等离子旋转电极法制取AlSi10Mg铝合金粉末工艺的研究
戴 煜1, 2，李 礼1, 2，易志明1, 2，吕 攀1, 2
(1. 湖南顶立科技有限公司，湖南 长沙 410118;
2. 湖南省新型热工装备工程技术研究中心，湖南 长沙 410000)

摘 要：简要介绍了等离子旋转电极工艺（PREP）制粉设备、主要工艺参数和粉末形成机理。研究了AlSi10Mg制粉工艺参数对粉末粒度、粒度分布以及粉体形貌的影响。结果表明，受铝合金高比热容、高热传导系数、高热膨胀系数等“三高”特性的影响，采用PREP法制取AlSi10Mg粉，熔池不易形成，易造成Si、Mg元素的烧蚀，出现大量片状粉末，球形粉末占比减少，且粉末整体球形度与表面光洁度较差；AlSi10Mg电极棒受热膨胀与金属密封环刮擦，产生的铝合金碎屑易引起电极棒“卡死”，影响连续制粉；通过工艺调整与优化，解决了上述技术难题，并成功制取高球形度、表面光洁的AlSi10Mg粉末。
关键词：等离子旋转电极；AlSi10Mg合金；制粉工艺参数；烧蚀；片状粉末；

在“轻量化”、“绿色制造”、“节能降耗”等全球发展战略推动下，产品制造过程中轻合金的用量越来越多[1]。铝合金作为轻合金的首选材料之一，以其优良的物理、化学特性及机械性能，广泛应用于航空航天、轨道交通、轻量化汽车等领域[2]。
选择性激光熔化技术（SLM）是一种新型激光快速成形工艺。应用SLM工艺成形单件、小批次航空航天铝合金制品，在提高材料利用率、实现复杂结构制造、缩短制造周期等方面比传统工艺具有优势[3]。但是，要得到性能优良的铝合金SLM制件，高性能铝合金粉体材料的制备是其主要的难点之一。目前，国内外铝合金粉体材料主要采用的是惰性气体雾化法（AA法）与无坩埚电极感应熔化气体雾化法（EIGA法），粉末存在球形度不高，流动性差（－325目粉末基本不具备流动性），松装密度低等不足，在SLM打印过程中易出现铺粉不均匀、粉末团聚等现象，从而影响最终制品的质量。PREP法制备的粉末球形度高、流动性好、松装密度可达到其致密材料的60%，可有效解决气雾化粉末存在的技术瓶颈。
本文立足顶立科技最新一代等离子旋转电极雾化制粉技术及装备（N-PREP），研究 N-PREP技术制备AlSi10Mg粉末的物理性能，并结合扫描电镜（SEM）、电感耦合等离子体光谱仪（ICP）、X射线荧光光谱仪（XRF）、激光粒度分析仪、N/H/O联合测定仪等技术分析粉末形貌、成分、粒度分布、氧含量等性能，并与气雾化粉末进行了对比，在此基础上进行工艺调整与优化，以便为制备出适用于SLM工艺的高质量AlSi10Mg粉体材料提供技术依据。
1 试验方法
1.1 试验材料
试验使用的AlSi10Mg合金棒材采用离心浇铸的方式制成Φ75×300mm的铸锭，后经过退火处理消除内应力。切除缩孔后经数控车床、磨床加工，最终得到Φ70×285mm的母合金棒料，棒料圆周跳动量小于5个丝（0.05mm）。电极棒的化学成分见表1。
表1 试验用AlSi10Mg母合金电极棒的化学成分（质量分数）/%


1.2 试验设备和主要工艺技术参数
本试验在顶立科技自主研发的PREP-24000型制粉设备上进行，其结构如图1所示。设备主要由以下部分和系统组成：(1)雾化室，高温等离子弧将高速旋转的电极棒端面熔化，形成熔池，液态金属薄膜在离心力的作用下甩出并雾化成小液滴，在快速凝固过程中小液滴冷却并在表面张力的作用下形成球形粉末；(2)等离子体发生器（等离子枪），含有铈钨阴极和水冷铜阳极，用于熔化电极棒；(3)料旋转和轴向移动机械装置，用于电极棒的高速旋转与进给；(4)电动机室，装有测速器、变频箱和电动机，用于旋转电极棒；(5)真空系统，由罗茨泵、滑阀泵、扩散泵、维持泵、检测仪器等组成，为设备工作室和粉罐抽真空； (6)气体系统，用于在制粉过程中为等离子发生器供应形成等离子体的惰性气体等；（7）冷却系统，用于等离子枪等部件的快速冷却；（8）收粉系统，用于成品粉末收集与出料；（9）供电系统；（10）操作间。

图1 新一代等离子旋转电极雾化（N-PREP）制粉设备结构示意图
PREP-24000型制粉设备主要工艺技术参数为：雾化室直径3.2m，雾化室压力120-140KPa，设备功率150KW；电极棒尺寸Φ70×285mm，其最大稳定工作转速22000r/min，惰性气体消耗量约0.008m3/1kg粉末；等离子弧最大电流2000A，电压60V；制粉粒度范围10-280μm，生产率40kg/h。
1.3 试验参数
制粉工艺参数主要依据粉末粒度、粉末性能和生产率所制定的。为研究AlSi10Mg电极棒在不同转速、不同电流强度、不同等离子枪与电极棒间距等条件下粉末粒度、粒度分布、细粉率及粉末性能的特点，其转速分别为8000r/min、12000r/min、18000r/min；其电流强度分别为1000A、1500A以及2000A（电压60V）；其等离子枪与电极棒间距分别为10mm、40mm、70mm。
1.4 粉末性能测试
粉末采用标准筛筛分，并进行粒径分布统计；松装密度及流动性按照国标GB/1479-1984，通过霍尔流量计测得；粉末形貌通过JSM-5600LV型扫描电镜获得；粉末元素通过IRIS Advantage1000电感耦合等离子体光谱仪（ICP）和X射线荧光光谱仪（XRF）分析；粉末粒度分布通过激光粒度分析仪检测；氧等气体杂质含量在LECO TCH600型测定仪上进行检测。

2 试验结果及分析
2.1 AlSi10Mg铝合金特性
表2为几种典型适用于激光选区熔化成形（SLM）材料的部分物理性能，与钛合金、不锈钢等材料相比，铝合金具有较高的比热容、较高的热传导系数、较高的热膨胀系数等“三高”特性，在成形中需要更高的单位体积能量输入；由于铝合金的导热系数高，制粉过程中还需考虑因快速散热形成的异常液膜形态，并及时进行调整与控制；而较高的热膨胀系数，则需要在高速旋转、密封等方面进行改进。
表2 几种典型材料的属性[4-6]


2.2 电极棒转速对粉末性能的影响
根据等离子旋转电极法制备钛合金、不锈钢的经验，在正常的雾化机理下，AlSi10Mg液滴形成的临界条件也应该遵循以下公式：
σπd≤mω2D/2 （1）
其中，σ为液滴表面张力，d为液滴直径、D为电极棒直径、ω为电极棒角速度。
整理可得：
d=（3σ/ρπ2）1/2·（1/n）·（1/D1/2） （2）
其中，ρ为液滴密度、n为电极棒转速。
由公式（2）可知，
等离子旋转雾化制粉粒径与液滴表面张力成正比关系，与液滴密度、电极棒极限转速、电极棒直径成反比关系。根据文献[7-8]记载的铝的表面张力数值，获得AlSi10Mg粉末粒径的近似理论计算公式：
d=1.727×107/[n·D1/2] （3）
由公式（3）可得到Φ70mm的AlSi10Mg电极棒，在8000r/min、12000r/min、18000r/min的粉末平均粒径分别为257.9μm、171.9μm和114.6μm。实际制粉获得的粉末经筛分处理后，统计如表3所示，与理论计算值基本吻合。
表3 不用转速条件下粉末粒度分布


实际制粉过程中，引弧的初始阶段经常伴随着大量片状粉末的出现（等离子弧电流2000A），并且集中在+40目的粒度范围内，如图2所示。片粉产生的原因，需从雾化机理上进行分析。根据大量研究试验表明[9]，在不同条件下，液体在旋转元件上存在3种不用的雾化机理，即：液滴形成机理（DDF），在DDF机理下，粉末颗粒一般为球形；液线破碎机理（LD），在LD机理下，液线破碎后会产生椭球形颗粒；液膜破碎机理（FD），在FD机理下，因液膜极不稳定，其破碎后易形成不规则的片状粉末。通常随着电极棒转速的提高或电流强度的增大，雾化机理逐渐由DDF转变为FD。从表3中可以发现，在相同电流的情况下，降低转速，片状粉末的含量从18000r/min的14.16%降低到了8000r/min的3.35%，表明降低转速，能够有效抑制片状粉末的产生，雾化机理由高转速下非稳态的FD机理转变为较稳定的DDF或LD机理。



图2 PREP法制取AlSi10Mg粉末中夹杂片状粉末的形貌

图3分别是AlSi10Mg铝合金、TC4钛合金剩余料头的形貌图（等离子弧电流2000A）。从图3(a)中可以看出，正常TC4钛合金在化粉过程中会形成熔池，雾化机理基本介于稳定的DDF与LD之间，因此很少出现片状粉末（不足0.2%）；从图3(b)中发现，AlSi10Mg电极棒在雾化过程中，中间凸起，很难形成像图3(a)所示的熔池。其原因是AlSi10Mg受到自身高比热容（钛合金的2倍），高热传导系数（钛合金的25倍，不锈钢的7倍）特性的影响，雾化过程中类似于陨石进入大气层：引弧的瞬间，AlSi10Mg电极棒中部迅速升温，但在自身比热容比较大的情况下，中部不会瞬间熔化，在极高的自身热传导率的作用下，边缘部分迅速升温达到熔点，在旋转与进给同时发生时，等离子弧相当于大气层，电极棒端面相当于进入大气层的陨石，在等离子弧高温冲击下，电极棒端面迅速瓦解，并逐渐剥离成中间凸起，两边凹陷的形状。此时，电极棒端面的雾化机理是不稳定的，并存着DDF、LD以及FD 3种机理，因此在引弧的瞬间，我们可以在雾化室内清晰的观察到片状粉末与球形粉末的出现。




图3 不同材质电极棒在PREP工艺后形成的端面形貌示意图
(a) TC4; (b) AlSi10Mg
图4是AlSi10Mg电极棒停机卡死的示意图。从图4中可以看出，采用常规的PREP法制备AlSi10Mg粉末，电极棒易出现停机后卡死的现象。经停机检查，造成电极棒卡死的直接原因是电极棒与金属密封环之间存在白色的填充物，检测后发现是AlSi10Mg的碎屑。碎屑产生的原因有两个，其一是雾化过程中，炉内压力为微正压，片状粉末在微压力的作用下吹入电极棒与金属密封环之间，慢慢堆积造成电极棒的卡死；其二是AlSi10Mg合金热膨胀系数大，热传导系数高，端部温度迅速传递到电极棒后端造成电极棒直径方向尺寸变大，而电极棒本身材质较软，硬度低（里氏硬度314HL），从而造成电极棒与金属环发生摩擦，电极棒表面刮擦下来的碎屑慢慢在电极棒与金属密封环的间隙处堆积，造成电极棒停机后卡死。


图4 AlSi10Mg电极棒停机卡死结构示意图
针对上述情况，进行了问题的逐一排查。其一是开启气帘保护系统，在电极棒与金属密封环的内部形成1MPa的气帘保护，用以阻隔炉内片状粉末的进入，但是并没有解决电极棒停机卡死的问题。因此，片状粉末进入金属密封环与电极棒间隙不是引起电极棒卡死的原因。拆卸金属密封环后发现，AlSi10Mg电极棒外表面与密封环内侧均出现磨损的现象，如图5所示。在更改金属密封环与电极棒的配合公差后，成功解决了电极棒停机卡死的问题。



图5 电极棒及金属密封环磨损后结构示意图
2.3 电流大小对粉末性能的影响
电流大小反映等离子枪的能量。在电流强度分别为1000A、1500A以及2000A（电压60V）条件下，分别对AlSi10Mg的PREP制粉过程进行了研究。研究发现，随着电流的增大，片状粉末的比例也随之增加。这是因为随着电流强度的增大，等离子枪的能量愈大，一方面能量过大易造成AlSi10Mg熔池产生紊乱的液流，形成片状粉末；另一方面能量密度过大，易造成Al、Si、Mg等低沸点元素的部分烧蚀。
表3为电流1000A、1500A、2000A时，片状粉末与球形粉末的电感耦合等离子体光谱分析结果。从表3中可以看出，在2000A的大电流下，Si、Mg元素烧蚀严重，其中Si元素的烧蚀最为厉害，从电极棒含量的10.1%降低至片状粉末的3.10%。球形粉末中Si元素的含量降低至8.51%。降低电流，Si、Mg元素的烧蚀量急剧减少，片状粉末的比例也随之下降。Si元素的存在有利于粉末球化，Si元素的烧蚀也是产生片状粉末的原因之一。
表4 不同电流下片状粉末与球形粉末元素含量/%


2.4 等离子枪与电极棒间距对粉末性能的影响
试验表明，对于转移弧模式工作的等离子枪而言，等离子束的有效热功率与电极棒端部的距离有关。等离子枪与电极棒间距越小，等离子弧的电流就越大，等离子束的有效热功率就越高。如等离子枪与电极棒间距缩短为10mm时，对应的等离子弧电流为2000A；逐渐拉大等离子枪与电极棒间距，达到40mm时，等离子弧电流为1500A左右；当等离子枪与电极棒间距达到70mm时，等离子弧电流一般低于1000A。为了控制AlSi10Mg雾化过程中不出现片状粉末，等离子枪与电极棒的间距不宜太小，但也不能过大，过大容易造成引弧困难。经过试验验证，一般认为AlSi10Mg雾化过程中，等离子枪与电极棒间距保持在70-80mm为宜。
3 PREP法制取AlSi10Mg粉末工艺参数的优化
3.1 电极棒转速的确定
转速过快，AlSi10Mg粉末的雾化机理一般会从DDF或LD机理模式直接转换为FD机理模式，产生大量的片状粉末。但是转速过慢，影响-325目细粉的收得率，不利于SLM领域的应用。基于上述原理，将初始电极棒转速设定为6000r/min，在成功引弧的瞬间，10秒内将转速逐步提升至22000r/min。
3.2 等离子弧电流大小的确定
等离子弧电流过大，一方面能量过大易造成AlSi10Mg熔池产生紊乱的液流，形成片状粉末；另一方面能量密度过大，易造成Al、Si、Mg等低沸点元素的部分烧蚀。因此必须控制初始等离子弧电流大小，一般控制在800-1000A较为合适。
3.3 等离子枪与电极棒间距的确定
等离子枪与电极棒间距影响的是等离子弧电流的大小。为了能够较好的控制等离子弧初始电流，等离子枪与电极棒初始间距保持在70-80mm之间较为适宜。
3.4 雾化介质的确定
现阶段，俄罗斯等国采用PREP法制备合金粉末，雾化介质均为氩气与氦气的混合气体，其中氩气主要作用是产生等离子弧，用于熔化电极棒；氦气主要起快速冷却作用。本研究一直采用的高纯Ar进行雾化试验，后期可采用高纯氩气与氦气的混合气体，气体比例为30%Ar+70%He，工作压力130KPa进行AlSi10Mg雾化试验验证。
3.5 金属密封环的优化
鉴于AlSi10Mg因热膨胀，硬度低等特性造成的电极棒与金属密封环卡死的问题，从三方面进行着手改进。第一是将金属密封环重新设计内部公差配合，并进行打磨抛光处理，使其内表面精度达到2个丝（0.02mm）；第二是将现有金属密封环材质更换为与电极棒同材质的铝合金，减少磨损；第三是将AlSi10Mg表面进行热处理，提高硬度。
3.6 工艺参数优化后的实际生产效果
图6为PREP工艺参数优化前后，球形AlSi10Mg粉末SEM照片。由图6(a)可知，工艺优化前，采用PREP法制备的粉末球形度较差，表面光洁度不高，并存在粘接粉、卫星粉的现象。工艺优化后，采用PREP法制备的粉末具有球形度高、伴生颗粒少、无空心/卫星粉、流动性好、高纯度、高松装密度、低氧含量、粒度分布窄等优势，是SLM等3D打印工艺的理想材料。



图6 改进前后AlSi10Mg粉末的SEM图
(a) 改进前; (b) 改进后
4 结论
1、对于AlSi10Mg合金，粉末粒度的平均值与电极棒直径和转速之间的关系由 d=1.727×107/[n·D1/2]表示，理论计算公式与实测值吻合较好；
2、PREP法制取AlSi10Mg合金过程中，为有效避免片状粉末的出现，初始电极棒转速不能过大，最佳的电极棒转速应从初始6000r/min逐步提升至18000r/min；
3、PREP法制取AlSi10Mg合金过程中，为避免出现紊乱的雾化机理，缓解Si、Mg元素的烧蚀，初始等离子弧电流不能太大，最佳的初始等离子弧电流在800A-1000A之间；
4、等离子枪与电极棒端面与等离子弧电流强度成反比关系，等离子枪与电极棒端面越近，等离子弧电流强度越高。PREP法制取AlSi10Mg合金过程中，为避免片状粉末的出现，同时有效控制熔池的形状，等离子枪与电极棒端面的间距控制在70-80mm为宜；
5、重新设计金属密封环内环的配合公差与加工工艺或更换金属密封环的材质或通过热处理方式提高电极棒表面硬度，均可有效解决AlSi10Mg电极棒在高速旋转过程中因为磨损产生的碎屑导致电极棒与金属密封环卡死的问题；
6、通过工艺优化，顶立科技成功解决了用PREP法制备AlSi10Mg粉末的技术难题，制备的AlSi10Mg粉末是SLM等3D打印工艺的理想原材料。