3D打印粉末生产用等离子旋转电极雾化制粉机

孙念光，陈斌科，向长淑, 朱纪磊

(西安赛隆金属材料有限责任公司， 陕西 西安 710005)

0 前言

等离子旋转电极雾化制粉机(PREP)是基于旋转离心雾化原理的金属粉末生产设备。该设备生产的金属粉末具有球形度高、流动性好、夹杂含量低、少无卫星粉等优点，已经在核工业、航空航天和生物医疗等领域获得了重要应用。近年来随着金属增材制造等新技术产业的迅速发展，PREP制粉机作为高品质金属粉末的重要生产装备受到更广泛的关注，然而传统的PREP制粉机受制于设备工作转速、电极棒直径等技术瓶颈，生产的金属粉末粒径集中在20～250 μm。以钛合金TC4粉末为例，目前粒径小于100 μm的粉末收得率不足40%，较粗的粉末粒径限制了PREP技术在以粉末熔化成形的3D打印技术(粉末粒径集中在10～105 μm)领域的应用[1]。西安赛隆自主研发的新一代大功率立式等离子旋转电极雾化(SL-PREP)制粉机，主要用于细粒径、难熔金属粉末的批量生产，将解决目前我国金属增材制造成形生产用中细粒径(粒径<105 μm)粉末基本依赖进口的局面。

1 设备组成和成形工艺

大功率立式等离子旋转电极雾化制粉机主要由惰性气体供给系统、真空系统、伺服送进机构、等离子枪、雾化室、电极棒、动密封机构、旋转驱动机构、收粉罐、支架等组成，如图1所示。等离子枪位于电极棒的正上方，与棒料旋转机构同轴装配。

图1 大功率立式等离子旋转电极雾化制粉机

粉末制备的工作步骤：

(1)高纯度金属棒料机加工成自耗电极棒，电极棒一端旋入旋转驱动机构连接头内；

(2)开启真空系统对工作腔室抽真空，使得雾化室的真空度达到5×10-3Pa；

(3)开启惰性气体供给系统向雾化室内充入氩气，使雾化室内惰性气氛压力为0.04～0.08 MPa；

(4)启动高速旋转驱动机构，带动电极棒以15 000～18 000 r/min速度高速旋转，安装在雾化室下端的动密封机构能够保证制粉过程雾化室内相对稳定的惰性气体压力，为高纯净度粉末的生产提供保护；

(5)开启等离子枪产生高温等离子火炬作用于电极棒端面，使其熔化成液膜，液膜在高速旋转离心力作用下甩出形成液滴，微小液滴在惰性气氛冷却在表面张力作用下形成球形粉末，金属粉末在自身重力作用下流入接粉罐内；

(6)等离子枪送进机构驱动等离子枪轴向进给，确保制粉过程等离子枪端面和自耗电极棒之间距离恒定；

(7)当电极棒完成熔化后，等离子枪驱动装置带动等离子枪轴向上行；

(8)旧电极棒拆卸和新电极棒更换，进行下一次制粉准备。

2 设备技术参数

(1)工作方式：电极棒立式旋转

(2)工作转速：～18 000 r/min

(3)电极棒直径：80～100 mm

(4)等离子枪：200 kW+转移弧型

(5)雾化室极限真空：～5×10-3Pa；

(6)雾化室冷却方式：水冷；

(7)惰性工作气体：高纯Ar、He等；

(8)总装机功率：～300 kW ，3相380±10% V，50±1 Hz

(9)生产能力：20 kg/h(以TC4为例)；

(10)金属粉末质量：粉末球形率≥90%；粉末氧增量≤300×10-6；

(11)钛合金粉末粒度分布：粒度范围200～10μm，中位粒径D50=80～90 μm(TC4)。

3 技术特点

等离子旋转电极雾化制粉技术制备的球形金属粉末粒径分布的经验公式：

(1)

式中，D50为表征粉末粒度的中位粒径；n为设备的工作转速；d为电极棒的直径；σ为电极材料的粘度；ρ为电极材料的密度。

由式(1)可知同种材料下，可通过提高工作转速或电极棒直径来实现中细粉收得率的提高[2]。高的电极棒直径要求更大功率的等离子枪系统与之相匹配，工作转速的提高对设备整机稳定性和可靠性提出了更高要求，西安赛隆通过系列技术创新，使得新一代大功率立式等离子旋转电极雾化(SL-PREP)制粉机整机水平与传统设备相比有较大提升。主要技术特点如下：

(1)发明了电极棒立式高速旋转、等离子枪低速轴向进给定距补偿的机构运动控制技术，解决了传统电极棒卧式高速旋转复合低速轴向进给运动模式下设备振动大、噪声高、密封可靠性差的问题，实现了雾化过程高转速电极棒的稳定、高洁净度自耗制粉。

传统的PREP制粉机采用电极棒卧式高速旋转复合低速轴向进给定距补偿、等离子枪固定的运动模式。制粉过程高速旋转(端面线速度70～120 m/s)的电极棒一端与雾化室外的高速旋转机构连接，另一端以悬臂模式穿过动密封机构实现雾化室内轴向进给送料(速度1～2 mm/s)。卧式悬臂结构电极棒自重下垂使得电极棒质心和等离子枪中心不可能完全重合，导致制粉阶段棒料前端部分熔化过程产生一定的不平衡质量。电极棒的不平衡质量在高转速下产生大的离心力，进而使得高速轴系产生大的振动和噪音，经实测传统卧式设备工作过程的最大噪音为102 dB。为了防止前伸棒料高速旋转过程挠度过大，动密封装置内部增加棒料径向约束机构，约束机构限制了电极棒转速的提高，目前国内市场卧式PREP制粉机最高工作转速15 000 r/min，制备的钛合金粉末中位粒径D50=120 μm左右。卧式PREP设备动密封机构要实现棒料高速旋转和直线往复两种复合运动密封，制粉工程电极棒大的振动导致密封件磨损较快，复杂的工况导致卧式制粉设备的动密封装置可靠性较差[3]。

图2 传统卧式等离子旋转电极雾化制粉机

SL-PREP制粉机采用电极棒立式高速旋转、等离子枪低速(1～2 mm/s)轴向进给定距补偿运动技术完成电极棒熔融。电极棒立式放置避免了由电极棒自重下垂导致的不平衡质量产生，使得电极棒直径由传统的Φ75 mm提高到了Φ100 mm。采用旋转自定心的原理使电极棒工作转速提高到18 000 r/min，同时降低了高速旋转过程的振动和噪音，工作过程的最大噪声值为89 dB，棒料直径和工作转速的提高，使SL-PREP制粉机的TC4钛合金粉末收率D50由120 μm提升到90 μm，大幅提高了细粉收率。立式电极棒内置于雾化室底部，通过联接轴与雾化室外的高速旋转驱动装置连接，旋转密封结构安装在单纯高速旋转的联接轴上，制粉过程电极棒无密封件和刚性约束接触，保证了无杂质自耗制粉。等离子枪位于雾化室顶部，通过进给驱动装置实现低速轴向进给，轴向往复密封结构安装在雾化室上盖与等离子枪导向套接触位置，满足等离子枪低速进给的密封要求。SL-PREP制粉机生产的TC4钛合金粉末其氧增量为(30～70)×10-6，实现了高纯低氧金属粉末的制备。

(2)开发了200 kW大功率高能束、宽幅域转移弧等离子枪系统，模块化的IGBT逆变等离子电源与新型转移弧型等离子枪的高效匹配解决了传统等离子枪系统功率小、效率低、输出电流可调范围窄的问题。实现了Φ100 m大直径钛合金棒料的熔化和Φ50 mm直径难熔合金(钽、铌)棒料的熔化。

汇集电、水、气产生稳定等离子弧的等离子枪技术是决定旋转电极雾化制粉过程棒料熔化效率和粉末成形质量的重要因素[4]。等离子枪施加热量于电极棒端面进行棒料熔化过程是电磁场、热场、流体动力场等多物理场的耦合作用，通过枪体结构的优化设计对等离子弧进行高效的机械压缩、热压缩和电磁压缩，使工作气体达到高度电离，进而获得具有高稳定性和高能流密度的等离子束流，实现电极棒的端面熔化[5]。

传统的150 kW转移弧型等离子枪的最大熔化电流为2 000 A，电压60～70 V。经过实验验证可实现直径Φ75 mm的Ti-6AL-4V钛合金棒料熔化，当棒料直径扩大到Φ80 mm及以上时，棒料端面会出现熔化不充分产生的飞边，如图3所示。故而需要更大功率的等离子枪实现大直径棒料的熔化。

图3 采用PREP技术成形的料头

SL-PREP制粉机采用的200 kW大功率 IGBT逆变电源具有功耗小、效率高和重量轻等优点。该电源应用高频变压器串并联技术和电源模块化技术，采用输入输出并联方式将电源模块扩充，开发出输出电流300～3 500 A范围的高效率、高可靠性宽幅域电流调控的模块化电源。通过调节大功率立式等离子枪系统的熔化电流、进给速度等参数得到不同刚性和能流密度的电弧，满足了不同材质的等离子旋转电极雾化制粉工艺需求。当等离子枪进给速度为1 mm/s、工作电流为3 000 A时，实现了直径Φ100 mm的Ti-6Al-4V钛合金电极棒熔化。工作电流为3 500 A时，可实现送进速度为1 mm/s、直径Φ50 mm的钽(熔点2 996℃)棒料熔化。采用SL-PREP型制粉机生产的金属粉末形貌如图4所示。

图4 采用立式制粉设备生产的金属粉末

4 结束语

SL-PREP制粉机是目前国内第一台大功率立式等离子旋转电极雾化制粉机，相比较于传统卧式制粉机，设备工作转速、棒料直径等机械性能指标以及细粉收率、粉末纯度等粉末性能指标已有大幅提升[6]，目前该设备已经被列入2018年度国内首台(套)重大技术装备产品项目。该设备的产业化应用和推广将解决增材制造用高品质球形合金粉末的产业化关键技术，实现高品质球形粉末的批量化生产，为我国航空、航天、生物医用、机械制造业、汽车等行业的发展提供必要的支撑。