針對船舶與核工業高溫耐蝕服役需求的Ti31鈦合金增材制造粉末定制化研究：深度剖析無坩堝EIGA高壓氣流破碎與PREP高速離心霧化熱流體動力學差異對粉末粒徑級配、表面氧化及內部氣孔的決定性作用

增材制造技術是一種通過軟件與數控系統將材料逐層堆積制備零部件的先進制造技術[1]，該技術的核心特點為數字化驅動、設計自由度高，能夠突破傳統減材及等材制造方式的局限，實現復雜結構零部件的一體化成形，無需定制模具，簡化了制造流程，縮短了設計與生產周期，具有較高的材料利用率，降低了制造成本和風險[2]。

金屬零件增材制造中，原材料粉末的性能是影響打印零件質量的關鍵因素之一。高球形度、良好流動性、高純凈度、低空心粉率等粉末特性，是增材制造用鈦合金粉末的重要技術指標[3-5]。現階段，鈦合金粉末的制備方法[6-8]主要為電極感應熔煉惰性氣體霧化技術(electrode induction gas atomization, EIGA)及等離子旋轉電極離心霧化技術(plasma rotating electrode process, PREP)，在制粉過程中不使用坩堝裝盛合金電極棒，有效避免了坩堝與熔體發生反應，因而能夠降低粉末中N、H、O等雜質元素含量。兩種霧化制粉方法在原理上存在差異，EIGA使用高頻感應線圈加熱合金電極棒，電極棒前端熔化后形成的熔滴落入霧化室，在高速高壓霧化氣流的沖擊作用下，破碎霧化成不同尺寸的金屬液滴，隨后凝固為金屬粉末[9-10]；PREP使用等離子槍將高速旋轉的合金電極棒末端熔化，熔體在離心力作用下旋轉甩出，在熔體的表面張力作用下，破碎霧化成細小的球狀液滴，并在惰性氣體冷卻介質中凝固成球形粉末[11]。

迄今，國內外關于鈦合金粉末制備及打印試樣性能的研究主要集中于TC4合金及TA15合金等增材制造常用鈦合金，例如，Guo等[12]驗證了EIGA制備的TC4合金粉末性能良好，適用于3D打印；蔣保林等[13]研究了霧化制粉參數對TA15合金粉末性能的影響規律，獲得了最優的霧化氣體壓力及熔煉功率。Ti31鈦合金是一種耐高溫、耐腐蝕、抗氫脆的Ti-Al-Mo-Ni系近α型鈦合金，主要應用于船舶、核工業等領域300~400 ℃高溫環境下的熱交換器、泵體、管座等部件，現階段應用形式主要為鍛件、板材、管材，對于Ti31鈦合金粉末制備及其打印試樣性能的研究報道較少。

本文采用EIGA及PREP制備了Ti31粉末，并對粉末性能進行了分析。此外，對選區激光熔化(selective laser melting, SLM)技術打印的Ti31試樣性能進行了研究，并與鍛件指標進行對比分析，為激光增材制造Ti31合金的研究提供參考。

1、試驗

1.1 材料及設備

粉末制備分別采用EIGA法和PREP法，EIGA法采用的合金棒料直徑為45 mm，長度為760 mm；PREP法采用的合金棒料直徑為50 mm，長度為700 mm。

基于TC4與TA15合金粉末制備工藝基礎，根據Ti31合金成分對工藝參數進行調控，確定的Ti31粉末制備參數如表1和表2所示。EIGA法使用的制粉設備為EIGA-50，PREP法使用的制粉設備為PREP-30000。

表1 EIGA制粉工藝參數

表2 PREP制粉工藝參數

采用振動篩分法對制得的粉末在惰性氣體保護下進行粒度分級，篩分后獲得粒徑為15~53 μm的Ti31粉末。采用選區激光熔化(SLM)制備Ti31試樣，SLM設備為MT-450，打印基板為TC4鈦合金，打印前對基板表面進行清洗、干燥。工藝參數如表3所示。成形掃描策略為帶狀掃描，相鄰層間旋轉67°，掃描策略示意圖如圖1所示，z軸方向為成形方向。Ti31打印試樣經過固溶處理，工藝為800 ℃保溫2 h后空冷至室溫。

表3 SLM制備Ti31試樣工藝參數

1.2 測試方法

采用FEI Verios 460掃描電子顯微鏡(SEM)表征Ti31粉末的形貌；采用Leica DMI 8C金相顯微鏡檢測粉末的空心粉率；采用Master sizer 3000激光粒度分析儀、Winner 99E顆粒圖像測試儀、BT-200霍爾流速計、BT-101/102多功能粉末物性測試儀測試粉末的粒徑分布、球形度、流動性、松裝密度和振實密度；采用Plasma 2000電感耦合等離子體原子發射儀、CS-2000碳硫分析儀、ONH-3000氧氮氫分析儀檢測粉末的化學成分；采用Advance型X射線衍射儀(XRD)對Ti31合金粉末進行物相分析。

對SLM打印試樣進行化學成分檢驗，所采用的檢測設備與粉末化學成分的檢測設備一致；采用金相顯微鏡觀察Ti31試樣的成形質量，樣品取自x-y截面，拋光至鏡面后觀察有無氣孔、未熔合、裂紋等缺陷。采用美斯特E45.105萬能拉伸試驗機對熱處理后的Ti31打印試樣開展室溫拉伸實驗，拉伸試樣取自x成形方向，測試參照GB/T 228.1—2021，拉伸試樣尺寸如圖2所示。

2、結果與討論

2.1 Ti31鈦合金粉末形貌

采用EIGA法及PREP法制備的Ti31粉末形貌如圖3所示，兩種方法制得的粉末主要呈球狀，EIGA法制備的粉末中存在團聚現象，且存在少量不規則的衛星粉末，而PREP法制備粉末表面更加光滑且球形度更高。粉末形貌的差異主要是由于霧化原理不同，EIGA制粉過程中，熔滴的凝固速率受熔滴尺寸影響，尺寸較小的熔滴優先凝固，尺寸較大的熔滴在凝固過程中受到惰性氣流沖擊，與已凝固的小尺寸顆粒發生碰撞，局部粘連形成類似衛星狀的粉末，故而粉末形貌較差[14]。PREP制粉過程中，熔化的局部熔體受到高速旋轉而被直接甩出，形成細小熔滴，熔滴在甩出過程中運動軌跡規律，具有形成球體的趨勢，且熔滴之間不受氣體流場影響，故而粉末球形度較高[15]。

2.2 Ti31鈦合金粉末基礎性能

將EIGA與PREP制得的Ti31粉末在惰性氣體保護中進行篩分，得到粒徑在15~53 μm范圍內粉末，分析粉末的粒徑分布，結果如表4所示。相比PREP粉末，EIGA粉末中值粒度D??更小，其D??、D??均更細，說明EIGA工藝更利于制備細粉。

表4 Ti31粉末粒徑分布　μm

EIGA粉末中空心粉率較高，是由于在EIGA制粉過程中，高壓氣體因沖擊金屬熔滴而卷入到熔滴內部，細小的熔滴快速凝固，使得氣體未及時逸出，最終以氣孔的形式滯留于冷卻成形的粉末內，形成空心粉[17]。而在PREP制粉過程中，氬氣作為保護氣體和冷卻氣體，卷入到熔滴內部的概率較低，且熔滴凝固速度相對較慢，氣體在粉末冷卻前有較充足的時間得以逸出，因而空心粉較少。

采用EIGA法及PREP法制備的Ti31粉末球形度、流動性、空心粉率、松裝密度、振實密度等性能如表5所示。相比于EIGA粉末，PREP粉末具有更好的流動性，兩種粉末松裝密度差異不大。粉末的流動性很大程度取決于粉末形貌，通常，粉末球形度越高，其流動性越好，更有利于在SLM成形過程中均勻鋪粉[16]。而球形度較低的粉末則流動性較差，導致鋪粉不均勻，影響打印試樣的成形質量。

表5 Ti31粉末性能

2.3 Ti31鈦合金粉末成分

采用EIGA法及PREP法制備的Ti31粉末化學成分如表6所示，兩種方法制得的粉末N、H、O含量均較低，屬于潔凈制粉[18]。EIGA粉末中O含量比PREP更高，原因主要有兩方面，一是制粉過程中，Ti31合金為熔融狀態，O通常以原子或離子形式存在，EIGA粉末因具有更小的粒徑而具有較大的表面積，與霧化氣體中殘余的氧接觸反應更充分，導致粉末中O含量增加更多。二是在PREP制粉過程中，霧化氣體僅作為保護氣體及冷卻氣體，而在EIGA制粉過程中，霧化氣體因沖擊金屬熔滴而與熔滴充分接觸，引入更多氧氣，導致EIGA粉末中氧含量更高。

表6 Ti31粉末化學成分(質量分數)　%

2.4 Ti31鈦合金粉末物相

通過X射線衍射(XRD)分析對比EIGA法及PREP法制備的Ti31粉末物相組成，結果如圖4所示。兩種方法制備的Ti31粉末中的相結構主要為α-Ti密排六方晶體結構，無顯著差異，即制粉方法不改變Ti31粉末的物相組成。

2.5 SLM打印Ti31試樣化學成分

采用SLM制備Ti31試樣，并對兩種粉末所制備試樣的化學成分進行分析，如表7所示。與表6中粉末化學成分對比，SLM試樣中，各合金元素成分輕微波動，均滿足Ti31鈦合金的標準成分要求(見表6)。相比于Ti31粉末的化學成分，Ti31打印試樣中的O含量有所增加，主要原因是即使在惰性氣體(氬氣，體積分數大于等于99.999%)中成形，SLM過程中激光瞬間熔化粉末形成極高溫熔池，與周圍微量的氧氣發生反應形成氧化物。

表7 SLM打印Ti31試樣化學成分(質量分數)　%

2.6 SLM打印Ti31試樣成形形貌

通過金相顯微鏡觀察Ti31試樣的成形質量，如圖5所示，EIGA粉末及PREP粉末與SLM工藝具有良好的適配性，SLM-EIGA與SLM-PREP Ti31試樣中存在少量微孔洞，但尺寸均小于30 μm，且未發現未熔合、裂紋等缺陷，打印試樣的整體致密度較高，具有較好的成形質量。

2.7 SLM打印Ti31試樣室溫拉伸性能

采用EIGA法及PREP法制備的Ti31粉末，通過SLM方法制備Ti31打印試樣。對試樣開展室溫拉伸試驗，試驗結果如圖6所示。兩種Ti31試樣拉伸性能均達到Ti31鍛件指標。EIGA粉末制成的試樣具有更高的抗拉強度與屈服強度，PREP粉末制成的試樣具有更優異的斷后伸長率及斷面收縮率。

3、結論

(1) EIGA法與PREP法制備的Ti31粉末N、H、O等非金屬元素含量較低，滿足設計要求；

(2) PREP法制得的Ti31粉末比EIGA粉末球形度更高，流動性更好，空心粉率更低；

(3) EIGA法與PREP法制備的Ti31粉末主要物相均為α-Ti密排六方晶體結構；

(4) 以EIGA法與PREP法制備的Ti31粉末，開展SLM增材試驗，所制得的Ti31打印試樣室溫拉伸性能均滿足Ti31鍛件性能指標，驗證了Ti31粉末與SLM工藝的良好適配性。EIGA試樣具有更高的抗拉強度與屈服強度，PREP試樣具有更優異的斷后伸長率與斷面收縮率。

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（注，原文標題：制粉方法對增材制造用Ti31鈦合金粉末的影響_蓋欣）