6，气雾化压力6 MPa.最佳工艺参数下304不锈钢3D打印专用粉末的细粉收得率约为35%～40%.