球形鈦合金粉末制備技術及增材制造應用研究進展

超高轉速等離子旋轉電極（SS-PREP）

傳統等離子旋轉電極技術（PREP）發明于Nuclear Metals/Starmet公司，后被美國TIMET公司收購。傳統PREP技術利用電極棒作為陰極，轉移弧等離子槍為陽極，激發氬氣使之電離為氬離子從而高溫熔化電極棒端面形成液膜，繼而通過軸心自轉的離心力形成金屬球形顆粒，轉速在14000～16000r/min，靠近電機的棒材加持端暴露于空氣之中，難以進行嚴格的氣氛控制。目前，傳統PREP粉末顆粒直徑僅能滿足國內激光熔覆沉積技術（LMD）90～250μm的粒度要求，尚難以滿足國外先進高速激光熔覆沉積技術（DED/LENS）50～150μm、電子束選區熔化技術、激光選區熔化技術對粉末的需求。

氬氣霧化法

氬氣霧化法（GA）按熔煉方式不同可分為冷壁坩堝氬氣霧化（TGA）和電極感應氬氣霧化（EIGA） 兩種工藝。冷壁銅坩堝氬氣霧化通過真空感應熔煉將鈦合金原材料完全熔化于坩堝中，坩堝可盛放金屬溶液提高其成分均勻性，利用坩堝底部的局部二級感應線圈重新加熱金屬溶液，繼而形成穩定液流，借助高壓氬氣的噴射作用力將金屬液流吹散冷卻而形成金屬顆粒。收集時首先進入旋風分離器，再進入金屬料罐。TGA鈦合金粉末振實密度是理論密度的60%～70%。電極感應氣霧化（EIGA）通過圓錐形感應線圈熔化特定尺寸鈦合金棒材的端部而直接形成液流，全程不接觸坩堝，然后通過高速氬氣氣流進行霧化制粉。

等離子體霧化

等離子體霧化技術*早出現于1996年，該技術利用高沖擊力的非轉移等離子火焰瞬時熔化直徑約3mm鈦合金絲材，并利用等離子火炬的氬氣沖量將熔融絲材吹散，此技術突破性的將金屬熔化與氬氣霧化集成到同一步驟，高溫氬氣延長液滴凝固時間，既能提高金屬顆粒的球形度，又能降低空心顆粒比例，其本質依然是氣霧化制粉，但從其粉末品質、成品率、原材料應用等方面綜合考慮，應屬于一種全新的鈦合金粉末制備工藝。

等離子球化

射頻等離子球化技術（即等離子球化IPS or PS）通過氣流將非球形氫化脫氫鈦合金粉末送入高密度等離子火焰重熔為液體顆粒，并依靠液滴表面自由能降低的自發過程瞬時凝固為球形金屬顆粒，一次球化率不低于80%，通常情況下仍需進行分選和再次球化處理。射頻等離子體通過強電磁耦合效應，誘導電流的焦耳熱效應加熱氣流至高溫，從而形成可自持續的等離子體，不同于等離子霧化技術、等離子旋轉電極技術所用等離子體。等離子球化技術因為原材料受限于非球形粉末顆粒，因此可生產的鈦合金品種僅限于純鈦CP-Ti、 Ti6Al4V等少量常規牌號，并且由于兩次制粉過程，氧、氮等雜質元素的控制是亟待解決的問題。

鈦合金粉末增材制造研究進展

等離子體霧化工藝（PA）的0～45 μm成品率和原材料鈦絲利用率*高，是目前*適宜用于激光鋪粉增材（SLM）的粉末制備工藝。超高速等離子旋轉電極工藝（SS-PREP）具備*優的粉末綜合性能，包括粉末球形度、流動性、松裝密度、空心顆粒比例；由于空心顆粒比例*低，在電子束鋪粉增材（EBM）、激光送粉增材（LMD）應用方面優勢明顯；SS-PREP粉末可覆蓋SLM、EBM、LMD 3種增材制造用粉末的制備工藝。另一方面，TGA工藝可使用多種形態的鈦合金原材料，使其粉末具備*低的經濟成本，EIGA則只能使用?50 mm或其他尺寸的棒材原料，雖同為GA工藝，但是TGA工藝成本控制優于EIGA工藝。

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