西馬克增材制造技術研究

文／T. Brune, Y. Wilkens, P. Weiland, J. Odenthal, N. Vogl,·西馬克集團

譯／西馬克工程（中國）有限公司

西馬克集團增材制造研發中心，將增材制造產業的整個價值鏈作為研究方向，其研發制造的霧化粉末設備，可以生產高品質的金屬粉末，具有成本低、效率高的優勢。該設備集成了衛星粉防控技術，極大地降低了不合格粉末顆粒的含量，同時，通過對霧化過程進行CFD 計算流體動力學仿真(以下簡稱“CFD 仿真”），優化了緊耦合噴嘴的設計，提高了金屬粉末的性能和收得率。為了確保金屬粉末的質量，西馬克集團也一直在研究不同粉末的性能，并探索更好的檢測方法。

增材制造研發中心

西馬克集團為增材制造企業提供先進技術，用以生產高品質和高純度的金屬粉末。西馬克集團增材制造研發中心通過不斷努力，對工藝鏈各環節的集成積累了豐富經驗。尤其是在粉末生產和增材制造工藝上，通過不斷積累的專業知識，在技術和經濟性上取得很大提升。目前，增材制造已經廣泛應用于設備零部件的生產。研發中心的核心工作為用霧化系統(圖1）生產高質量的金屬粉末，然后將金屬粉末篩選分級和分裝。

粉末霧化設備將原材料裝入坩堝，在真空或者惰性氣體保護下進行電感應加熱至液態。更換不同容量的坩堝可改變其產能，最多一次可熔融500kg 原材料。接下來，熔融態的金屬通過一個中間包送到霧化裝置，與冷態或熱態的惰性氣體一起，通過緊耦合噴嘴完成霧化過程。優化噴嘴結構設計，可以提高精細金屬粉末收得率，改進顆粒形態，為此，對霧化工藝過程進行CFD 仿真。

為了改進顆粒的微觀形態，金屬粉末霧化設備配備了一套衛星粉防控系統，該系統同時集成了粉末分級和分裝等下游工序，可采用多種合金原料來生產高品質金屬粉末。

霧化工藝

為了優化金屬粉末的質量和產量，首先要明確各工藝參數、霧化參數對粉末屬性的影響。所謂粉末屬性，就是指粉末的粒度分布、顆粒形狀、體積密度和流動性。霧化工藝的仿真，是以液態金屬和惰性氣體等介質作為仿真對象，對量化的動態流體進行模擬，從而研究不同參數對粉末顆粒形態的影響。

圖1 西馬克金屬霧化粉末設備

在CFD 仿真分析中，計算區域被細分為很多的可控體積元。通過選取合適的方法，量化并獲得描述流體物理變化過程的非線性微分方程組，進而求解數值。

仿真的難點在于，在溫度范圍從-200 ℃到1700℃的霧化過程中，如何模擬所產生的壓縮超聲波流的極限速度。原因在于并非整個霧化過程都可通過可控體積元表現出來，液滴成形的物理過程中，典型晶核一般小于1 微米，但是霧化設備本身會將其放大6 到7 個數量級，造成可控體積元的數量遠遠超過了計算機的計算能力。因此，必須建立基于經驗的亞網格模型才能進行金屬液滴成形計算，類似的方法也用于柴油發動機的燃燒等模型上。但遺憾的是這些方法并不能照搬到這個案例上。為了建立該亞網格模型，我們先用水模型測試加以驗證。我們與德國達姆斯塔特工業大學流體力學和空氣動力學教授共同發起了一個研究項目，在合作的第一階段就驗證了純氣態流體的計算結果。

圖2 顯示了使用聚焦紋理技術確定的縱向密度梯度dρ/dy在pin=15 公斤壓力時，在緊耦合式霧化噴嘴處使用CFD 仿真所得到的梯度對比。對比可知，普朗特-邁耶爾膨脹波、重壓波、自由噴射層、再循環區、停滯點和噴射區等特征現象的數據，可重復性非常好，特別是馬赫盤的位置和沖擊角度的預測相當準確。

圖2 數據對比

液滴成形模型的建立和驗證仍在進行中，圖3 顯示了已獲得的水基測試設備的霧化計算初步結果。然而，對于水基測試設備和生產設備，還需要進行額外的計算和相應的試驗，以調整該模型的參數來適應更廣泛的應用。

圖3 不同氣體壓力(空氣)下計算的水滴尺寸分布形態

此外，必須對粉末塔中金屬熔滴固化的路徑進行數學建模。由于金屬熔滴表面冷卻速度非?？?，即使低于熔化溫度，其內核仍然是液態的。液滴只有達到一定的過冷度和具有一定數量的晶核之后，才會發生相變，釋放熔化熱量，形成凝態液滴。其目標是計算所得和實際生產所得的粉末粒度分布在一定偏差范圍內。能否實現這一目標，則取決于目前計算流體力學仿真所能實現的能力極限。

金屬粉末特征描述

描述增材制造用金屬粉末的質量，必須知道與質量相關的粉末特性、所要求的性能特點以及合適的測量方法，后兩個要求需要做深入研究。大多數測量方法源自其他技術領域，因此，在金屬增材制造領域也應該建立適用于不同粉末特性的測量方法。西馬克集團最新的研究表明，根據現行標準，個別粉末特征描述方法只是部分適用。

粒度分布，作為金屬粉末關鍵性能特征，它由增材制造(AM）工藝決定。金屬粉末的分類，由集成的篩分和空氣分級工序完成。所獲得的粒度分布實際狀態，通過試驗室的動態圖像分析來鑒別。

金屬粉末優良的流動性，對激光粉床熔化成形工藝(LPBF）至關重要。在粉末沉積過程中，良好的流動性(鋪展性）可使鋪出粉層的質量足夠薄、光滑，且均勻和致密性好。流動性差的粉末在應用過程中會產生問題，并導致粉層不均勻。此外，良好的流動性也影響其在增材制造系統中的傳輸。流動性的這兩個方面在文獻和標準化上都沒有很好的區分開。對于粉末流動性的要求，一方面不同的增材制造工藝要求不同，另一方面設備與設備的要求也不同。西馬克金屬粉末的良好流動行為，在內部測試實驗室中可通過測量不同特征數據(如霍爾流時間或豪斯納比）來進行監測。

顆粒形貌作為粉末的特征，代表了粉末顆粒的平均形狀。激光粉床熔化成形工藝，要求金屬粉末盡可能球形化。隨著粉末顆粒球形度的增加，其流動性和相應的粉末密度都能得到改善，從而產生工藝上的優勢。氣霧化粉末顆粒的形貌與球形略有差異。雖然在制造工藝上可以減少諸如衛星粉等顆粒方面的缺陷，但不可能完全避免。

圖4 不銹鋼316L(1.4404) 粉末的 REM 圖像

REM 圖像可以很好地描述粉末的形貌。圖4 是一張由西馬克集團生產的316L(1.4404）金屬粉末的圖片。這些粉末顆粒具有高球形度和極少的衛星粉數量。定量地說，粒子的平均形態可以通過不同的形貌系數來確定，這些可以用數學方法將粒子進行投影而計算出來。西馬克通過動態圖像分析和球形度的計算，將高球形度金屬粉末的形貌系數作為技術指標加以監控。

為了完整地描述粉末的特性，還需要對其化學成分、污染物、粉末密度和水分含量等加以描述。

衛星粉防控技術

在霧化過程中，凝固的小粉末顆粒與半凝固大粒子發生碰撞后，會粘附在上面而形成衛星粉，它是氣霧化金屬粉末中最常見的缺陷。在粉末生產過程中，噴射錐霧中細小的凝固顆粒由于再循環效應，作為塵埃云從霧化塔的下部回流到霧化區域，圖5 顯示了內部循環產生衛星粉的過程。當細小的凝固顆粒上升到腔室的上部并返回到霧化區時，它們會粘附于正在凝固的大顆粒上。

圖5 衛星粉的形成原因

我們增加了衛星粉防控系統，該系統作為粉末霧化設備的模塊化單元，顯著減少了衛星粉的形成，使得粉末形貌得以改善。應用衛星粉防控技術，產生外部氣流，如圖6 所示，氣流從上方吹進霧化塔，因此，在霧化處理腔室中產生自上而下的二次氣流，抑制了腔室內細小顆粒的上升。

圖6 防衛星粉系統的作用原理

研究表明，隨著衛星粉防控系統氣流的增強，粉末顆粒的形貌得到了改善，衛星粉防控系統對粉末性能產生了很好的作用。利用衛星粉防控技術，我們的霧化裝置生產的高品質粉，只存在很少量的衛星粉。

結束語

基于研究中心所取得的經驗，西馬克集團不斷優化粉末生產工藝，通過積極參與各種項目研究，預計未來將能對霧化過程和粉末特性的基本原理和相互關系有更詳盡的了解和認識。此外，積極開發新合金粉末，也勢必為金屬粉末在增材制造領域的應用帶來更多潛力。