气雾化压力对 3D 打印用316L 不锈钢粉末性能的影响

近年来，国外3D打印金属粉末发展迅速，3D打印金属粉末材料的市场主要被国外产品所占据，如英国LPW科技有限公司、英国Sandvik Osprey 公司、德国TLS 公司等。目前，金属3D打印机供应商主要是来自德国的EOS、SLM SULOTIONS、ConceptLASER、瑞典的Arcam 和英国的Renishaw 等公司，他们借助专业粉末生产商的平台研制开发金属粉末。而国内能够实现3D 打印专用金属粉末自主生产的企业屈指可数，市场上的金属粉末依然主要用于粉末冶金制品加工，与3D 打印的技术要求尚有距离。除此之外，国内尚无一套完整的3D 打印用金属粉末及打印后工件的性能评价规范。因此研制高性能且价格合理的金属粉末，对于国内3D 打印企业发展至关重要。

事实上，金属3D 打印技术对金属粉末的纯度、氧含量、球形度、粒度分布、流动性等都具有较高的要求。气体雾化制粉是生产金属及合金粉末的主要方法，制备出的金属粉末具有球形度高、粉末粒度可控、氧含量低、生产成本低以及适应多种金属及合金等优点，已成为制备高性能及特种合金粉末的主要技术手段 [1–2] 。随着粉末冶金新工艺新材料的出现以及粉末原材料在表面工程、电子、化工、激光快速成型、军事等工业中的应用，对合金粉末的要求向着微细、高纯、球形化方向发展，这一驱动力推动着粉末雾化生产技术的不断革新 [3] 。

气体雾化的基本原理是用高速气流将液态金属流粉碎成小液滴并凝固成粉末，其核心是控制气体对金属液流的作用过程，使气流的动能最大限度的转化为新生粉末表面能。因此，作为控制部件的喷嘴成为气体雾化的关键部件[4] 。国外如美国、英国和德国对此进行了大量的研究，相继提出了许多新型的雾化技术，如紧耦合雾化技术、层流雾化技术等，使雾化技术向微细粉末方面跨进了一大步。这些雾化技术有的已成功地应用于工业化生产，有的正在进入工业化领域，极大地促进了雾化工业生产技术的发展[5] 。

3D 打印的不锈钢件具有优异的耐腐蚀、耐高温、耐磨损、抗蠕变以及良好的外观光泽度等特性，且成型件强度较高，同时能够满足大尺寸打印件的加工要求，在航空航天、医疗器械制造、汽车制造、日常生活等领域得到了广泛应用。316L 不锈钢粉末是较早研发用于3D 打印的不锈钢材料，如今已成为3D 打印市场上较为典型的加工材料。本文通过气雾化制粉技术制备3D 打印用316L 不锈钢粉末，获得了不同雾化工艺对粉末性能的影响规律。

1 粉末制备与试验方法

1.1 工艺路线的确定

本试验所选用的316L 不锈钢粉末制备工艺路线是：316L 不锈钢原料（低氧含量的棒料）→真空感应熔化→气雾化→粉末收集→粉末分级→粒度配比→粉末后处理→包装。试验用316L 不锈钢熔炼用棒料采用同一批316L 不锈钢原料，其化学成分如表1 所示。

通过真空感应熔化气雾化技术可以制备球形金属或合金粉末，金属液滴在凝固过程中冷却速率快、过冷度大，使得金属粉末具有突出的材料性能。因此，研究雾化工艺与粉末颗粒大小、颗粒形貌的关系是非常重要的。本试验采用的是真空感应熔炼气雾化技术，具有定量的金属液流直径，金属液流有过热度，因而漏嘴直径、喷嘴结构、钢液温度和雾化压力等参数对粉末的形貌及粒度都具有直接的影响。作者主要研究雾化压力对粉末形貌、粉末粒度及其分布的影响。

1.2 雾化工艺参数

按照雾化设备的安全运行参数，选定了三组雾化制粉工艺制备316L 不锈钢粉末，如表2所示，其中固定参数包括：钢液保温温度（1560 ± 20）℃、保温时间20 min 及漏包温度（1050 ± 30）℃。

1.3 试验方法

根据国家标准GBT 5314–2011 [6] 进行取样，对粉末样品进行化学元素分析；根据国家标准GBT19077.1–2008 [7] ，采用Mastersizer2000 激光粒度分析仪对3D 打印用金属粉体材料的粒径及粒度分布进行测试；测定粉末颗粒的表面积等效直径（ds）和颗粒体积等效直径（dv），进而得到粉末的平均球形度Q =dsdv；用场发射扫描电子显微镜QUANTA400FEG 观察粉末的表面形貌；按照GBT 1482–2010 [8] ，采用霍尔流速计对3D打印用金属粉末进行流动性测定；根据GBT 1479.1–2011 [9] ，用霍尔流速计对3D打印用金属粉末的松装密度进行测试。

2 试验结果与讨论

2.1 不同雾化工艺对316L 不锈钢粉末化学成分的影响对三种制粉工艺下制备得到的316L 不锈钢粉末进行筛分，分出58 μm 以下的粉末，测定粉末的化学成分，检测结果如表3 所示。将三种不同制粉工艺制备的316L 不锈钢粉末的化学成分和原料成分进行对比，可以看出，主要元素Ni、Cr、Mo、Mn 和Si 的成分变化很小，P 和S 的含量较低，说明在氮气的保护下，粉末的杂质含量低，具有较高的纯净度，随着雾化压力的增大，N 含量随之增多，并且O 含量同样呈现上升的趋势，在较高的雾化压力下，雾化得到的粉末更为细小，粉末越细，其比表面积越大，因此会吸附更多的游离O、N，导致N、O 元素含量增大，但总体而言，O 含量仍在增材制造工艺要求可接受范围之内。

由以上分析可知，在氮气雾化下，粉末中N 含量会高于原料，较高的N 含量对3D 打印成形件的力学性能具有不利影响，可以采取惰性较高的氩气雾化或者通过真空脱气处理降低粉末表面吸附的N。

据对3D 打印用316L 不锈钢化学成分的分析研究，适用于3D 打印的316L 不锈钢粉末中氧质量分数都低于0.08%，本课题采用的雾化制粉设备特别适合于制备低氧含量的金属粉末，在三种制粉工艺下制备的316L 不锈钢粉末，氧质量分数都远远小于0.08%，完全能够满足3D打印技术对于低含氧量的要求。

2.2 不同雾化工艺对316L 不锈钢粉末粒径分布的影响

采用激光粒度分析仪测定三种制粉工艺下制备的316L不锈钢粉末的粒径分布，结果如表4 所示。随着雾化压力的升高，粉末的平均粒径减小。工艺c的雾化压力最低，制得的粉末粒径明显大于工艺a、b，粒径小于53 μm 的粉末收得率低于40%；随着雾化压力的增加，合金液滴受到的气流破碎力增大，液滴更容易形成细小的颗粒，粉末的粒径减小。图1 所示为不同真空感应熔化气雾化制粉工艺对316L不锈钢粉末粒径累积分布曲线。可以看出，粒径累积分布曲线随着雾化压力的升高而向左发生偏移，粉末的粒径变小。

工艺a和b制备的粉末，粒径小于100 μm 的收得率接近90%，粒径小于53 μm 的收得率均高于70%，细粉收得率高。现阶段，市场上几乎所有的3D打印成形（SLM）设备都要求粉末粒径小于53 μm，有的甚至小于45 μm，因此细粉的收得率直接决定了粉末的利用率。工艺c 制备的粉末利用率最低，导致粉末成本很高，无法实现大批量规模化生产，工艺a 和b 制得粉末的利用率较高，并且这两种工艺制备的粉末粒径分布基本一致。然而在实际3D打印过程中，耗材选择方面更偏向于氧含量较低的一方，工艺a 的氧含量明显低于工艺b，因此工艺a更适合作为制备SLM 用316L 不锈钢粉末。

雾化试验过程中还发现，采用工艺c 制备粉末时，雾化筒体内壁出现少量粉末黏接块体，如图2所示，这是因为雾化气体压力较低时，雾化气流不足以将合金液滴全部雾化，同时粉末冷却速率降低，这样未发生雾化的液滴和未完全凝固的粉末发生碰撞、黏连，这种情况会大大降低粉末的雾化效率，还会对雾化设备造成损坏，所以316L不锈钢粉末的雾化气体压力不能太低，要高于一定的雾化压力值。

2.3 不同雾化工艺对316L 不锈钢粉末性能的影响

对不同真空感应熔化气雾化制粉工艺制备的316L 不锈钢粉末的球形度、流动性以及松装密度进行测定，结果如表5 所示，可以发现工艺a 制备的粉末球形度最高，工艺c 制备的粉末流动性最好，三种工艺制备粉末的松装密度相差很小。

进一步对三种制粉工艺制备的316L 不锈钢粉末在电子扫描显微镜下进行形貌观察，如图3 所示，a、b、c 三种工艺制备的合金粉末基本呈球形颗粒，并且一部分小颗粒粉末黏连、团聚形成“卫星球”粉末，大部分细小颗粒粉末发生了团聚，随着雾化压力的增加，细小颗粒粉末的比例增加，同样黏连团聚的粉末比例也增加，流动性随之降低。

颗粒表面凝固组织为树枝晶和胞状晶，其中大尺寸粉末表面为发达枝晶组织，晶粒较粗大，表面附着的卫星粉尺寸较大；中等尺寸粉末表面为树枝晶和胞状晶的混合组织，表面光滑平整，没有卫星粉，随着粉末尺寸的减小，粉末表面组织由树枝晶向胞状晶转变，粉末球形度高，组织趋于细化平整，减小粉末的使用尺寸，粉末中胞晶组织比例将增加，枝晶组织减少，枝晶偏析得到弱化，粉末的组织和成分分布更为均匀。

图4 为三种雾化工艺制备的粉末颗粒金相断面照片，从中可以看出，大尺寸粉末颗粒内部有一定量气孔和缩孔形成空心粉，这是在雾化破碎阶段液态熔滴受气流冲击和凝固后期收缩造成的内部缺陷，随着粉末尺寸的降低，粉末球形度提高，空心粉数量显著减少，小于60 μm 的粉末中基本没有空心粉。由于雾化介质是氮气，空心粉中含有一定量的氮气，在SLM 成形过程中因受热膨胀会在成形件内部形成热诱导孔洞（TIP），影响成型零件的力学性能[10–12] ，因此选用小尺寸粉末能够有效限制空心粉对3D 打印成形的影响。

3 结论

（1）采用真空感应熔化气雾化技术，制备得到的316L 不锈钢粉末纯度高、粉末颗粒球形度高、流动性好，可基本满足3D 打印对粉末的综合需求。

（2）通过调节真空感应熔炼气雾化技术的雾化气体压力，可以获得不同粒径分布、颗粒形貌的316L 不锈钢粉末。随着雾化压力升高，粉末粒径变小，流动性降低。

（3）经过多次试验，最终确定本次研究最佳的雾化工艺参数是：保温温度（1560 ± 20）℃，保温时间20min，漏包温度（1050 ± 30）℃，高纯氮气雾化，雾化压力3.0～3.2 MPa，按此雾化工艺制备的316L 不锈钢粉末的氧含量（质量分数）低于0.08%，球形度较高，流动性和松装密度基本接近3D 打印对金属粉末的要求。