直流热等离子体球化及表征采用直流（DC）等离子体技术的Ti6Al4V粉末

《Plasma》：Thermal Plasma Spheroidization and Characterization of Ti6Al4V Powders Using DC Plasma Technology

　　

五级钛合金（Ti6Al4V）因强度、低密度、耐腐蚀性和生物相容性的优良组合，广泛用于航空航天部件与生物医学植入物。激光粉末床熔融（LPBF）和电子束熔化（EBM）等增材制造（AM）技术能以低废料和低成本制造复杂几何形状的高性能Ti6Al4V部件，但要求粉末具备受控形貌与流动性。等离子球化是制备适用于AM的球形钛合金粉末的关键工艺；然而直流（DC）热等离子体通常针对细粒径优化。本研究通过优化DC热等离子体工艺参数，对不规则Ti6Al4V粉末（45–106 μm）进行球化，旨在将其适用性拓展至较粗粉末。研究人员特别关注等离子处理前后粒度分级，发现预处理筛分是提升球化率与粉末质量的最有效策略，而处理后分级改善了最终产品的均匀性。所得产物通过X射线衍射、形貌分析与流动性测试表征。研究人员获得了高圆度（>0.7）且流动性改善（<30 s/50 g）的粉末。

研究背景方面，Ti6Al4V因α+β双相组织（约6% Al稳定α相、4% V稳定β相）具备高比强度、耐蚀与生物相容性，是航空航天与医用植入主流材料。传统铸造、机加工与粉末冶金存在难加工、废料高、复杂件成本高等弱点，LPBF与EBM等增材制造（AM）依赖高球形度、窄粒度分布粉末保障铺层均匀与熔池稳定；LPBF常用15–45 μm粉，EBM常用45–106 μm粉。现有制粉路线中，水雾化易氧化、气雾化有卫星球与气体夹杂、旋转电极法（PREP）难做细粉、感应耦合等离子体（ICP）偏重细粉，而直流（DC）热等离子体成本低、可放大，但传统上针对细粉优化，粗粉（45–106 μm）球化尚缺系统参数窗口。因此研究人员开展本工作，用DC非转移弧等离子体将不规则商用Ti6Al4V粗粉球化，评估工艺—形貌—流动性—化学纯度关系，判断其对接EBM级粉末的可行性，论文发表于《Plasma》。

关键技术方法上，研究人员采用OERLIKON METCO商用METCO 4030C不规则Ti6Al4V粉（原始d₅₀=90.2 μm）为原料；装置为ENEA Portici的定制DC热等离子系统，含GTV PF 2/2送粉器、Praxair F4非转移弧炬（W阴极/Cu-W阳极喷嘴，Ar-3%H₂混合气、轻真空≤80 kPa）、13 cm内径×185 cm长水冷不锈钢反应器、75°侧喷注入（φ2.4 mm喷嘴）；变量为电弧电流290–750 A对应净功率7.9–18.5 kW。策略分两阶段：先整批粉变功率初探（P1/P2），再预处理筛分窄化粒度后于低功率段复验（A:12.2 kW、C:7.9 kW），产物合并壁面与底罐收集粉，乙醇超声清洗。表征端用SEM（ImageJ算圆度C=4πA/P²，球化率记C>0.7占比）、激光衍射测PSD与SPAN=(d₉₀-d₁₀)/d₅₀、XRD（Cu靶，比对α-Ti 44-1294/β-Ti 44-1288）、ONH燃烧分析测O/N/H、Hall流量法（ASTM B213）与表观密度（ASTM B212）。

研究结果各节浓缩如下。

引言部分已前述背景，确立粗粉DC球化空白。

材料与方法节指明原料规格、DC等离子体硬件参数、Ar-3%H₂选型理由（H₂提焓与导热、还原抑氧）、筛分与超声清洗流程、圆度/SPAN/XRD/ONH/Hall流率全套定义。

结果与讨论节分点呈现：初探P1(480 A)/P2(750 A)整批粉处理使d₅₀由90.2 μm降至77.5/73.8 μm，但>90 μm颗粒难全熔，壁面沉积率随功率由30%升至70% w/w，SEM见大量未熔不规则颗粒，球化失败主因给料PSD过宽；改预处理筛分（去两端得d₅₀=86.6 μm，SPAN 0.8→0.7）后，A(12.2 kW)与C(7.9 kW)测试中C样更优——7.9 kW热密度恰好匹配该粒级完全飞行熔融而不团聚，壁粉偏细、罐粉偏粗，整体SPAN<1；SEM显示32–63 μm粒级近全球化，63–90 μm中A样残未熔多、C样维持高球化；圆度与球化率表中C2(45–63 μm)、C3(63–90 μm)最佳，平均圆度>0.7（C样超0.8），符合LPBF/DED/EBM可印阈值；PSD曲线示产物88.1%落于45–106 μm；XRD示原料以α-Ti为主、弱β(110)峰，等离子后α相保留、β峰因宽化消失；Hall流率由原料47.3 s/50 g降至C样29.5 s/50 g，表观密度上升；ONH示O/N/H略升（源自残余氧/湿/微漏气），但仍低于文献报道，指明需强化气密或后处理脱氧。

结论节翻译：本研究考察了DC热等离子体对45–106 μm不规则Ti6Al4V粗粉球化的可行性与效能。SEM证实产物无卫星球、圆度>0.7、d₅₀≈65 μm、SPAN<1，流动时间由47.3降至29.5 s/50 g，比肩H?gan?s商用AM粉并满足EBM流变要求。预处理筛分是提球化率最有效策略，后处理分级利于对接不同AM工艺。DC等离子成功将不规则料转为高圆度球粉，但间隙杂质O/N/H需借气路控制或后处理进一步压制。优化DC参数后可按目标AM系统定制形貌与PSD。

讨论总结：研究人员指出宽PSD导致同批次能量吸收异质是大颗粒欠熔、细粉过熔蒸发的主因，故预处理窄化比单纯加功率更关键；7.9 kW优于12.2 kW说明“标称功率≠有效传给颗粒能量”，需综合驻留时间、注入角、等离子稳定性考量；H₂掺入虽利导热还原，但与Ti亲和为氧之下，故O升幅可控；产物相位未变、β峰隐没非相变乃峰宽化所致；流动性跃升源于无卫星+高圆度降摩擦，非密度单一贡献。整项工作把DC等离子从细粉场景推至EBM级粗粉球化，给低成本回收钛屑/废粉再球化提供参数模板，局限在O/N/H微增与壁面黏附损耗，后续应闭环气氛与旋流收粉结构。