一种用于金属粉末制备的新型混合等离子-气体雾化方法

《Powder Technology》：A novel hybrid plasma–gas atomization method for metal powder production

　　

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  开发了一种新颖的免感应单炬混合雾化系统。
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  CFD揭示了1.0至2.0 MPa之间的关键气动流动转变。
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  将压力提高至3.0 MPa后，中位粒径（d50）降低了60.4%。
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  适用于增材制造的细粉收率（10–45 μm）达到73.22%。
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  较高压力抑制了表面起皱现象，所得粉末主要呈球形。

引言

金属增材制造技术由于能够在所需公差范围内生产复杂几何结构，已广泛应用于国防、航空航天和能源等领域。随着该技术需求的增长，金属粉末原料的质量，特别是其球形度，变得至关重要 [1], [2]。增材制造中使用的金属粉末通常尺寸范围为10–100 μm [3]。因此，文献中已进行了大量优化研究以满足所需的粉末特性 [4], [5]。

目前，增材制造中使用的主要粉末制备方法是气体雾化（GA）和等离子体雾化（PA）[6]。在气体雾化过程中，来自坩埚的熔融金属通过中间包输送，并由高速气流雾化。经过一次和二次雾化过程后，金属液滴在冷却过程中凝固，最终产品以金属粉末的形式获得 [7], [8]。在等离子体雾化中，金属丝作为原料使用，消除了对坩埚的需求。由于高温等离子体射流，温度可达约10,000 K，从而实现金属丝的快速熔化。所得熔融金属液滴随后在等离子体射流动能和重力的共同作用下向下运动，在腔室内飞行过程中凝固形成金属粉末 [9], [10]。

这些雾化路线根据应用和工艺要求具有各自的优势和局限性。在原料灵活性方面，传统真空感应熔炼气体雾化（VIGA）可容纳块状和不规则形状的金属原料，这些原料可装入陶瓷坩埚中并在雾化前重新熔化 [11]。然而，传统VIGA中使用陶瓷坩埚引入了耐火材料污染的风险，这可能限制其对高活性或高清洁度合金的适用性。电极感应熔炼气体雾化（EIGA）避免了坩埚接触，从而降低了污染风险；然而，它依赖于棒状金属电极，且熔体输送对熔化腔室压力等工况条件较为敏感 [12]。相比之下，PA采用金属丝原料，由等离子体射流直接熔化，消除了坩埚接触，并将陶瓷污染风险降至最低。高温和高焓等离子体环境，加上无坩埚接触，使PA特别适合从活性材料中生产高纯度粉末 [6], [13]。其高热能力也使PA适合处理高熔点材料。在工艺要求方面，VIGA和EIGA依赖高压惰性气体进行熔体破碎 [14]，而传统PA通常采用多台高电流等级的等离子体炬 [9]。

审视现有研究在雾化工艺方面的情况，可以发现文献中将等离子体和气体雾化方法结合在单一系统中的研究相当有限。Kang等人 [15] 开发的混合雾化（HA）系统中，在坩埚中熔化的材料（锡、铜和不锈钢棒）随后使用三台直流电弧等离子体炬进行过热处理。过热材料然后在1.5 MPa的压力下使用氮气进行雾化。相比之下，本研究提出的混合方法在不使用坩埚的情况下进行熔化过程，并通过使用单台等离子体炬直接熔化金属丝原料来实现一次破碎。这种方法消除了对坩埚的需求，提供了显著优势，特别是对于加工活性金属和生产高纯度粉末。此外，二次破碎在相对较低的气体压力下（约1.0 MPa）通过气体雾化实现。因此，不同于文献中报道的等离子体辅助气体雾化系统，本文提出了一种替代的混合雾化假设，该假设使用单台等离子体炬而非三台，并将等离子体和气体雾化的机理统一在一个系统中。

本研究提出了一种创新性的HA概念，融合了PA和GA的核心机制，从根本上克服了传统系统的结构复杂性和高运行成本。本工作的主要关注点和科学新颖性在于建立一种结构精简、经济高效且免感应的系统架构。通过使用定制设计的单台直流等离子体炬替代传统多炬阵列，并将其与紧密耦合的气体喷嘴直接连接，完全消除了标准气体雾化器中笨重且易污染的感应熔化基础设施。为了系统验证该新型系统的运行稳定性、气动性能和细化能力，选用市售AISI 308 L不锈钢丝作为易于获得且具有代表性的基准材料。结合热等离子体工程和超音速气体空气动力学的多学科方法，通过计算流体力学（CFD）模拟在不同工作压力下进行，同时进行相应的实验运行。统一研究表明，新开发的混合架构成功产生了稳定的双驻点（PSP/SSP）回流区，直接驱动了灾难性的二次破碎。通过该基准材料评估系统性能显示出非常有利的结果，具体表现为表面起皱的完全衰减以及符合增材制造严格尺寸要求的净粉末收率的急剧增加。总之，本研究领域为利用结构简化的雾化系统进行先进冶金加工和未来工艺优化提供了基础参考。第2节详细介绍了数值建模参数、控制方程和计算设置。第3节描述了实验方法、炬配置和粉末表征程序。第4节讨论了同步的数值和实验发现以及破碎机理，最后，第5节总结了本工作的核心结论。

章节片段

模型描述

为HA方法开发的紧凑型单炬示意图配置，以及数值模拟中使用的计算域，如图1所示。该系统通过将紧密耦合的喷嘴直接集成到单台等离子体炬中进行工程设计。该架构的主要目标是利用等离子体射流的高温熔化金属丝原料，然后将熔融材料输送至高速气体中

混合雾化系统的开发

混合雾化炬的设计通过将等离子体雾化和气体雾化系统的关键功能组件进行集成来实现。所开发的炬如图3a所示，以及在等离子体单独条件下大气操作时获得的照片。阳极由铜制造，因其具有高电导率；阴极则采用2 wt%钍钨。钍钨是应用最广泛的阴极材料之一

混合雾化的概念化与验证

为了系统研究拟议混合雾化系统的基本物理机制并论证其设计概念，首先进行了对比数值分析。图4展示了GA、PA和HA配置对应的速度等高线和矢量场。在GA情况下，如图4a所示，仅将1.0 MPa高压氩气引入系统。气流通过环形缝隙喷嘴加速并形成

结论

本研究成功证明了新型单炬HA技术在生产AISI 308 L不锈钢粉末方面的可行性，因为它消除了传统系统的复杂性及其能量需求。与研究目标相关的重要发现如下：

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  设计的单炬混合架构在所有研究的雾化压力下均稳定运行。数值流动分析和实验

AI辅助语言编辑声明

作者承认在本手稿撰写过程中使用了Gemini（Google）进行语言编辑和语法校对。所有最终科学内容、数据解读和结论均经过作者严格审核和验证，作者对最终文本承担全部责任。

CRediT作者贡献声明

Emre Yurtkuran：写作——审阅与编辑，写作——原稿撰写，验证，项目管理，方法论，调查研究，经费获取，概念化。 Deniz Aktürk：写作——审阅与编辑，可视化，调查研究，正式分析，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的经济利益冲突或个人关系可能影响本论文所报告的工作。

致谢

本研究得到了土耳其科学与技术研究委员会（TüB?TAK）资助，资助编号：122M684，以及锡瓦斯科学技术大学科学研究项目协调单位资助，项目编号：2024-TDP-Müh-003。

Emre Yurtkuran|Deniz Aktürk