目前，增材制造技術(3D打印)發展勢頭迅猛，其具有的高純凈度、高精度的加工性能以及對復雜構件優良的一體成型性受到世界各國的青睞，是當下新興且備受關注的研究重點[1]。鈦合金是一種具有高比強度、高耐腐蝕性和高耐熱性的有色金屬合金，具有良好的生物相容性，被廣泛應用于航空航天和生物醫療領域[2]。鈦合金的加工性能較差，使用傳統的鑄、鍛、焊成型方法存在加工成本高、良品率低等缺點，尤其在構件形狀相對復雜的條件下很難進行高效率加工生產，這極大地制約了鈦合金材料應用領域的進一步擴大。近年來，得益于增材制造技術的快速發展，采用高性能鈦合金粉末為原料的增材制造技術為高精度鈦合金構件生產提供了一種全新的思路[3]：由于鈦合金具有良好的熱塑性和可焊性，可通過激光或電子束熔化逐層堆積的鈦合金粉末并將其凝固成型，在計算機的控制下逐層加工，最終獲得一體化成型的鈦合金構件，且不受構件形狀結構的制約，可用于各種復雜形狀構件的生產。作為該技術中的原材料，鈦合金粉末的質量直接決定了最終成品的質量與性能。不同于傳統的金屬粉末，增材制造用鈦合金粉末需具有一定的球形度、合適的粒度分布以及較低的氧氮含量[4]。目前，應用于增材制造的球形鈦合金粉末的制備技術[5]主要有氣霧化法(GA)及其衍生技術等離子旋轉電極霧化法(PREP)、等離子體霧化法(PA)等。
得益于增材制造產業的飛速發展，球形金屬粉末制備技術也取得了階段性突破。與此同時，隨著計算機技術的發展與計算能力的不斷提升，計算流體動力學(CFD)技術在科研試驗中發揮著越來越重要的作用，尤其對于粉末氣霧化等常規實驗手段難以表征或在線監測的實際過程，數值模擬技術可以再現這一過程[6]。通過構建幾何模型、設定求解模型和邊界條件、運行計算并分析，從而實現對實驗過程中各種物理量(如溫度、速度、壓力等)的預測與分析[7]。近年來，研究人員借助CFD技術對制備技術的破碎機理及工藝優化等方向進行相關研究，推動高質量、低成本球形鈦合金粉末制備技術的進一步發展。本文主要綜述了近年來GA、PREP、PA 3種制備方法在數值模擬等先進研究方法支持下，關于破碎機理及工藝技術結構參數優化的研究進展，并介紹了基于3種制備方法開發試制的新型合金球形粉末工藝技術。
一、氣霧化法研究進展
GA作為目前制備球形鈦粉的主流技術，低廉的加工成本及相對成熟的制備工藝是其具有較高市場占有率的重要優勢。GA制備的粉末擁有較寬的粒度分布范圍，經篩分后可滿足各類增材制造設備的使用需求，是目前金屬增材制造產業原材料供應鏈的中堅力量。但受霧化機理的制約，GA制備的球形粉末空心率和衛星粉率較高，易產生空心粉及衛星粉等缺陷，限制了該工藝的進一步發展[8-9]。
GA經過長期發展，衍生出電極感應熔煉氣霧化法(EIGA)、真空感應熔煉氣霧化法(VIGA)[10]等多種衍生技術。EIGA解決了傳統GA因使用加熱坩堝造成的夾雜物污染問題，通過無坩堝加熱方式減少了雜質的引入，保證了金屬液的純凈度，是目前工藝成熟穩定的主流鈦合金制粉技術。VIGA是在真空度＜2.5×10?2 Pa的環境下對原料進行感應熔煉，通過真空熔煉在一定程度上避免了熔煉環境中雜質對金屬熔液的污染；冷坩堝感應熔煉氣體霧化(VIGA-CC)在真空熔煉基礎上進一步改進，采用水冷銅坩堝防止了高溫下坩堝對金屬熔液的二次污染。VIGA設備具有高度柔性化特性，可制備鈦合金、高溫合金及各類鋁合金等粉末。相較于EIGA，VIGA所制備的粉末擁有更寬的粒徑分布，并能完成大容量金屬粉末的制備；目前VIGA在球形鈦粉市場的占有率較低，未來有望成為工業化生產大容量金屬粉末的主力設備[11]。
GA幾種衍生技術的霧化及熔滴破碎機理無明顯差異，均由高速惰性霧化氣流提供熔滴破碎的動能，主要區別在于金屬原料的熔煉方式不同。EIGA以無坩堝熔煉方式保證了金屬液的純凈度，且采用棒料供給方式，尤其適用于鈦合金這類加工性能較差的金屬。鈦合金棒料具有加工成本低、供應充足穩定等優點，有利于批量大規模生產，因此EIGA是目前增材制造鈦合金球形粉末生產的主要技術。增材制造用球形粉末的適宜粒度主要為15~53 μm，EIGA制備的粉末具有較寬的粒度分布，粒度＜53 μm的細粉收得率占比可達60%~70%，是目前最適于鈦合金粉末生產的制備技術。本章主要以EIGA為GA的代表衍生技術，介紹近年來EIGA在鈦合金球形粉末制備方面的研究進展。
1、霧化工藝優化研究進展
熔煉功率與霧化壓力是決定GA成品粉末質量的主要因素，目前EIGA技術主要通過改變熔煉功率和霧化壓力的組合控制成品粉末的形貌，并提高霧化效率。楊啟云等[12]研究了不同霧化壓力對EIGA制備的TC4合金粉末性能的影響，發現在有限的壓力變化范圍內，隨著霧化壓力升高，粉末的粒度分布逐漸變窄。蔣保林等[13]研究了霧化壓力和熔煉功率對粉末粒徑分布及形貌的影響規律，發現當霧化壓力增加至5.0 MPa時，粉末收得率開始降低。Chen等[14]采用轉速5.5 r/min、進料速率39.0 mm/min、伸管長度2.0 mm、功率60.0 kW、霧化壓力5.5~7.0 MPa的優化工藝，制備了球形度達98%的球形TC4粉末，其相組成為α-β鈦單相固溶體，粒徑分布1~150 μm，平均粒徑49.5 μm，其中適用于增材制造的粉末占比為72.9%，空心粉比例3.0%，氧質量分數0.106%。陳嘉璐等[15]通過系統性協調實驗，提出了一套優化的EIGA工藝參數：熔煉功率60 kW、旋轉速度5.5 r/min、給進速率650 μm/s、噴嘴伸出長度2 mm、霧化氣壓6 MPa。該參數下制備的金屬粉末可滿足激光直接沉積增材制造的用料需求。
熔煉功率決定了單位時間內熔化的金屬熔滴量及其過熱度，進而影響了熔滴的球化時間；霧化壓力決定了單位熔滴所受沖擊能量的大小。研究表明，單位體積熔滴的過熱度越高、受沖擊能量越大，制備粉末的細粉收得率越高。但不同的參數組合對粉末的粒度分布與形貌等特征的影響并不相同：過高的熔煉功率易導致熔滴破碎不完全，過高的霧化壓力則會導致空心粉、異形粉等缺陷的產生。因此，在實際生產中，需依據設備的實際情況，在滿足較高的粉體質量與細粉收得率的前提下，通過優化各參數的組合以提高粉末產量。目前，EIGA已較為成熟，各主要粉末生產廠商均形成了各自成熟的工藝優化方案，進一步提升粉末性能及生產效率的優化空間已進入相對有限的階段。
2、霧化機理研究進展
霧化過程是典型的瞬時發生且極不易觀察的物理過程，自霧化法發明以來，一直缺少合適的基礎理論支撐；霧化機理是霧化技術制備粉末的最本質、最核心的物理現象，對于霧化法的長遠發展具有重要意義。近年來，借助CFD和高速攝影技術，霧化機理的相關研究取得了突破性進展。
Qaddah等[16]建立了基于雷諾茲-平均 Navier-Stokes(RANS)方法的渦旋超音速惰性氣體射流模型，研究了噴嘴出口狹縫尺寸和霧化室過壓對旋流氣流的影響，并描述了旋轉氣體流通過EIGA噴嘴及其下游的行為。仿真結果表明，噴嘴產生的氣體流形成了一個由多個馬赫環組成的強不對稱旋轉射流。增大噴嘴出口狹縫尺寸會顯著增加渦流數，導致霧化塔中氣體噴射的不對稱性加劇；同時，狹縫尺寸影響霧化區域的馬赫環結構，如圖 1所示，當狹縫尺寸由0.6 mm增加到0.8 mm時，每個馬赫環中最大馬赫數增加約10%。該研究通過模擬旋轉氣體流經噴嘴及其下游的行為，預測霧化氣體壓力的增加、噴嘴出口狹縫尺寸的增大、熔化室中過壓的減小等，均有利于產生更細的粉末。
Zou等[17]采用數值模擬和實驗相結合的方法，研究了霧化壓力、補充氣體壓力和噴嘴通道擴散角對TC4不連續液滴預破裂行為的影響。研究結果顯示，在滯止點之前的回流區，軸向速度分布總體呈先增加后減小再顯著增加的趨勢，回流區的壓力隨進氣壓力的增加而增加。隨著補充壓力(熔煉室向霧化室方向施加的壓力)的增加，回流區域的速度和范圍逐漸減小。同時，隨著噴嘴通道的擴散角增大，滴液的預破裂效率逐漸降低。
Qaddah等[18]采用高速視頻可視化技術，研究了不同霧化壓力下EIGA制備Ti64粉末的破碎機理，其主要破碎過程與目前已知的霧化破碎機制基本一致。研究發現，當霧化氣體壓力較高時，液體穿過馬赫盤導致液滴與氣體之間的速度急劇增加，韋伯數增大，促進纖維破裂模式在破碎過程中占主導地位。次級破碎機制包括袋破碎(霧化壓力較低時)、多袋破碎與剪切破碎機制。此外，Qaddah等通過觀測技術對非限制噴嘴霧化過程中因粉末回流導致的噴嘴堵塞現象進行了深入研究。結果表明，熔煉室壓力降低或霧化壓力增加，均會導致如圖2所示液柱導流區域氣體壓力增加及氣體動能下降。該區域壓力的升高會導致熔滴破碎條件由袋式向片狀剝離式惡化轉變，大片熔滴液片與馬赫環沖擊波作用破碎為細小纖維顆粒，這些纖維顆粒極易受回流氣體作用從而導致噴嘴堵塞；同時，導致該區域與熔煉室的壓力差減小，影響金屬液流的引入效果，加劇粉末回流。
霧化機理的相關研究有助于科研人員了解熔滴霧化的全過程，并基于對霧化氣流流場分布、回流氣流形成原因、氣流速度與能量等方面的認識，優化霧化器結構設計，進一步提高霧化效率，改進粉體質量。
3、新牌號及含稀土球形鈦粉研究進展
目前，EIGA技術主要應用于TC4和TA15鈦合金粉末的生產。為滿足日益增長的增材制產品使用需求，可用于增材制造的新牌號球形鈦粉的制備成為近年研究的熱點。
TA17鈦合金是核電領域潛在的重要結構材料。常見的鋼、銅等結構材料在反應堆環境中極易被腐蝕，而TA17鈦合金具有很強的抗腐蝕能力；但因其加工性能較差，目前在核電領域的實際應用較少。付超等[20]使用EIGA制備了10~61 μm和106~160 μm 2種粒度規格的TA17合金粉末，該工作利用增材制造技術解決了TA17鈦合金難加工的問題，為未來其在核電領域的大量應用奠定了基礎。以鐵為β穩定劑的鈦基生物材料植入物具有優越的生物相容性和較低的價格，Careau等[21]使用EIGA法成功制備了低成本、高性能的低氧量Ti-5Fe粉末，該粉末擁有良好的球形度，且相較于TC4合金具有更好的生物相容性，在生物醫療領域展現出巨大的發展潛力。TiAl合金具有很高的比強度、優異的高溫穩定性和耐腐蝕性，目前主要應用于增材制造難變形耐火合金。Illarionov等[22]對EIGA制備的Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末進行了物化分析及性能測試，并將其用于增材制造實驗。結果表明，該球形粉末具有富含鈮元素的樹枝狀結構，樹枝間區域富含鋁和鉻；由于霧化過程的高速冷卻，粉末形成了亞穩態α單相，其松弛彈性模量為105~140 GPa，納米硬度為7.13~8.82 GPa。Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末的相組成并不穩定，在增材制造過程中粉末會發生氧化，溫度達到500℃時氧化過程開始發展，在900℃以上時氧化速率顯著加快。NiTi合金具有良好的生物相容性、獨特的形狀記憶效應和超彈性，但其可加工較差且成分敏感性高[23-24]。Xie等[25]使用EIGA，通過促進不連續液滴破裂的方式制備了用于選擇性激光熔化的NiTi球形粉末，并研究了氣體壓力和導管長度對NiTi粉末粒徑分布和形貌的影響。結果表明，當霧化壓力為5 MPa、導管長度為28 mm時，粒度在0~53 μm的成品粉末產率為51.65%。
近年來，VIGA發展迅速，其基本霧化機理與EIGA相似，目前主要應用于新牌號難熔金屬球形粉末的制備研究。侯維強等[26]使用數值仿真技術研究VIGA在不同霧化壓力下的金屬熔滴霧化過程。結果表明，霧化點回流區的氣體速度和滯止壓力隨霧化壓力的增加而增大；粉末粒度隨霧化氣壓的增加不斷減小，增加霧化壓力有助于提高細粉收得率。蔣保林等[27]采用100~600℃不同溫度的霧化氣體，探究了氣體溫度對粉末特性的影響規律。結果表明，隨氣體溫度升高，粉末的整體粒度分布明顯變細，粒度分布圖明顯向左偏移；較高的氣體溫度有助于延長熔滴的冷卻時間，使液滴有更充分的球化過程，從而減少衛星粉缺陷，提高球形度及流動性。
稀土元素因其獨特的電子結構，能夠顯著提高原材料的力學性能。近年來，研究人員嘗試制備含稀土元素的鈦合金球形粉末。Kim等[28]采用VIGA-CC技術制備了商業純鈦(CP-Ti)粉末和添加稀土元素釔的Ti-Y合金粉末。如圖3所示，能譜儀(EDS)分析圖中綠色部分為釔元素。結果表明，釔元素的加入對粉末的微觀結構、尺寸與顯微硬度性能參數均有顯著影響：釔元素通過增加α-Ti的成核位點抑制晶粒生長，使鈦合金晶粒平均粒徑減少約35%；同時，由于原位形成氧化釔，Ti-Y粉末的平均氧濃度較CP-Ti粉末降低約46%，有利于進一步提高增材制造成品的力學性能，且該粉末經測試符合增材設備使用要求。由于稀土元素較為活潑，含稀土鈦合金的增材制造技術目前仍處于實驗階段。其主要難點一方面在于稀土元素添加量的確定，另一方面在于增材制造工藝的適配改進。未來，作為原料的稀土鈦合金粉末的發展仍依賴于增材制造技術的進一步突破。
二、等離子旋轉電極霧化法研究進展
PREP將母合金原料制備成棒狀的陽極自耗電極，金屬母棒通過轉軸高速旋轉，在惰性氣體環境下受等離子電弧的作用熔化[29-30]。目前等離子炬主要分為如圖4所示的非轉移弧等離子炬和轉移弧等離子炬2種結構[31]。相較于GA的二次破碎過程，PREP制粉過程中熔滴只需進行一次霧化。熔化的液滴在離心力作用下破碎為細小液滴，在惰性氣氛中球化并凝固為球形粉末。
1、等離子旋轉電極霧化法粉體優異性研究
采用PREP制備的鈦合金粉末表面更光滑，球形度更高且衛星粉與空心粉率極低，粉體質量優異。但受電極轉速的限制，粉末粒徑偏大、細粉收得率低且粒度分布較窄[32-33]；同時，該技術設備結構較為復雜、產能較低，導致現階段生產成本較高[34-35]。PREP制備的粉末目前主要用于對產品致密度、均勻性等性能有較高需求的增材制造零件的原料生產，其制備的高品質粉末在金屬增材領域具有獨特優勢。Zhao等[36]對比研究了分別采用GA、PA、PREP制備的金屬粉末的流動性差異，并基于離散元法(DEM)數值模擬，分析了顆粒尺寸分布、顆粒形貌和顆粒表面特征對流動性的影響。實驗采用由內徑為50 mm的旋轉鋁滾筒組成的旋轉粉末分析儀，以粉末在旋轉氣流中的雪崩角(粉末在轉鼓中流動時，其表面發生周期性崩塌的斜面與水平面的夾角)表征流動性，雪崩角越小則流動性越好。結果如圖5所示，GA、PA和PREP制備粉末的平均雪崩角分別為38.5°、36.5°和24.2°，表明PREP制備粉末流動性最好。該差異是粉末球形度、粒度分布及表面形貌共同作用的結果。DEM數值模擬可以單獨研究上述參數對粉末流動性的影響，仿真結果表明粒度分布對流動性影響較小，表面形貌是決定流動性的主要因素。PREP粉末具有良好流動性的原因在于其高度的球形度和較薄的表面氧化層，表面氧化層會增加球體表面粗糙度，在粉末運動過程中易引發機械聯鎖，阻礙粒子之間滑動或滾動，從而降低宏觀流動性。
Ruan等[37]分別對GA和PREP制備的IN718鉻鎳鐵合金粉末在激光粉末床熔融(LPBF)工藝中的應用進行了比較研究。結果表明，在相同LPBF工藝參數下，2種組分具有相似的熔池、枝晶間距、晶徑和析出物，成形件具有相似的成形質量和力學性能；但PREP粉末具有更寬的加工窗口，成形質量比GA粉末更穩定，GA粉末較差的粉體形貌和流動性可能導致構件性能波動較大。Li等[38]研究了PREP工藝對TA1及TC4鈦合金粉末形貌的影響。結果表明，電極轉速對粉末的合金相沒有影響：TA1粉末的相結構主要為α相，TC4粉末的相結構主要為α′相。TC4粉末粒徑越大，其β型晶體形貌越明顯。粉末表面存在開裂和光滑2種形態，如圖6所示，粒徑越小、冷卻速率越高，表面越光滑；隨著粒徑增加，β型鈦合金在快速冷卻過程中體心立方結構的典型結晶行為，導致粉體表面逐漸出現裂紋。以上研究表明，相較于其他制粉技術，PREP粉末高品質的關鍵點在于其成分均勻、形貌極佳的微觀特征，由此體現了宏觀上極佳的性能。未來，PREP技術仍需以降低成本為主要攻關目標，進一步拓寬粒度分布范圍。低成本PREP制粉技術的應用，將為金屬增材制造產業帶來極具突破性的技術飛躍。
2、工藝改進及新種類合金制備
孫浩智[39]針對旋轉驅動機構成本過高及驅動力不足的缺點，采用中空電機轉子通過靜摩擦力帶動中心加工錐柄旋轉的方式，設計了新型低成本、高效率的驅動機構，并通過數值模擬驗證了該機構的運行穩定性。近年來，驅動電機的轉速不斷取得新突破，設計低成本、高轉速的驅動裝置是PREP工藝降本增效關鍵途徑，對于擴大PREP制粉的粒度分布范圍也具有積極影響。
目前可應用于PREP制粉的合金種類較少，鈦合金類以TC4、TA15牌號為主。鄺泉波等[40]采用PREP成功制備了Ti-6.5Al-1.4Si-2Zr-0.5Mo-2Sn鈦合金粉末，通過真空自耗電弧熔煉技術制備陽極母棒，得到了球形度高且無衛星粉、空心粉的高品質成品粉末；陳光潤等[41]制備了TC4球形鈦合金粉末，并研究了電流和電極轉速對粉末粒度分布及特性的影響。常規牌號的PREP鈦粉制備技術已較為成熟，目前具有一定的市場占有率。
此外，基于PREP良好的制粉特性，非增材類原料粉的需求也在逐年增加。鈦基體復合材料(TMCs)是通過將少量高熔點、高硬度的陶瓷增強相加入鈦或鈦合金基體中制成的鈦合金材料，具有高比剛度和比強度，并克服了高溫軟化和低耐磨性的問題。Liu等[42]采用PREP制備納米級硼化鈦晶須(Ti-TiBw)復合粉末作為原料粉，解決了使用傳統Ti-TiBw生產工藝因高溫導致的TiBw粗化問題，防止了材料出現嚴重應力集中，對提高TMCs性能具有重要意義。高品質的PREP制粉技術為粉末冶金、陶瓷燒結等相關材料的開發提供了一套嶄新的技術支持方式。
三、等離子體霧化法研究進展
PA采用絲材原料供給方式。絲材經校直后，以恒定速度送入等離子體射流中被熔化，隨后被霧化氣流破碎沖擊為超細液滴，冷卻凝固后形成細小粉末[43-44]。為保證絲材熔化的均勻性，沖擊絲材的等離子體射流構型經歷了單射到三射流的發展過程。PA最大的優點在于熔化后的金屬液滴具有很高的過熱度，使其在霧化塔內有充分的冷卻時間進行球化，因此PA制備的粉末球形度極佳，且衛星粉缺陷較少[45]。受絲材原材料制約，目前可用于絲材加工的鈦合金種類較少，研發更多種類的鈦合金絲材是推動PA未來應用發展的關鍵。
1、機理研究與工藝優化進展
Zhang等[46]使用數值仿真技術對PA過程中預破碎熔滴(PbMD)進行了研究，建立了適用于該過程表征的現象學模型，闡明了預破碎熔滴生成過程中熔融金屬狀態的變化并推導出計算其尺寸的理論方程，同時借助高速攝像機進行輔助驗證。如圖7所示，PA過程中預裂熔滴的形狀呈典型對稱的淚滴形或橢圓形，其最小平均尺寸為0.417 mm，最大平均尺寸為0.537 mm，中值平均尺寸為0.493 mm，中值平均尺寸約為EIGA所制粉末典型尺寸的10倍。研究還發現，增加霧化氣體流量可以減小粉末的粒徑尺寸與分布寬度，但會降低球形度；增加電弧電流則可以增大粉末粒徑并改善球形度。該研究對PA工藝的進一步優化具有重要指導意義。
張清波[47]針對霧化過程的傳熱傳質行為及其對粉末質量影響規律展開研究，并通過實驗觀測、數值模擬和理論推導等手段，總結了傳熱傳質行為對粉末球形度、平均粒度及粒度分布的影響規律。Dharmanto等[48]創新性地使用石墨材質的等離子體管道，延長了熔融金屬和熱等離子體射流的相互作用時間，使熔融金屬能夠獲得足夠過熱度，從而形成完全球形的顆粒，減少了衛星粉缺陷。通過對導管等離子體霧化過程中最佳電流和壓力參數的研究，Dharmanto等成功制備了無衛星粉的球形鈦基合金粉末。結果表明，在電流45 A、氣壓2.5×10? Pa、送絲速度2 mm3/s的工藝參數下，可以得到如圖8所示的粒徑分布最窄的粉末。該技術對提高粉末流動性、增強增材制造產品的力學性能具有重要意義。肖瑜等[49]將PA和絲材電弧噴涂技術相結合，開發出新型電弧熔融等離子體霧化裝置，并通過實驗驗證表明，采用該技術可將粉末出粉速率提高2~7倍。
2、制備粉末研究進展
PA受益于其獨特的熔融霧化機理，相較于其他制備工藝更容易獲得小粒徑粉末。de Morais等[44]采用PA制備了小粒徑Nb-48Ti合金粉末；Habibnejad-Korayem等[50]使用PA成功制備了粒度范圍在15~106 μm的TC4鈦合金粉末，并已成功應用于激光粉末床熔覆設備。激光粉末床熔覆技術首選的原料為15~45 μm粒度范圍鈦合金粉末。GA等制備工藝在此范圍內的粉末收得率較低，而PA能夠以相對低的成本獲得該粒徑范圍的粉末，隨著激光粉末床熔覆技術的不斷發展，相關粉末的需求會逐漸增長。Smirnov等[51]以商業純度VT1-00鈦制成的導線為原料，采用PA進行了鈦粉試制，所制備的成品粉末具有0.99的高球度形，其流動性及振實密度可滿足大多數增材制造工藝的要求，但純鈦的力學性能相對不佳，在鈦合金粉制備成本相對低廉的現階段，該技術的優勢體現有限。
結束語
(1) 隨著鈦合金增材制造產業的快速發展，國內以EIGA為代表的主流球形鈦粉制備技術已較為成熟。EIGA具有較寬的粒度分布和較高的細粉收得率，能夠在較低成本下規模化生產適用于增材制造的鈦合金粉末，是目前增材制造粉末市場的主要供應技術。EIGA、PREP、PA 3種鈦粉制備技術的對比如表1所示。PREP最大的優勢在于采用離心力作為熔滴破碎的能量來源，所制備的粉末球形度好、粉體質量高，但缺點在于生產成本較高且粒度分布范圍較窄。目前，PREP在鈦合金增材制造市場占有一定份額，在對粉體質量有特殊要求的應用場景中具有明顯優勢。PA能夠使金屬液滴獲得很高的過熱度，相比于EIGA，PA有著更長的熔滴球化時間，故其粉末球形度明顯高于EIGA制備的粉末。PA法目前在鈦合金增材制造粉末市場的占有率較低，主要原因是其采用金屬絲材作為原料，而鈦絲加工難度較大且成本較高。
表1 3種鈦粉制備技術對比
| 制備技術 | 球形度 | 細粉收得率 | 缺陷粉數量 | 粒度分布范圍 | 成本 |
| EIGA | 較好 | 高 | 多 | 寬 | 低 |
| PREP | 優 | 低 | 極少 | 窄 | 很高 |
| PA | 優 | 較低 | 較少 |
| 高 |
(2) 目前，TC4和TA15仍是增材制造用鈦合金球形粉末的主要牌號，可用于大規模生產的TA1、TiAl等新牌號的球形粉末制備技術研究，對鈦金屬增材制造產業的長遠發展具有重要的推動作用。同時，添加稀土元素的鈦合金球形粉末開發對提高增材成品件的力學性能具有顯著影響，但受制于稀土元素活潑性的制約，亟需配套增材制造技術的進一步發展，未來有望成為新興的研究熱點。
(3) 針對霧化機理及噴嘴優化的研究是進一步提高氣霧化粉體質量的關鍵。同時，由于封閉霧化塔結構易導致衛星粉缺陷，未來也需進行流場優化、粉體篩分及新型后處理技術的研究開發，以減少衛星粉缺陷，提高粉末的流動性和振實密度。PREP、PA制備的球形粉末具有極佳的形貌與性能，降低生產成本是關系二者長遠發展的關鍵。近年來，PREP的核心驅動電極轉速不斷取得突破，多種新牌號原料的合格球形粉末通過PREP和PA成功制備，未來可能代替GA成為主流的球形鈦粉制備技術。
(4) 數值仿真和高速攝影技術相結合的方法，為氣霧化熔滴破碎機理及噴嘴的改良設計提供了新思路。通過該技術可直觀還原熔滴破碎冷卻的全過程，對GA機理研究與工藝技術參數調整具有重要意義；建立并完善更適用于GA研究的仿真模型是未來的研究重點。借助數值仿真技術提前對新牌號鈦合金粉末制備過程中熔煉功率等工藝參數進行優化，能夠大幅縮短新材料制備最佳工藝參數的方案開發時間并降低成本。
(5) 鈦合金粉末制備技術將朝著多元化、精益化、智能化發展。工藝方面，許多新的制備技術已初現端倪，如緊耦合氣霧化、層流超聲霧化等先進制粉技術勢必帶動行業實現更大飛躍。智能化方面，在人工智能技術與數值仿真技術支持下，使用機器學習算法分析工藝參數數據庫并建立可靠的人工智能工藝系統，將使未來的參數優化調整更為快速、便捷。
目前球形鈦合金粉末年產量已基本滿足行業需求，市場結構正由供方市場逐漸轉向需方市場。具備更高粉體質量、更低能耗和更多元化的鈦粉制備工藝技術將是下一步球形鈦粉產業發展的重點。然而，我國球形鈦粉制備技術與世界先進水平仍有一定差距。在已有制備技術的工藝優化、霧化機理的深入研究、新型粉末制備技術的設計研發等方面，仍有很大的研究空間和發展前景。
參考文獻
[1] 張襯新. 增材制造用鈦合金粉末的制備現狀. 有色冶金設計與研究，2023，44(4): 15
[2] 侯維強，孟杰，梁靜靜，等. 增材制造用高溫合金粉末制備技術及研究進展. 粉末冶金技術，2022，40(2): 131
[3] 韓壽波，張義文，田象軍，等. 航空航天用高品質3D打印金屬粉末的研究與應用. 粉末冶金工業，2017，27(6): 44
[4] 陸亮亮，張少明，徐駿，等. 球形鈦粉先進制備技術研究進展. 稀有金屬，2017，41(1): 94
[5] Withers J C, Shapovalov V, Storm R, et al. The production of titanium alloy powder. Key Eng Mater, 2013, 551: 32
[6] 胡家齊，程宗輝，白兵. 霧化制粉過程模擬仿真研究進展. 粉末冶金工業，2022，32(5): 103
[7] 張哲軒，趙文天，張會華，等. EIGA霧化噴嘴對氬氣-鈦粉兩相流模擬研究. 兵器材料科學與工程，2021，44(2): 78
[8] 王博亞，盧林，吳文恒，等. 氣霧化制粉技術研究進展. 粉末冶金工業，2019，29(5):
[9] 王琪，李圣剛，呂宏軍，等. 霧化法制備高品質鈦合金粉末技術研究. 鈦工業進展，2010，27(5): 16
[10] 趙少陽，王利卿，談萍，等. VIGA-CC法制備球形Ti-35.8Al-18.4Nb合金粉末及其性能研究. 粉末冶金技術，2020，38(6): 443
[11] 馮駿驍，左野，王勇，等. 真空霧化制粉技術研究進展及展望. 真空，2022，59(6): 87
[12] 楊啟云，吳文恒，張亮，等. EIGA霧化法制備3D打印用Ti6Al4V合金粉末. 粉末冶金工業，2018，28(3): 8
[13] 蔣保林，管曉穎，葉國晨，等. 壓力和功率對EIGA制備TA15粉末的影響. 裝備制造技術，2024(2): 21
[14] Chen J L, Zhang L, An R. Characterization of TC4 alloy powder prepared by EIGA for laser 3D printing. J Phys Conf Ser, 2023, 2468(1): Art No. 012054
[15] 陳嘉璐，安然，董歡歡，等. EIGA工藝參數對制備激光3D打印用TC4合金粉末特性的影響. 粉末冶金工業，2023，33(6): 38
[16] Qaddah B, Chapelle P, Bellot J P, et al. Swirling supersonic gas flow in an EIGA atomizer for metal powder production: Numerical investigation and experimental validation. J Mater Process Tech, 2023, 311: Art No. 117814
[17] Zou H P, Li F L, Ngai T, et al. Effect of free-fall nozzle channel dispersion angle on TC4 discontinuous droplets pre-breakup in EIGA. J Wuhan Univ Technol-Mater Sci Ed, 2023, 38(1): 171
[18] Qaddah B, Chapelle P, Bellot J P, et al. Primary and secondary breakup of molten Ti64 in an EIGA atomizer for metal powder production. Powder Technol, 2024, 438: Art No. 119665
[19] Qing Y Q, Guo K K, Liu C, et al. Impact of atomization pressure on the particle size of nickel-based superalloy powders by numerical simulation. Materials, 2022, 15(9): 3020
[20] 付超，葉義海，陶濤，等. EIGA法制備TA17合金粉末的激光增材適應性研究. 材料科學與工藝，2021，29(5): 91
[21] Careau S G, Ulate-Kolisky E, Bois-Brochu A. Ti-5Fe spherical powder alloy prepared by electrode induction gas atomization processes(EIGA) for additive manufacturing of biomedical implants. Mater Lett, 2023, 352: Art No. 135238
[22] Illarionov A G, Karabanalov M S, Shabanov M A, et al. Structure and properties of the powder for additive synthesis of alloys based on titanium aluminide TiAl. Met Sci Heat Treat, 2024, 66(3/4): 137
[23] Mohd Jani J, Leary M, Subic A, et al. A review of shape memory alloy research, applications and opportunities. Mater Des, 2024, 56: 1078
[24] Gan J, Duan L C, Li F, et al. Effect of laser energy density on the evolution of Ni4Ti3 precipitate and property of NiTi shape memory alloys prepared by selective laser melting. J Alloys Compd, 2021, 869: Art No. 159338
[25] Xie B, Li W, Liu X Y, et al. Effects of gas pressure and catheter length on the breakup of discontinuous NiTi droplets in electrode induction melting gas atomization. Mater Res Express, 2024, 11(2): Art No. 026511
[26] 侯維強，吳佳欣，孟杰，等. 不同霧化壓力下GH3536合金粉末制備和氣霧化過程模擬. 粉末冶金技術，2023，41(5): 410
[27] 蔣保林，魏放，陸雪雯，等. 氣體溫度對VIGA制備GH4169合金粉末的影響. 現代制造技術與裝備，2024，60(5): 148
[28] Kim D K, Kim Y I, Kim Y D. Comparative study for microstructural characterisations and properties of Ti-Y powders produced by vacuum induction gas atomization cold crucible process. Powder Metall, 2021, 64(5): 396
[29] 李晶，閆峰，王錦，等. 航天領域3D打印材料及工藝技術研究現狀. 粉末冶金工業，2024，34(2): 116
[30] 喬振興，劉增林，張德金，等. 等離子旋轉電極霧化制備H13合金特種粉的特性表征. 粉末冶金工業，2024，34(3): 101
[31] Zhang Y, Song M H, Li Y, et al. Effect of preparation process on the microstructure and characteristics of TiAl pre-alloyed powder fabricated by plasma rotating electrode process. Crystals, 2024, 14(6): Art No. 562
[32] Fan X P, Tian Q X, Chu X, et al. Microstructure and mechanical properties of Co31.5Cr7Fe30Ni31.5 high-entropy alloy powder produced by plasma rotating electrode process and its applications in additive manufacturing. J Mater Res Technol, 2024, 31: 1924
[33] 宋美慧，李艷春，張曉臣，等. 高轉速PREP法制備鈦合金粉末工藝研究. 化學工程師，2022，36(11): 1
[34] 湯鑫，李愛紅，李博. 球形鈦及鈦合金粉制備工藝研究現狀. 粉末冶金工業，2018，28(2): 58
[35] 吳文恒，王濤，范玎. 增材制造用球形金屬粉末主要制備技術的研究進展. 機械工程材料，2021，45(11): 76
[36] Zhao Y F, Cui Y J, Hasebe Y, et al. Controlling factors determining flowability of powders for additive manufacturing: A combined experimental and simulation study. Powder Technol, 2021, 393: 482
[37] Ruan G, Liu C, Qu H Q, et al. A comparative study on laser powder bed fusion of IN718 powders produced by gas atomization and plasma rotating electrode process. Mater Sci Eng A, 2022, 850: Art No. 143589
[38] Li C Y, Song M H, Zhang X C, et al. Preparation of titanium alloy powder by plasma rotating electrode process // Proceedings of 20th Chinese Materials Conference. Chengdu, 2019: 79
[39] 孫浩智. 等離子旋轉電極霧化制粉高速旋轉驅動機構的設計與分析. 機械研究與應用，2022，35(2): 35
[40] 鄺泉波，鄒黎明，蔡一湘，等. 等離子旋轉電極霧化法制備高品質Ti-6.5Al-1.4Si-2Zr-0.5Mo-2Sn合金粉末. 材料工程，2017，45(10): 39
[41] 陳光潤，馬蘭，楊紹利，等. TC4ELI鈦合金高品質球形粉末的制備. 鋼鐵釩鈦，2024，45(4): 23
[42] Liu H Y, Li S F, Li L, et al. Microstructure and mechanical properties of Ti-TiBw-x%Cu composites by powder metallurgy using atomized Ti-TiBw powder as raw materials. Vacuum, 2023, 217: Art No. 112521
[43] 唐超蘭，張偉祥，陳志茹，等. 3D打印用鈦合金粉末制備技術分析. 廣東工業大學學報，2019，36(3): 91
[44] de Morais W A, Falc?o R B, Jr M B, et al. Fatigue behaviour of additive manufactured Nb-48Ti alloy parts from powders produced by plasma atomization(PA) and hydride-dehydride(HDH) process. Eng Fail Anal, 2024, 156: Art No. 107762
[45] 王保懷. 等離子體激勵強化航空燃料霧化的方法研究[學位論文]. 沈陽: 沈陽航空航天大學，2023
[46] Zhang Q B, Yu D P, Liu F Y, et al. Modeling on the size of the pre-breaking molten droplet in plasma atomization for controlling the size of the produced powders. Appl Therm Eng, 2023, 232: Art No. 121031
[47] 張清波. 等離子體霧化制粉過程建模及粉末質量控制研究[學位論文]. 成都: 四川大學，2023
[48] Dharmanto, Ario Sunar B, Sugeng S, et al. New design of conduit plasma atomization for fabricating spherical metal powder and its optimization using design of experiments method. Powder Metall Met Ceram, 2022, 60(9/10): 531
[49] 肖瑜，余德平，范穎，等. 面向球形金屬粉末制備的電弧熔融等離子體霧化裝置的設計. 機械，2024，51(3): 25
[50] Habibnejad-Korayem M, Lalh M, Schunk C, et al. Offsize particle size utilization for laser powder bed fusion processing of plasma atomized Ti-6Al-4V powders: Impacts on part properties and powder safety. J Manuf Process, 2023, 107: 559
[51] Smirnov S A, Kirsankin A A, Kalaida T A. Properties of the spherical titanium VT1-00 powder fabricated by plasma atomization of a wire. Russ Metall, 2022(7): 741
（注，原文標題：鈦合金球形粉末制備技術研究進展_曹磊）
相關鏈接
