引言

　　增材制造(也稱為 3D 打印)，是一種通過三維數(shù)字模型逐層成形部件的一種短流程、近終形的新型材料成形技術(shù)，與傳統(tǒng)的車、銑、刨、磨等 “減材制造” 工藝，以及鑄、鍛、焊等 “等材制造” 工藝相比，增材制造技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于：(1)以激光、電子束或等離子弧作為熱源，不受材料熔點(diǎn)限制，難熔材料也可熔化成形;(2)通過三維數(shù)據(jù)模型直接成形金屬零部件，特別適合復(fù)雜零部件的一體化成形;(3)不需要模具，后續(xù)加工少，屬于一種近凈成形方式;(4)設(shè)計(jì)更自由，生產(chǎn)研發(fā)周期更短。基于以上的優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)成為了 “引領(lǐng)第三次工業(yè)技術(shù)革命的核心技術(shù)之一”，是高端數(shù)字化智能制造的重要發(fā)展方向。

　　對(duì)激光的持續(xù)研究和開發(fā)促進(jìn)了新的增材制造技術(shù)分支產(chǎn)生，激光粉末床熔融技術(shù)就是其中之一。其工藝基本原理是通過在成形平臺(tái)上均勻鋪展形成一個(gè)粉末床，通過計(jì)算機(jī)控制的激光能量源向粉末床的表面提供能量，將粉末逐層熔化再凝固形成所需的形狀。由于鋪粉激光增材制造技術(shù)成形的部件具有晶粒細(xì)小、成分均勻、成形精度高、表面粗糙度低以及綜合力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)勢(shì)，該工藝是目前金屬增材制造領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種部件成形技術(shù)，特別適合制備具有精細(xì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬零部件，在航空航天、汽車、醫(yī)療、模具等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。特別是在航空航天領(lǐng)域，激光粉末床熔融技術(shù)非常契合航天裝備日益整體化、復(fù)雜化、輕量化、結(jié)構(gòu)功能一體化的制造需求，為傳統(tǒng)航天制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了巨大契機(jī)。因此，激光粉末床熔融已經(jīng)成為提高航天器設(shè)計(jì)和制造能力的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用于新型航空航天材料主要有以下優(yōu)勢(shì)：(1)有效縮短材料的研發(fā)周期;(2)極大提高材料的利用率，降低制造成本;(3)顯著優(yōu)化零部件的結(jié)構(gòu)，減輕質(zhì)量以及增加使用壽命;(4)快速修復(fù)零件，降低修復(fù)成形成本。

　　然而，冶金缺陷是當(dāng)前激光粉末床熔融工藝成形部件面臨的普遍問題，其中包括未熔合、孔隙和裂紋，缺陷的存在降低了成形部件的力學(xué)性能尤其是持久疲勞壽命。隨著航空航天對(duì)材料及部件的性能要求提升，對(duì)低缺陷、高性能的高溫合金需求迫切。而對(duì)于通過激光粉末床熔融工藝成形的高合金化、高性能合金來說，本身工藝窗口窄，在快凝快冷以及大的溫度梯度成形條件下，形成冶金缺陷及裂紋的問題更為突出。由于激光粉末床熔融工藝高度依賴激光和粉末顆粒之間的相互作用，因此，粉末特征的變化是直接影響成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。

　　從廣義上來說，金屬粉末特征既包括粉末的顆粒特征(粒度、顆粒形狀、表面狀態(tài)等)，又包括粉末的流動(dòng)堆積特征(松裝密度、振實(shí)密度、霍爾流速等)。其中粉末的流動(dòng)堆積特征受粉末顆粒特征影響，并進(jìn)一步影響了増材制造過程中的鋪粉行為和成形質(zhì)量。因此，本文從粉末顆粒特征的角度出發(fā)，在總結(jié)現(xiàn)有研究報(bào)道的基礎(chǔ)上，結(jié)合作者所做的研究工作，詳細(xì)介紹粉末的粒度、形貌、表面粗糙度以及表面能這四個(gè)最關(guān)鍵的粉末特征對(duì)鋪粉激光增材制造冶金質(zhì)量的影響，并就調(diào)整粉末特征的方向進(jìn)行了總結(jié)和展望。

　　1 粉末粒度對(duì)冶金質(zhì)量的影響

　　金屬粉末顆粒可近似看作理想剛性球體，當(dāng)單一粒度的粉末顆粒隨機(jī)松散堆垛時(shí)，其堆積密度通常小于 60%，但當(dāng)其按照面心立方或密排六方結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐層緊密堆垛時(shí)，則堆積密度最高可以達(dá)到 74%。

　　當(dāng)體系中存在兩種粒度的粉末時(shí)，小粉末可以填充到大粉末的堆積空隙中，這樣就可以突破單一粒度粉末的最大堆積密度，例如當(dāng)兩種粒度粉末的尺寸比為 2.41:1，數(shù)量比為 1:1 時(shí)，體系的最大堆積密度可以達(dá)到 92%。當(dāng)體系中的粉末粒度增加到三種時(shí)，更小的粉末進(jìn)一步填充到大粉末和中等粉末的空隙中，形成更加緊密的堆積，則堆積密度可以進(jìn)一步提高，例如當(dāng)三種粒度粉末的尺寸比為 9.23:3.83:1，數(shù)量比為 1:1:4 時(shí)，體系的最大堆積密度可以達(dá)到 95.7%。因此從理論上來說，隨著粉末粒度分布范圍的增大和尺寸比與數(shù)量比的協(xié)調(diào)，粉末的堆積密度將持續(xù)增大并無限接近于全致密。

　　但在實(shí)際激光粉末床熔融過程中，粉末的堆積密度一般只能達(dá)到 50%~60%。這主要是由于兩方面原因：一是實(shí)際使用的粉末顆粒的粒度是連續(xù)變化的，鋪粉時(shí)無法挑選出特定尺寸比與數(shù)量比的粉末互相填充;二是實(shí)際使用的粉末粒度不能大于每層的鋪粉層厚(一般在 0.02~0.1 mm 范圍內(nèi))，同時(shí)粉末粒度又不能過小，否則會(huì)增大粉末之間的團(tuán)聚，嚴(yán)重影響粉末的流動(dòng)性和堆積密度。雖然粉末顆粒緊密堆積的理論模型與實(shí)際鋪粉過程差別較大，但理論模型給出了如何通過調(diào)整粉末粒度提升增材制造冶金質(zhì)量的方向，即：在通用粒度的范圍內(nèi)，盡量采用更寬的粒度分布，增加較小粒度粉末對(duì)較大粒度粉末堆積空隙的填充，從而提高粉末床的致密度。例如，在打印 316L 不銹鋼過程中，Liu 等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用粒度較寬的粉末(0~45 μm)時(shí)，相比于使用粒度較窄的粉末(15~45 μm)，獲得了更高的粉末床密度，提高了零件的致密度及表面質(zhì)量。Spierings 等同樣證實(shí)，相比于僅使用 20~41 μm 的粉末，當(dāng)使用含有一定比例的 20 μm 以下細(xì)顆粒的粉末時(shí)，粉末床的填充效果更好，成形零件的表面粗糙度更低。

　　當(dāng)粗粉的比例過大時(shí)，粉末之間的空隙較大，由于缺少細(xì)粉的填充，粉末堆積密度較低。當(dāng)細(xì)粉的比例過大時(shí)，由于細(xì)粉的比表面積較大，粉末之間的粘附力突出，容易形成團(tuán)聚，且多余的細(xì)粉會(huì)對(duì)粗粉產(chǎn)生楔形作用而推開粗粉末，因此同樣會(huì)造成粉末堆積密度下降。只有當(dāng)粗細(xì)粉末顆粒的混合比例恰好達(dá)到最優(yōu)值時(shí)，粉末床才具有最大的粉末堆積密度。

　　Farzadfar 等通過在 IN718 粗粉(D₁₀：26.5 um，D₅₀：35.5 um，D₉₀：50.5 μm)中加入不同比例的細(xì)粉(D₁₀：6.2 um，D₅₀：10.5 pm，D∞16.9 μm)，來探究粗細(xì)粉末顆粒混合比的最優(yōu)值。實(shí)測(cè)的粗細(xì)粉末顆粒混合比對(duì)松裝密度、振實(shí)密度的影響顯示，隨著在粗粉中添加更多的細(xì)粉，松裝密度、振實(shí)密度先升高后降低，總體趨勢(shì)與理論示意圖相似。實(shí)測(cè)出的最優(yōu)粗細(xì)粉末顆粒混合比為 70% 粗粉 + 30% 細(xì)粉，此時(shí)可達(dá)到 68% 的振實(shí)密度與 62% 的松裝密度。相比于使用粗粉，使用粗細(xì)混合粉打印出的 IN718 試樣，在各打印效率下，其缺陷的尺寸均更小，具有更好的冶金質(zhì)量。

　　當(dāng)粗細(xì)粉末顆粒的尺寸比發(fā)生變化時(shí)，粗細(xì)粉末顆粒的最優(yōu)混合比與粉末的最大堆積密度都會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。從理論上來說，隨著粗細(xì)粉末顆粒的尺寸比增大，粗細(xì)粉末顆粒的最優(yōu)混合比會(huì)在 75% 粗粉 + 25% 細(xì)粉附近變化，而粉末的最大堆積密度會(huì)不斷提高，最終接近于 88%。但值得注意的是，根據(jù) Coe 等對(duì) 316L 不銹鋼成形的研究，當(dāng)采用較大功率的激光參數(shù)(例如大于 203 W)進(jìn)行打印時(shí)，過細(xì)的細(xì)粉會(huì)存在被汽化的可能，從而造成成形致密度下降。另外，當(dāng)粉末過細(xì)或細(xì)粉占比過高時(shí)，還會(huì)對(duì)粉末的流動(dòng)性產(chǎn)生不利影響，從而影響冶金質(zhì)量。

　　粉末的粒度和粉末的生產(chǎn)工藝密切相關(guān)。氣霧化(Gas atomization, GA)工藝通過高壓氬氣破碎下落的金屬熔液，將其分散成大量的細(xì)小液滴，液滴進(jìn)入霧化室并冷凝形成粉末，制得的粉末粒度范圍較寬，可獲得 30 μm 以下超細(xì)粒徑的粉末，但是從整體來看，70~100 μm 粗粉的占比還是要高于 70 μm 以下細(xì)粉的占比。

　　等離子旋轉(zhuǎn)電極法(Plasma rotating electrode process, PREP)工藝通過動(dòng)力機(jī)構(gòu)帶動(dòng)合金棒料高速旋轉(zhuǎn)，在等離子槍產(chǎn)生的高溫等離子弧作用下，高速旋轉(zhuǎn)的棒料端面發(fā)生微區(qū)熔化并形成液膜，在離心力和表面張力的作用下液膜轉(zhuǎn)化為液滴飛出，在霧化介質(zhì)中冷凝形成粉末，制得的粉末粒度范圍較窄，并且粉末粒度整體偏粗，小于 30 μm 的細(xì)粉占比很少。等離子霧化(Plasma atomization, PA)工藝通過等離子體高溫蒸發(fā)金屬線材，使其以蒸汽形式存在，然后快速冷卻形成粉末，制得的粉末表現(xiàn)出與 GA 工藝類似的粉末粒度分布特征，但 PA 粉末中 50~70 μm 之間的細(xì)粉占比要高于 70~100 μm 的粗粉占比。

　　2 粉末形貌對(duì)冶金質(zhì)量的影響

　　粉末的形態(tài)越接近于球形，粉末在鋪粉過程中的動(dòng)態(tài)流動(dòng)性和鋪展性越優(yōu)，從而越有利于提升粉末的堆積密度，而粉末的生產(chǎn)工藝直接影響著粉末的形貌。

　　Ruan 等對(duì) GA 工藝和 PREP 工藝生產(chǎn)的 IN718 粉末的形貌以及成形質(zhì)量進(jìn)行了比較研究。兩種工藝生產(chǎn)的粉末粒度相似，但與 GA 粉末相比，PREP 粉末具有球形度更好的形態(tài)、更光滑的表面形貌以及更少的孔隙。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PREP 粉末相比于 GA 粉末具有更高的松裝密度、更優(yōu)的流動(dòng)性以及更大的可加工工藝窗口范圍，成形質(zhì)量更加穩(wěn)定。

　　Brika 等對(duì) PA 工藝和 GA 工藝生產(chǎn)的 Ti-6Al4V 粉末形貌及成形質(zhì)量進(jìn)行了比較研究。二者粉末粒度相似(GA 粉：35.8 μm，PA 粉：36.7 μm)，但 PA 粉末相比于 GA 粉末具有更高的球形度，表現(xiàn)出更優(yōu)的流動(dòng)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無論是在 30 μm 還是 60 μm 鋪粉層厚條件下，球形度、流動(dòng)性更優(yōu)的 PA 粉末的鋪粉密度和成形致密度均顯著高于 GA 粉末。Riener 等同樣證實(shí)了相比于 GA 工藝，PA 工藝生產(chǎn)的 Al-Si-10Mg 粉末的球形度更高、表面更加光滑，從而具有更高的松裝密度、振實(shí)密度、流動(dòng)性、鋪粉密度以及成形致密度。

　　作者團(tuán)隊(duì)也對(duì)比了由 PREP 工藝制備的粉末與由電極感應(yīng)氣霧化(Electrode induction melting inert gas atomization, EIGA)工藝和真空感應(yīng)氣霧化(Vacuum induction melting inert gas atomization, VIGA)工藝制備的 GH3230 粉末的形貌及成形質(zhì)量。PREP 粉末的表面更為光滑，無衛(wèi)星粉，具有較高的平均球形度，貢獻(xiàn)了粉末優(yōu)異的流動(dòng)鋪展性，其中粉末的動(dòng)態(tài)流動(dòng)角和內(nèi)聚指數(shù)顯著低于兩種 GA 粉末。作為結(jié)果，PREP 粉末獲得了最高的松裝密度和粉末床鋪粉密度，PREP 粉末成形試樣的致密度最高。而兩種 GA 粉末中由于存在較多的衛(wèi)星粉和異形顆粒，降低了粉末的流動(dòng)鋪展性，進(jìn)而降低了粉末的松裝密度和粉末床鋪粉密度，這導(dǎo)致粉末成形試樣中的缺陷數(shù)量增多，成形致密度降低。

　　PREP 粉末成形試樣表現(xiàn)出比兩種 GA 粉末成形試樣更高的相對(duì)致密度和更低的缺陷的占比。這是由于 PREP 粉末成形試樣具有較高的粉末床密度，激光束的能量可以被更有效地吸收，從而減少熔化不足，另外，更少的粉末間空隙有利于熔融金屬液的流動(dòng)填充，也有助于減少成形缺陷。

　　僅從粉末球形度角度來考慮，PREP 和 PA 粉末的球形度更高，更有利于提高冶金質(zhì)量，而 GA 粉末較差。但如要在工業(yè)上推廣金屬增材制造部件，成本是必須權(quán)衡的因素。GA 工藝具有相對(duì)更低的粉末制備成本，而且在優(yōu)化打印工藝參數(shù)之后，GA 粉末打印出零件的機(jī)械性能與 PREP 和 PA 粉末相當(dāng)。因此，在對(duì)于成形質(zhì)量波動(dòng)要求不太嚴(yán)格的領(lǐng)域，選擇 GA 粉末有助于節(jié)省成本。而 PREP 和 PA 粉末在航空、航天和其他對(duì)于成形質(zhì)量波動(dòng)要求非常嚴(yán)格的領(lǐng)域可能是更好的選擇。

　　3 粉末表面狀態(tài)對(duì)冶金質(zhì)量的影響

　　3.1 粉末表面粗糙度對(duì)冶金質(zhì)量的影響

　　金屬粉末的制備往往是通過熔化、分散、快速凝固的方式形成粉末，粉末顆粒表面一般為原始枝晶凝固組織，表面粗糙度較大，而且顆粒中存在衛(wèi)星粉和異形粉。因此，降低粉末的表面粗糙度有利于提升粉末的流動(dòng)鋪展性。

　　為了獲得不同表面粗糙度的粉末，作者團(tuán)隊(duì)通過在原始霧化粉末的基礎(chǔ)上對(duì)粉末進(jìn)行球磨處理來改變粉末顆粒的表面粗糙度，進(jìn)而研究其對(duì)粉末鋪粉質(zhì)量及成形缺陷的影響。采用同一批次的 GH3230 合金棒作為母合金，通過 VIGA 工藝和篩分獲得 15~53 μm 原始合金粉末，采用球磨法對(duì)原始粉末進(jìn)行處理。采用行星式球磨機(jī)，并選用不銹鋼球作為球磨介質(zhì)，球磨過程中，磨球與粉末的重量比為 5:1，球磨轉(zhuǎn)速 500 r/min、球磨時(shí)間 2 h。

　　原始粉末保留了霧化凝固顆粒的原始表面形貌，明顯地觀察到凝固的枝晶和細(xì)胞晶粒微觀結(jié)構(gòu)。相比之下，球磨后粉末顆粒表面原有的樹枝狀和胞狀晶粒微觀結(jié)構(gòu)被球磨后的機(jī)械切削和剪切摩擦痕跡所取代，同時(shí)，顆粒表面出現(xiàn)臺(tái)階、彎曲和尖角，粉末顆粒的表面粗糙度顯著提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著粉末表面粗糙度增大，粉末的流動(dòng)鋪展性降低，粉末床密度降低，從而導(dǎo)致成形試樣中的缺陷數(shù)量增多，成形致密度下降。

　　兩種粉末成形試樣中均存在裂紋和孔隙兩種缺陷形態(tài)，但與低表面粗糙度粉末成形試樣相比，高表面粗糙度粉末成形試樣中的裂紋和孔隙缺陷數(shù)量更多，裂紋的寬度和長(zhǎng)度增加，圓形孔隙數(shù)量也有所增多，成形致密度下降。不同工藝參數(shù)下成形試樣的金相結(jié)果顯示，與未經(jīng)球磨的原始 GH3230 粉末成形缺陷對(duì)比，經(jīng)過球磨處理后，試樣中出現(xiàn)了裂紋和孔隙缺陷占比的增加，其中裂紋的寬度和長(zhǎng)度也增加，圓形孔隙數(shù)量也增多，成形試樣致密度從 99.43% 下降至 98.73%。這表明，通過粉末球磨處理，增大了顆粒表面粗糙度，降低了粉末的流動(dòng)性和鋪展性，進(jìn)一步降低了粉末在粉末床上的鋪粉密度，最終導(dǎo)致相同成形工藝參數(shù)下的成形孔隙和裂紋缺陷增多，成形致密度下降。

　　粉末表面粗糙度的增大本質(zhì)上是影響了粉末間的內(nèi)聚力。一方面，顆粒表面粗糙度增大，顆粒之間的點(diǎn)接觸將轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|，顆粒間接觸面積的增大，會(huì)導(dǎo)致顆粒更難以滑動(dòng)和滾動(dòng)，從而導(dǎo)致接觸力(摩擦力)增大。另一方面，球磨后顆粒表面的臺(tái)階、彎曲和尖角數(shù)量增加，這些突起點(diǎn)處的表面能大于平面和光滑曲面處的表面能，從而導(dǎo)致顆粒的表面能增加，顆粒之間的非接觸力(范德瓦爾力)增加。接觸力和非接觸力的增大提高了粉末的內(nèi)聚力，使得粉末的流動(dòng)鋪展性降低，從而導(dǎo)致零件的粉末鋪粉效率和成形效率降低。

　　3.2 粉末表面能對(duì)冶金質(zhì)量的影響

　　對(duì)于增材制造用金屬粉末，40~100 μm 或以上的粗顆粒粉末通常具有良好的流動(dòng)性，但是隨著粉末顆粒尺寸的減小，顆粒的比表面積增大，表面能升高，導(dǎo)致粉末顆粒間的內(nèi)聚力增大，粉末將趨向于表現(xiàn)出粘性特征，降低了粉末的流動(dòng)和鋪展行為。激光粉末床熔融工藝用金屬粉末的粒度通常為 15~53 μm 或 20~63 μm，因此，對(duì)該粒度范圍的粉末表面能的研究是改變粉末流動(dòng)行為，提升粉末鋪展性的關(guān)鍵。

　　首先，可以利用減小粉末表面粗糙度的方式降低表面能。其主要機(jī)制在于表面粗糙度減小時(shí)，原子無序性減弱、表面活性減弱和比表面積減小，從而導(dǎo)致表面能趨于降低。具體來說，一方面，更小的表面粗糙度意味著顆粒表面存在更小比例的欠配位原子，表現(xiàn)出更低的化學(xué)活性水平。隨著反應(yīng)位點(diǎn)的減少，相鄰粒子之間發(fā)生強(qiáng)相互作用的可能性減弱，從而降低了整體表面能。另一方面，表面粗糙度減小對(duì)應(yīng)于不規(guī)則形狀顆粒的邊緣、拐角和突起處的斷裂鍵濃度降低。當(dāng)這些懸空鍵達(dá)到熱力學(xué)平衡時(shí)，它們會(huì)形成各種形式的鍵合，例如范德華鍵、離子鍵、共價(jià)鍵或氫鍵等，使得懸空鍵飽和，從而降低了表面能。最后，表面粗糙度的減小降低了與周圍環(huán)境相互作用的表面積，由于表面能被定義為每單位表面積的過剩焓，顆粒表面積的減小將導(dǎo)致表面能的降低。

　　Laila 等對(duì)超細(xì)鋁粉進(jìn)行了表面改性，從而減低了超細(xì)鋁粉的表面能。原始鋁粉顆粒表面的凹凸起伏較大。經(jīng)過納米二氧化硅涂覆后，由于納米級(jí)的二氧化硅顆粒填充了粉末表面的凹凸區(qū)域，減少了粉末表面的粗糙度。經(jīng)過硅烷處理后，粉末表面的粗糙度也明顯降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種減小粉末表面粗糙度的改性方式都減少了粉末顆粒之間的真實(shí)接觸面積，降低了粉末顆粒的表面能，導(dǎo)致顆粒間的內(nèi)聚力急劇下降，從而改善了粉末的流動(dòng)性、降低了粉末間的粘附力。

　　其次，可以利用粉末原位微氧化的方式降低表面能。原位微氧化降低顆粒表面能的機(jī)制在于金屬粉末顆粒表面氧化物層的形成。首先，在粉末制備過程中，金屬粉末與環(huán)境中引入的氧氣發(fā)生反應(yīng)，在表面形成一層薄薄的金屬氧化物層。當(dāng)粉末暴露在空氣中，這些氧化物層將抑制內(nèi)部的金屬基材與大氣中的氧氣之間的進(jìn)一步反應(yīng)。因此，可用于與空氣環(huán)境相互作用的未反應(yīng)金屬位點(diǎn)減少，從而導(dǎo)致總表面能降低。其次，氧化層的形成也會(huì)引起粉末顆粒表面電子排布結(jié)構(gòu)的變化。氧化過程中將氧引入晶格會(huì)改變金屬原子周圍的電子分布，導(dǎo)致價(jià)電子集中在氧原子周圍。這種電子重新分布削弱了相鄰顆粒之間的吸引力，導(dǎo)致表面能降低。此外，氧原子的引入也會(huì)導(dǎo)致金屬鍵配位數(shù)減少。與基體中的原子相比，位于表面的原子表現(xiàn)出較低的配位數(shù)。氧化后，金屬 - 氧鍵合網(wǎng)絡(luò)的形成有助于使先前的懸空鍵飽和，從而減少了配位不足的不飽和鍵的數(shù)量。因此，這也增強(qiáng)了顆粒表面的穩(wěn)定性并降低了表面能。

　　作者團(tuán)隊(duì)通過在粉末霧化過程中對(duì)顆粒表面進(jìn)行氧鈍化處理來降低粉末顆粒的表面能，進(jìn)而研究對(duì)粉末鋪粉及成形質(zhì)量的影響。采用 GH3230 合金棒作為母合金，將合金棒放入熔煉坩堝中熔煉，當(dāng)過熱度達(dá)到 250 ℃時(shí)，將金屬液倒入中間包坩堝，通過底部導(dǎo)流進(jìn)入下端霧化器。在霧化器出口處，粉末被高壓氣體破碎成金屬液滴，霧化氣體為高純氬氣。為了實(shí)現(xiàn)粉末顆粒表面的微氧化效果，液滴在霧化室內(nèi)飛行凝固過程中，向霧化室中部通入少量高純氧氣，氬氣與氧氣的流量比為 1500:1。高溫凝固過程中，氧氣在粉末顆粒表面形成薄薄的氧化層，凝固的液滴顆粒被收集在粉末罐中。原始 GH3230 粉末以及經(jīng)原位微氧化后的 GH3230 粉末的形態(tài)主要是球形或近球形，粉末中均存在少量的異形顆粒和衛(wèi)星粉。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，原位微氧化后，粉末中的衛(wèi)星粉數(shù)量減少。這主要是由于在霧化過程中，顆粒表面微量氧的存在，改變了顆粒的表面狀態(tài)，導(dǎo)致微細(xì)顆粒粘附在大顆粒表面的傾向性減弱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，原位微氧化處理后，粉末的流動(dòng)鋪展性顯著改善，粉末床鋪粉密度提升，成形致密度提高。

　　兩種粉末成形試樣中均存在裂紋和孔隙兩種缺陷形態(tài)。與原始?xì)鍤忪F化粉末成形結(jié)果對(duì)比，經(jīng)過原位微氧化后的試樣中裂紋和孔隙缺陷減少，裂紋寬度變窄，長(zhǎng)度變短，孔隙數(shù)量減少，成形致密度提升。這表明，通過原位微氧化過程，對(duì)顆粒表面實(shí)現(xiàn)微氧化，降低表面能，提升了粉末的流動(dòng)性和鋪展性，進(jìn)一步提升了粉末在粉末床上的堆積密度和鋪粉質(zhì)量，最終促使成形致密度進(jìn)一步提升。

　　因此，在粉末粒度與形態(tài)相似的情況下，粉末的表面狀態(tài)(粗糙度、表面能)成為了影響粉末流動(dòng)和鋪展的重要參數(shù)。選擇低粗糙度和低表面能的粉末會(huì)降低粉末間的內(nèi)聚力，減弱粉末顆粒間的團(tuán)聚趨勢(shì)，增大粉末的流動(dòng)性和鋪展性，提高粉末的堆積密度和粉末床的鋪粉密度，從而提升成形致密度、減少成形缺陷。

　　4 總結(jié)與展望

　　由金屬粉末物性參數(shù)變化對(duì)冶金質(zhì)量的影響研究現(xiàn)狀可知，粉末粒度、形貌以及表面狀態(tài)的變化都會(huì)顯著影響粉末的鋪粉和成形質(zhì)量。粉末粒度分布和形貌的調(diào)整并不需要采用其他工藝手段對(duì)粉末進(jìn)行二次處理，可以避免外來物質(zhì)的引入。而表面能的調(diào)整通常需要引入二次處理工藝，例如通過添加異質(zhì)納米顆粒的方式對(duì)粉末表面進(jìn)行包覆、利用硅烷或微氧化處理粉末表面等。因此，應(yīng)該優(yōu)先考慮對(duì)粉末粒度和形貌進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，通過選擇合適的工藝路線，優(yōu)化制粉工藝，降低粉末中的異形粉、衛(wèi)星粉的含量。通過采用有效的后處理手段，減少運(yùn)輸、使用過程中顆粒間或顆粒與壁面的摩擦碰撞，也是保證粉末具有良好的物性參數(shù)的有效途徑之一。

　　另外，在整個(gè)成形循環(huán)過程中，粉末的物性參數(shù)會(huì)表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化。主要原因在于激光對(duì)粉末顆粒的熔化會(huì)產(chǎn)生飛濺，從而將飛濺顆粒引入到未熔化的粉末顆粒中，由于飛濺顆粒一般具有更大的尺寸和不規(guī)則的形貌，經(jīng)過多次成形循環(huán)后，逐漸累積的飛濺顆粒將導(dǎo)致粉末的鋪展性降低、致密度下降，同時(shí)顆粒間的空隙增多使得熔池的導(dǎo)熱性變差，從而降低熔池的凝固速率，使得凝固組織發(fā)生變化，最終影響合金的開裂行為及成形性能。

　　因此，采用恰當(dāng)?shù)姆勰┑幕厥仗幚砉に囈彩翘岣叻勰┲貜?fù)使用性、保證成形件具有較好冶金質(zhì)量的關(guān)鍵。

　　綜上所述，金屬粉末物性參數(shù)的調(diào)整，應(yīng)該在綜合考慮打印工藝、制粉成本、操作難度等實(shí)際情況后，通過選擇合適的制粉方式保證粉末的球形度、控制粗細(xì)粉末顆粒尺寸比以及混合比、在允許的情況下對(duì)粉末表面進(jìn)行低表面能改性等二次處理、優(yōu)化粉末的回收處理等手段，使粉末具有合理的粒度分布、更高的球形度、更低的表面粗糙度和表面能，以提升粉末的流動(dòng)鋪展性和粉末床鋪粉密度，減少成形試樣中孔隙和未熔合缺陷的數(shù)量，提升成形致密度，從而提高成形試樣的冶金質(zhì)量。后續(xù)仍需要針對(duì)更廣泛類型的金屬粉末開展系統(tǒng)性的研究，匹配最佳的金屬粉末物性參數(shù)、打印工藝參數(shù)與后處理工藝參數(shù)，進(jìn)一步提升鋪粉激光增材制造的冶金質(zhì)量，以服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防現(xiàn)代化的重大需求。

畢中南;張 鵬;張浩鵬,北京鋼研高納科技股份有限公司;鋼鐵研究總院高溫材料研究所;鋼研國(guó)際新材料創(chuàng)新中心(深圳)有限公司;北京理工大學(xué)材料學(xué)院,202406