《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Large-Scale Preparation of Spherical Refractory Powders via Multi-Jet Plasma: A Case Study of Tungsten Carbide
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•采用四火炬配置，构建了一种通用、低能耗且可扩展的多喷射等离子体球形化系统，用于难熔粉末的处理。•明确了难熔粉末球形化的热力学与动力学机制。•建立了颗粒-喷射耦合的球形度评估模型，从熔化阈值时间角度评估球形化效果。•能够可控地制备出球形度超过99%、流动性好且表观密度高的钨碳化物
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采用四火炬配置，构建了一种通用、低能耗且可扩展的多喷射等离子体球形化系统，用于难熔粉末的处理。
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明确了难熔粉末球形化的热力学与动力学机制。
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建立了颗粒-喷射耦合的球形度评估模型，从熔化阈值时间角度评估球形化效果。
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能够可控地制备出球形度超过99%、流动性好且表观密度高的钨碳化物。
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使用球形化粉末制成的3D打印部件，其孔隙率大幅降低，机械性能也显著提升。
引言
增材制造为复杂结构设计及高性能组件制造提供了创新解决方案，具有周期短、可定制性强等优点。用于增材制造系统的原始粉末性能直接决定了成型部件的微观结构、机械性能和服务可靠性[1]。对于那些需要在高温、严重磨损等恶劣工况下工作的部件而言，高性能难熔金属及其复合粉末的研发已成为制约技术突破的核心瓶颈。
难熔金属和化合物（如钨碳化物、钨、钼等）具有高硬度、优异的耐磨性以及出色的高温稳定性，因此成为高端设备关键部件的核心原材料。然而，角状原始粉末存在诸多固有缺陷，包括形态不规则、粒径分布宽以及流动性差[2]。当这类粉末直接用于主流增材制造工艺时，容易引发一系列问题，如粉末铺展不均、成型部件内部孔隙率高以及层间结合力弱[3]，从而无法满足高端设备对精度和可靠性的严格要求。
研究表明，对粉末进行球形化处理是优化其性能的关键方法。球形粉末具有更高的表观密度、更好的流动性以及更优的成型性等综合优势[4]、[5]，能够有效弥补上述固有缺陷。此外，球形粉末还能提高制造效率，缩短生产周期[6]，进一步提升增材制造部件的机械性能和服务可靠性[7]。
目前，主流的粉末球形化技术主要包括气体雾化法、旋转电极法和等离子体法。大量研究表明，气体雾化法[8]和旋转电极法[9]能够显著影响高熔点粉末的球形化程度，有助于优化钨碳化物粉末的微观结构和机械性能。但气体雾化法的熔融破碎效率较低，且产生的粉末中空颗粒和卫星颗粒较多[8]；旋转电极法通常得到的粉末粒径过大，粒径分布不均匀[10]。此外，这两种方法都高度依赖熔融液滴的高速运动，且工艺参数要求严格且难以控制[9]、[11]。
等离子体法主要分为感应耦合等离子体法和电弧等离子体法。虽然感应耦合等离子体法可以实现较高的球形化速率，但其设备成本高、电热转换效率低，且难以大规模应用[12]，这限制了其在工业领域的广泛应用。电弧等离子体法则具有极高的温度（超过3000K）、可通过多种工作气体调节气氛，且功率易于调控，因此很适合粉末球形化所需的工艺条件[13]。不过，由于电弧本身具有自收缩特性，单火炬等离子体法存在等离子体喷射体积小、粉末处理能力低以及能耗高的问题[13]、[14]，难以满足增材制造对低成本、大规模供应难熔粉末的需求，这也是制约难熔粉末球形化技术工业化发展的核心障碍。
多喷射等离子体技术通过多火炬组合的方式增大等离子体喷射体积，有效突破了单火炬等离子体法的固有局限，为难熔粉末的工业化球形化处理提供了技术可能。目前已有研究表明，如邱杰提出的三阴极等离子体火炬[15]以及张泽开发的六阴极电弧等离子体发生器[16]，这类采用多阴极单阳极结构的装置在难熔粉末球形化处理中具有球形化速率高、处理能力强以及能耗低的优点。尽管这类结构具有高功率、大喷射体积的优势，但仍存在明显缺陷：整个电弧能量集中在同一个阳极上，导致阳极负荷过重且磨损严重。一旦共享阳极受损，就需要拆卸整个火炬头进行维护，操作繁琐且维护成本高。此外，这类结构还需要精确控制电弧点燃和电流分布，否则可能会出现电弧相互作用或电弧附着不均匀的情况，影响喷射稳定性。同时，阴极与阳极之间的粉末进料通道也存在喷嘴堵塞的风险。这些缺陷严重限制了这类结构的长期稳定运行及工业化推广。
尽管多喷射等离子体技术在球形难熔粉末的制备方面展现出巨大应用潜力，但目前仍有不少问题亟待解决。难熔粉末的球形化涉及复杂的、高温下的瞬态物理化学过程，目前仍缺乏适用于大规模处理的成熟通用球形化系统。不同难熔粉末的球形化工艺参数尚无统一的调控标准，工艺参数与粉末关键性能指标（如球形化速率、流动性、表观密度等）之间的内在关联也不明确，这为工艺优化提供了不足的理论支撑。此外，难熔粉末在多喷射等离子体作用下的熔融-流动-凝固行为的热力学和动力学机制也尚未完全阐明，这进一步限制了通用球形化系统的设计与优化。
因此，本研究针对难熔粉末开发了一种通用的多喷射等离子体球形化系统，以典型的难熔陶瓷材料钨碳化物作为验证材料[17]。据我们所知，目前尚无关于多喷射等离子体法处理钨碳化物粉末球形化的系统研究。本研究通过构建多喷射等离子体球形化实验平台，系统研究了电流、粉末进料速率以及载气流量对粉末球形化速率、流动性、表观密度、氧含量以及均匀性等方面的影响。通过将颗粒与等离子体喷射之间的热量传递和质量传递过程相结合，建立了球形度评估模型，并从熔化阈值时间的角度量化了粉末球形化的调控机制。同时，阐明了粉末球形化的热力学和动力学机制，为系统设计与优化提供了科学依据。通过对采用球形化粉末制成的3D打印部件进行多维度表征，进一步揭示了此类部件机械性能提升的机制。此外，本研究中所使用的多喷射等离子体装置的总体能耗低于感应耦合等离子体装置和单火炬等离子体装置。综上所述，本研究旨在开发一种低成本、可扩展且通用的多喷射等离子体球形化系统，使其能够应用于各种难熔粉末，同时为高性能难熔粉末在增材制造领域的应用提供标准化的技术参考和基础数据。本研究以钨碳化物粉末作为典型样本进行验证，未来还将针对其他难熔粉末开展测试，以评估所提出系统的通用性能。
章节摘要
多喷射等离子体系统与粉末球形化处理流程
本研究提出的自主研发的通用多喷射等离子体球形化系统如图1a所示。该多喷射等离子体发生器由四个稳定性高的相同结构阶梯式喷嘴等离子体火炬组成[18]。每个阶梯式喷嘴都有一个直径为6毫米、长度为25毫米的过渡段，该过渡段会突然扩张成一个直径为11毫米、长度为35毫米的扩张段。这些火炬以环形对称方式安装在铜制基座上，相邻两个火炬之间的夹角为60°。
等离子体喷射流的形态特征
图2展示了单火炬喷射流与四火炬喷射流的对比图像。由于亮度更高，单火炬喷射流的曝光时间为2毫秒，而四火炬喷射流的曝光时间为1毫秒。随着电流的增加，单火炬等离子体法的喷射流直径会受到阳极喷嘴几何尺寸的限制。而多火炬组合则可以克服这一限制。实验结果表明，多喷射等离子体法的喷射流直径大约是单火炬等离子体法的3到4倍，这一事实证实了
结论
本研究基于四火炬配置，设计了一种通用的多喷射等离子体难熔粉末球形化系统。以钨碳化物作为验证对象，系统研究了电流、粉末进料速率以及载气流量对粉末球形化性能的影响。同时，阐明了粉末球形化的热力学和动力学机制，建立了球形化程度评估方法，并开展了3D打印相关研究
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知竞争性财务利益或个人关系。
具体而言，各位作者与任何可能不当影响或偏袒本研究结果的机构或个人之间均不存在任何财务或非财务关系。此外，也没有与本文内容相关的专利、在研产品或已上市产品需要声明。所有作者均予以确认
CRediT作者贡献说明
杨潘：研究工作。曾子杰：方法设计、研究工作。应嘉恒：验证工作、研究工作。杨成鹏：验证工作、数据整理。谢蒙：研究工作、数据整理。李宽：初稿撰写、验证工作、方法设计、研究工作、数据整理、概念构思。王成：论文润色、方法设计、研究工作、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：12075242）以及新疆自治区“揭榜挂帅”项目的支持。
Kuan Li|Chengpeng Yang|Meng Xie|Zijie Zeng|Jiaheng Ying|Yang Pan|Cheng Wang
