西马克增材制造技术研究

文／T. Brune, Y. Wilkens, P. Weiland, J. Odenthal, N. Vogl,·西马克集团

译／西马克工程（中国）有限公司

西马克集团增材制造研发中心，将增材制造产业的整个价值链作为研究方向，其研发制造的雾化粉末设备，可以生产高品质的金属粉末，具有成本低、效率高的优势。该设备集成了卫星粉防控技术，极大地降低了不合格粉末颗粒的含量，同时，通过对雾化过程进行CFD 计算流体动力学仿真(以下简称“CFD 仿真”），优化了紧耦合喷嘴的设计，提高了金属粉末的性能和收得率。为了确保金属粉末的质量，西马克集团也一直在研究不同粉末的性能，并探索更好的检测方法。

增材制造研发中心

西马克集团为增材制造企业提供先进技术，用以生产高品质和高纯度的金属粉末。西马克集团增材制造研发中心通过不断努力，对工艺链各环节的集成积累了丰富经验。尤其是在粉末生产和增材制造工艺上，通过不断积累的专业知识，在技术和经济性上取得很大提升。目前，增材制造已经广泛应用于设备零部件的生产。研发中心的核心工作为用雾化系统(图1）生产高质量的金属粉末，然后将金属粉末筛选分级和分装。

粉末雾化设备将原材料装入坩埚，在真空或者惰性气体保护下进行电感应加热至液态。更换不同容量的坩埚可改变其产能，最多一次可熔融500kg 原材料。接下来，熔融态的金属通过一个中间包送到雾化装置，与冷态或热态的惰性气体一起，通过紧耦合喷嘴完成雾化过程。优化喷嘴结构设计，可以提高精细金属粉末收得率，改进颗粒形态，为此，对雾化工艺过程进行CFD 仿真。

为了改进颗粒的微观形态，金属粉末雾化设备配备了一套卫星粉防控系统，该系统同时集成了粉末分级和分装等下游工序，可采用多种合金原料来生产高品质金属粉末。

雾化工艺

为了优化金属粉末的质量和产量，首先要明确各工艺参数、雾化参数对粉末属性的影响。所谓粉末属性，就是指粉末的粒度分布、颗粒形状、体积密度和流动性。雾化工艺的仿真，是以液态金属和惰性气体等介质作为仿真对象，对量化的动态流体进行模拟，从而研究不同参数对粉末颗粒形态的影响。

图1 西马克金属雾化粉末设备

在CFD 仿真分析中，计算区域被细分为很多的可控体积元。通过选取合适的方法，量化并获得描述流体物理变化过程的非线性微分方程组，进而求解数值。

仿真的难点在于，在温度范围从-200 ℃到1700℃的雾化过程中，如何模拟所产生的压缩超声波流的极限速度。原因在于并非整个雾化过程都可通过可控体积元表现出来，液滴成形的物理过程中，典型晶核一般小于1 微米，但是雾化设备本身会将其放大6 到7 个数量级，造成可控体积元的数量远远超过了计算机的计算能力。因此，必须建立基于经验的亚网格模型才能进行金属液滴成形计算，类似的方法也用于柴油发动机的燃烧等模型上。但遗憾的是这些方法并不能照搬到这个案例上。为了建立该亚网格模型，我们先用水模型测试加以验证。我们与德国达姆斯塔特工业大学流体力学和空气动力学教授共同发起了一个研究项目，在合作的第一阶段就验证了纯气态流体的计算结果。

图2 显示了使用聚焦纹理技术确定的纵向密度梯度dρ/dy在pin=15 公斤压力时，在紧耦合式雾化喷嘴处使用CFD 仿真所得到的梯度对比。对比可知，普朗特-迈耶尔膨胀波、重压波、自由喷射层、再循环区、停滞点和喷射区等特征现象的数据，可重复性非常好，特别是马赫盘的位置和冲击角度的预测相当准确。

图2 数据对比

液滴成形模型的建立和验证仍在进行中，图3 显示了已获得的水基测试设备的雾化计算初步结果。然而，对于水基测试设备和生产设备，还需要进行额外的计算和相应的试验，以调整该模型的参数来适应更广泛的应用。

图3 不同气体压力(空气)下计算的水滴尺寸分布形态

此外，必须对粉末塔中金属熔滴固化的路径进行数学建模。由于金属熔滴表面冷却速度非常快，即使低于熔化温度，其内核仍然是液态的。液滴只有达到一定的过冷度和具有一定数量的晶核之后，才会发生相变，释放熔化热量，形成凝态液滴。其目标是计算所得和实际生产所得的粉末粒度分布在一定偏差范围内。能否实现这一目标，则取决于目前计算流体力学仿真所能实现的能力极限。

金属粉末特征描述

描述增材制造用金属粉末的质量，必须知道与质量相关的粉末特性、所要求的性能特点以及合适的测量方法，后两个要求需要做深入研究。大多数测量方法源自其他技术领域，因此，在金属增材制造领域也应该建立适用于不同粉末特性的测量方法。西马克集团最新的研究表明，根据现行标准，个别粉末特征描述方法只是部分适用。

粒度分布，作为金属粉末关键性能特征，它由增材制造(AM）工艺决定。金属粉末的分类，由集成的筛分和空气分级工序完成。所获得的粒度分布实际状态，通过试验室的动态图像分析来鉴别。

金属粉末优良的流动性，对激光粉床熔化成形工艺(LPBF）至关重要。在粉末沉积过程中，良好的流动性(铺展性）可使铺出粉层的质量足够薄、光滑，且均匀和致密性好。流动性差的粉末在应用过程中会产生问题，并导致粉层不均匀。此外，良好的流动性也影响其在增材制造系统中的传输。流动性的这两个方面在文献和标准化上都没有很好的区分开。对于粉末流动性的要求，一方面不同的增材制造工艺要求不同，另一方面设备与设备的要求也不同。西马克金属粉末的良好流动行为，在内部测试实验室中可通过测量不同特征数据(如霍尔流时间或豪斯纳比）来进行监测。

颗粒形貌作为粉末的特征，代表了粉末颗粒的平均形状。激光粉床熔化成形工艺，要求金属粉末尽可能球形化。随着粉末颗粒球形度的增加，其流动性和相应的粉末密度都能得到改善，从而产生工艺上的优势。气雾化粉末颗粒的形貌与球形略有差异。虽然在制造工艺上可以减少诸如卫星粉等颗粒方面的缺陷，但不可能完全避免。

图4 不锈钢316L(1.4404) 粉末的 REM 图像

REM 图像可以很好地描述粉末的形貌。图4 是一张由西马克集团生产的316L(1.4404）金属粉末的图片。这些粉末颗粒具有高球形度和极少的卫星粉数量。定量地说，粒子的平均形态可以通过不同的形貌系数来确定，这些可以用数学方法将粒子进行投影而计算出来。西马克通过动态图像分析和球形度的计算，将高球形度金属粉末的形貌系数作为技术指标加以监控。

为了完整地描述粉末的特性，还需要对其化学成分、污染物、粉末密度和水分含量等加以描述。

卫星粉防控技术

在雾化过程中，凝固的小粉末颗粒与半凝固大粒子发生碰撞后，会粘附在上面而形成卫星粉，它是气雾化金属粉末中最常见的缺陷。在粉末生产过程中，喷射锥雾中细小的凝固颗粒由于再循环效应，作为尘埃云从雾化塔的下部回流到雾化区域，图5 显示了内部循环产生卫星粉的过程。当细小的凝固颗粒上升到腔室的上部并返回到雾化区时，它们会粘附于正在凝固的大颗粒上。

图5 卫星粉的形成原因

我们增加了卫星粉防控系统，该系统作为粉末雾化设备的模块化单元，显著减少了卫星粉的形成，使得粉末形貌得以改善。应用卫星粉防控技术，产生外部气流，如图6 所示，气流从上方吹进雾化塔，因此，在雾化处理腔室中产生自上而下的二次气流，抑制了腔室内细小颗粒的上升。

图6 防卫星粉系统的作用原理

研究表明，随着卫星粉防控系统气流的增强，粉末颗粒的形貌得到了改善，卫星粉防控系统对粉末性能产生了很好的作用。利用卫星粉防控技术，我们的雾化装置生产的高品质粉，只存在很少量的卫星粉。

结束语

基于研究中心所取得的经验，西马克集团不断优化粉末生产工艺，通过积极参与各种项目研究，预计未来将能对雾化过程和粉末特性的基本原理和相互关系有更详尽的了解和认识。此外，积极开发新合金粉末，也势必为金属粉末在增材制造领域的应用带来更多潜力。