3D打印又稱增材制造，大多使用球形粉末作為原料，通過集中的熱源選擇地熔化粉末，并在隨后的冷卻中凝固形成打印件。金屬打印件的質(zhì)量和性能在很大程度上取決于金屬粉末原料的特性。3D打印球形金屬粉末應(yīng)具有高球形度、小粒徑、高振實(shí)、少或無空心粉和衛(wèi)星粉、低雜質(zhì)含量等特征。

氣霧化法（GA）制備的金屬粉末能較好地滿

足3D打印對(duì)金屬粉末的性能需求。該方法制備的金屬粉末粒徑小，成分均勻，球形度高，流動(dòng)性好，已實(shí)現(xiàn)規(guī)�；�生產(chǎn)。采用氣霧化法制備的球形金屬粉末占3D打印金屬粉末總產(chǎn)量的30%~50%，氣霧化法已成為3D打印用球形金屬粉末的主要制備方法。

氣霧化法起源于20世紀(jì)20年代，是利用高速氣流作用于金屬液，將氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熔滴表面能，進(jìn)而形成微小金屬液滴并冷卻凝固成球形金屬粉末的工藝。氣霧化過程分為一次破碎、二次破碎及球化與凝固3個(gè)階段。

氣霧化制粉技術(shù)本身是一個(gè)氣液兩相流相互耦合作用的復(fù)雜過程。在氣霧化法制備球形金屬粉末過程中，金屬液、霧化介質(zhì)、霧化器結(jié)構(gòu)等因素的改變均會(huì)對(duì)粉末特性產(chǎn)生一定的影響。

近年來，我國(guó)的粉末冶金工業(yè)快速發(fā)展，但粉末冶金產(chǎn)品的技術(shù)水平距離發(fā)達(dá)國(guó)家仍然具有一些差距，特別是在過程質(zhì)量控制方面。

為了給從事3D打印用金屬粉末研究的技術(shù)人員及生產(chǎn)研發(fā)人員提供參考，蘭州金川科技園有限公司/國(guó)家鎳鈷新材料工程技術(shù)研究中心的研究人員從金屬液、霧化介質(zhì)、霧化器結(jié)構(gòu)對(duì)粉末特性影響方面綜述了氣霧化法制備球形金屬粉末的工藝研究現(xiàn)狀。

No.1、金屬液對(duì)粉末特性的影響　　過熱度的影響

1、金屬液過熱度是指霧化前金屬液溫度與金屬熔點(diǎn)的差值。

劉再西等利用真空感應(yīng)熔煉氣霧化法制備3D打印用不銹鋼粉末，研究了不同金屬液過熱度對(duì)粉末特性的影響，發(fā)現(xiàn)金屬液過熱度越大，金屬粉末的細(xì)粉收得率越大，松裝密度越高，流動(dòng)性越好，確定*佳的金屬液過熱度為245K。

歐陽鴻武等將金屬液過熱度由150K分別提高至300K后，制備粉末的平均粒徑相應(yīng)從34.88μm下降至19.74μm；若金屬液過熱度過小，則金屬液可能在破碎前就已經(jīng)完全凝固，這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的顆粒粗化，甚至可能會(huì)堵塞噴嘴。

王軼等研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)金屬液過熱度由150℃逐漸增加至300℃時(shí)，真空感應(yīng)熔煉氣霧化法制備的Pd-Ag-Cu粉末平均粒徑由101μm降低至33μm，細(xì)粉收得率顯著提高；但隨著金屬液過熱度的持續(xù)增加，粉末平均粒徑存在先降低后增大的趨勢(shì)，且當(dāng)粒徑過熱度超過一定值后，粉末球形度變差，衛(wèi)星粉數(shù)量增加。

LUBANSKA用黏度和表面張力的變化解釋了金屬液過熱度對(duì)顆粒尺寸的影響。根據(jù)E?tv?s定律，金屬液的表面張力一般隨溫度的升高而降低，較低的表面張力能使金屬液破碎更充分，因此粉末粒徑更小。金屬液的動(dòng)力學(xué)黏度通常隨溫度的升高而減小，因此在一定溫度范圍內(nèi)增加過熱度后，金屬液黏度降低，更易于被高速氣流充分破碎，從而形成細(xì)小粒徑的金屬粉末；同時(shí)，適當(dāng)增加過熱度可使金屬液滴在飛行過程中有足夠時(shí)間進(jìn)行冷卻和凝固，更容易獲得球形度較高的金屬粉末。

綜上，適當(dāng)提高金屬液過熱度可制備出粒徑小、球形度高的金屬粉末，有利于提高3D打印件的綜合性能，但是過大的金屬液過熱度會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星粉增多，增加電力能源及設(shè)備負(fù)荷，從而大大增加生產(chǎn)成本。

氣液流量的影響

2、氣液質(zhì)量流率比（GMR）也是影響粉末粒徑的主要參數(shù)之一。

MOUSAVI等通過調(diào)節(jié)霧化氣體的質(zhì)量流速，將GMR從0.55%增大到2.6%后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部流場(chǎng)從復(fù)雜的氣泡流變?yōu)榄h(huán)形流，從而降低了導(dǎo)液管出口處的金屬液膜厚度。隨著霧化氣體流量的增加，噴嘴*的金屬液膜變薄，一次破碎產(chǎn)生的液滴的平均尺寸減小。在一定條件下，粉末質(zhì)量中值直徑D50與金屬液流量的平方根成正相關(guān)。

金屬液流量對(duì)氣流速度的衰減模式有影響。RICOU等研究發(fā)現(xiàn)，如果氣流攜帶的流體密度大于其本身或流體流量較大時(shí)，氣流速度均會(huì)快速衰減，致使*終粉末粗化。

由LUBANSKA總結(jié)的粉末平均粒徑的經(jīng)驗(yàn)公式可知，隨著GMR的減小，所得粉末粗化趨勢(shì)變得更加明顯；LI等和XU等的研究也證明了這一點(diǎn)，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)增大GMR不僅有利于獲得小粒徑粉末，還有利于提高目標(biāo)細(xì)粉的收得率。

ZHENG等通過將直徑70mm左右的棒材替換為直徑2~5mm的絲材進(jìn)行電極感應(yīng)熔煉氣霧化制粉，以此來降低進(jìn)入霧化室的金屬液流量，發(fā)現(xiàn)在霧化壓力為4.0MPa和金屬液過熱度為350℃條件下，制備的粉末D50為40.2μm，其中粒徑為0~53μm的細(xì)粉收得率達(dá)到了78%，遠(yuǎn)高于同等霧化條件下的棒材感應(yīng)熔煉氣霧化工藝。

通過增加氣體流量或降低金屬液流量來提高GMR可制備出粒徑較小的金屬粉末；然而過高的氣體流量或過低的金屬液流量會(huì)導(dǎo)致粒徑小于15μm的超細(xì)粉占比增加，使得金屬熔融后發(fā)生球化的程度增加，進(jìn)而影響工件的表面質(zhì)量；同時(shí)當(dāng)金屬液流量過低時(shí)，由于氣體的過度冷卻，金屬液在導(dǎo)液管末端可能提前凝固，進(jìn)而堵塞導(dǎo)液管。因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，需要根據(jù)金屬液流量不斷調(diào)整霧化氣體的流量，使得GMR達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，才能獲得批次穩(wěn)定性較高的3D打印金屬粉末。

No.2霧化介質(zhì)對(duì)粉末特性的影響   霧化氣體種類的影響

1、在氣霧化法制備金屬粉末的過程中，常用的霧化介質(zhì)有空氣、氦氣、氮?dú)饧皻鍤獾�，且以氬氣為主�?

üNAL分別研究了以氦氣、氮?dú)狻�氬氣為霧化氣體制備鋁合金粉末的工藝，發(fā)現(xiàn)在相同制備工藝下不同霧化介質(zhì)在噴嘴出口產(chǎn)生的氣流速度、氣體流量存在較大差異，因此對(duì)粉末的粒徑和形貌造成不同影響。采用一維絕熱膨脹模型估算氦氣、氮?dú)饧皻鍤獾奈锢硖匦约皣娮斐隹诘牧鲃?dòng)特性，可知氦氣、氮?dú)饧皻鍤饩哂邢嗨频酿ざ龋�但密度和�?dǎo)熱系數(shù)相差較大，其中氦氣的流速是氬氣流速的3.2倍，其流量卻僅是氬氣流量的1/3。由于在超音速流動(dòng)條件下氦氣能獲得更大的氣體流速，其作為霧化氣體所制備的粉末比以氮?dú)夂蜌鍤庾鳛殪F化氣體所制備的粉末更加細(xì)小。

許天旱等采用空氣、氦氣、氮?dú)饧皻鍤庾鳛殪F化介質(zhì)制備了SnAgCu合金粉末，發(fā)現(xiàn)以密度*低的氦氣作為霧化氣體所制備的粉末粒徑*小。

NCHIPORENKO等使用空氣霧化制備的粉末球形度差，改用氬氣霧化后，球形粉末占比增至85％。

FANG等研究發(fā)現(xiàn)，相比氮?dú)猓瑲鍤庾鳛殪F化氣體制備的粉末外觀更規(guī)則，球形度也更高。

選用空氣作為霧化氣體所制備的粉末球形度差，氧含量高，導(dǎo)致3D打印件性能較差；氦氣作為霧化氣體雖然能獲得粒徑更為細(xì)小的粉末，但高昂的氣體成本限制了其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用；氬氣和氮?dú)馐禽^為常用的惰性保護(hù)氣體，雖然氮?dú)獗葰鍤鈨r(jià)格低，但在高溫下（高于1000℃）容易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此在制備純度較高的合金粉末時(shí)，*佳的霧化氣體仍是氬氣。

氬氣作為霧化氣體制備的粉末具有球形度高、粒度分布可調(diào)控范圍大等優(yōu)勢(shì)，因此在氣霧化制粉技術(shù)上得到廣泛應(yīng)用；同時(shí)氬氣霧化制備的粉末粒徑小，氧含量低，空心粉少，夾雜物少，成本低，因此以氬氣為霧化氣體的氣霧化法是未來鎳基高溫合金粉末制備技術(shù)的發(fā)展方向。

霧化氣體壓力的影響

2、在其他條件一定的情況下，增大霧化氣體壓力會(huì)形成超音速氣流，強(qiáng)化對(duì)金屬熔體的沖擊破碎作用，因此所制備的粉末粒徑較小。

李響等研究發(fā)現(xiàn)，采用真空感應(yīng)熔煉惰性氣體霧化方法制備的Inconel625合金粉末粒徑隨霧化氣體壓力的增大而減小，目標(biāo)得粉率也隨之升高，當(dāng)霧化氣體壓力為4.5MPa時(shí)，霧化效果*佳，粉末的D50為72.2μm，粒徑在45~105μm的粉末收得率達(dá)到78.1%。

郭快快等采用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)氣霧化制備GH4169合金粉末的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，也得出類似的結(jié)論：當(dāng)霧化氣體壓力由3MPa增加至7MPa時(shí)，D50從81.10μm減小到41.80μm，粒徑小于53μm的細(xì)粉收得率由1.72%提高到71.54%。

然而，隨著霧化氣體壓力的增大，金屬液滴二次破碎程度變大，形成的細(xì)小金屬液滴數(shù)量較多，其凝固速率比大尺寸液滴快，在高速氣流作用下易黏附在未完全凝固的大尺寸液滴上，從而形成衛(wèi)星粉。霧化氣體壓力越大，氣流速度越大，氣流與金屬液滴的相互作用越強(qiáng)烈，引起不同顆粒間速度和凝固狀態(tài)的差別越大，從而增大了金屬液滴相互之間發(fā)生碰撞的可能性，導(dǎo)致衛(wèi)星粉數(shù)量增多、流動(dòng)性變差。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中在不同霧化氣體壓力下氣霧化制備GH4169合金粉末的松裝密度和流動(dòng)性指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，較低或較高的霧化氣體壓力均會(huì)導(dǎo)致粉末松裝密度和流動(dòng)性降低。相關(guān)研究還表明，霧化氣體壓力越大，霧化氣體分子與金屬液滴接觸越充分，在急速冷卻時(shí)就會(huì)有更多的氣體分子來不及從金屬液滴逸出而被包裹在液滴內(nèi)部，從而形成更多的空心粉。

氣流速度與霧化氣體壓力幾乎呈線性關(guān)系，較大的霧化氣體壓力能獲得較高的氣流速度，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)小粒徑粉末的制備，但較大的霧化氣體壓力也會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星粉和空心粉產(chǎn)生的概率增大，因此僅通過增加霧化氣體壓力的方法來獲取小粒徑粉末是不可取的；同時(shí)，當(dāng)霧化氣體壓力增加到一定程度時(shí)，氣流速度便不再變化，因此過大的氣體壓力會(huì)導(dǎo)致氣體浪費(fèi)嚴(yán)重。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)綜合考慮各方面的影響因素，選擇并確定*優(yōu)化的霧化氣體壓力。

霧化氣體溫度的影響

3、研究發(fā)現(xiàn)，隨著霧化氣體溫度從300K提高到600K，噴嘴出口氣體射流的*大速度從490m/s增加到690m/s，但其基本射流分布規(guī)律沒有變化，而氣流速度的提升導(dǎo)致更高效的金屬破碎，特別是二次破碎，從而提升細(xì)粉收得率。

王長(zhǎng)軍等采用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬分析了霧化氣體溫度對(duì)霧化過程的影響，其研究結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。由此可見，采用較高溫度的霧化氣體有利于制備粒徑較小的粉末。

同時(shí)，隨著霧化氣體溫度的升高，二次破碎液滴的彌散角增大；較大的彌散角有利于液滴充分分散，在一定程度上延長(zhǎng)液滴的凝固時(shí)間，這有利于液滴的充分球化，從而改善粉末的球形度。

基于此，新出現(xiàn)了一種熱氣體霧化技術(shù)，即通過提高霧化介質(zhì)的溫度來達(dá)到改善粉末特性的目的；在霧化氣體壓力不變的條件下，提高氣體溫度后，霧化所得粉末的平均粒徑和標(biāo)準(zhǔn)偏差均降低，但由于熱氣體霧化技術(shù)受到氣體加熱系統(tǒng)和噴嘴的限制，僅有少數(shù)幾家機(jī)構(gòu)開展了相關(guān)研究。

綜上，提高霧化氣體的溫度可以提升氣流速度，從而有效提高霧化效率，所制備粉末粒徑明顯減�。煌瑫r(shí)較大的彌散角可以有效地降低金屬液滴之間的碰撞概率，理論上能減少衛(wèi)星粉的形成，但根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)結(jié)果來看，隨著霧化氣體溫度的升高，氣體的冷卻作用削弱，加速效果得到提升，產(chǎn)生的超細(xì)粉較多且易與尚未完全凝固的金屬液滴發(fā)生碰撞，形成較多衛(wèi)星粉。因此，通過加熱霧化氣體降低粉末粒徑的工藝，還需要進(jìn)一步的研究與實(shí)踐探索。

No.3、霧化器結(jié)構(gòu)對(duì)粉末特性的影響　　噴嘴構(gòu)型的影響

1、噴嘴是氣霧化設(shè)備的關(guān)鍵部件，對(duì)霧化效率的高低和霧化過程的穩(wěn)定性起至關(guān)重要的作用。*早出現(xiàn)的霧化噴嘴為自由落體式結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示，該噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不易堵塞，常用于電極感應(yīng)熔煉惰性氣體霧化制粉系統(tǒng)。為了縮短氣流與導(dǎo)液管出口的距離，發(fā)展出了結(jié)構(gòu)緊湊的限制式噴嘴，如圖1(b)所示，因顯著提高了霧化效率而得到廣泛應(yīng)用。

為了進(jìn)一步提高霧化效率，限制式噴嘴逐漸演變?yōu)榫o耦合式噴嘴。該噴嘴制備的粉末粒徑小，球形度高，金屬液滴冷卻速率快，有利于非晶粉末的生產(chǎn)，目前已成為氣霧化設(shè)備的*噴嘴。

盡管如此，該噴嘴仍存在一定的局限性：在高壓霧化條件下，導(dǎo)液管出口處會(huì)產(chǎn)生較大負(fù)壓，使金屬液流速增大，不利于小粒徑粉末的制備。

金屬液從導(dǎo)液管流出時(shí)，受到重力和導(dǎo)液管出口處與金屬液面壓力差的共同作用，其流速vl與抽吸壓力ΔP有關(guān)。當(dāng)ΔP<0時(shí)，金屬液被加速吸入霧化器，有利于霧化過程的順利進(jìn)行；當(dāng)ΔP>0時(shí)，金屬液流速放緩；當(dāng)Ps=ρlgH+Pe（ρl為金屬液密度；g為重力加速度；H為坩堝內(nèi)金屬液面和導(dǎo)液管出口之間的高度差）時(shí)，vl=0，金屬液無法流動(dòng)，霧化中斷，若Ps持續(xù)增加，霧化氣體會(huì)倒灌進(jìn)坩堝，引起返噴。優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)，有利于降低導(dǎo)液管出口處的靜態(tài)壓力，提升流場(chǎng)速度，從而細(xì)化粉末粒徑、提升霧化效率。

因此，部分學(xué)者對(duì)緊耦合式噴嘴進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將氣流通道設(shè)計(jì)為L(zhǎng)aval管結(jié)構(gòu)。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的真空氣霧化設(shè)備生產(chǎn)商大多采用Laval管噴嘴結(jié)構(gòu)，如中航邁特、威拉里等。

Laval管是一種形似沙漏的收縮-擴(kuò)張管，其通過將霧化氣體加速形成超音速氣流來對(duì)金屬液進(jìn)行霧化。Laval管兩端由兩個(gè)錐形管構(gòu)成，分別為收縮段和擴(kuò)張段，對(duì)應(yīng)的錐形夾角稱為收縮角ψ和擴(kuò)張角β，中間以喉口連接，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。收縮角對(duì)噴嘴出口氣流速度影響不明顯，較大的擴(kuò)張角和較小直徑dh的喉口更有利于提高出口氣流速度。

霧化角又稱噴射角，是霧化噴嘴的一個(gè)重要性能指標(biāo)，主要影響噴嘴特別是非限制式噴嘴霧化區(qū)的抽吸壓力及氣流的動(dòng)能利用率。噴射角越大，導(dǎo)液管出口至氣流交匯點(diǎn)處的距離越短，氣流的動(dòng)能越大，獲得的金屬粉末粒徑越小；但如果噴射角過大，則高速氣流在導(dǎo)液管下方相遇后的反射作用增強(qiáng)，形成較強(qiáng)反射波，造成回流區(qū)頂部過于靠近金屬液入口，霧化時(shí)易產(chǎn)生片狀粉或出現(xiàn)反噴堵塞噴嘴的現(xiàn)象。噴射角越小，霧化區(qū)的抽吸力越大，金屬液流速越快，在相同霧化氣流量下金屬液破碎得越不充分，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致金屬液霧化前流動(dòng)行程增加，氣流速度衰減明顯，金屬液過熱度不足，進(jìn)而導(dǎo)致粉末顆粒粗化、球形度變差。因此，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)應(yīng)綜合分析，選定較為合適的噴射角。

噴嘴進(jìn)氣口孔心距也是影響氣體流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要因素。隨著孔心距的增加，流場(chǎng)速度降低，回流區(qū)域范圍顯著增大，導(dǎo)液管出口處?kù)o態(tài)壓力逐漸降低，這有利于增大抽吸壓力，促進(jìn)金屬液流出。然而，較低的流場(chǎng)速度和較大的回流區(qū)域均不利于金屬液的霧化，因此孔心距應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)。

導(dǎo)液管幾何結(jié)構(gòu)的影響

2、導(dǎo)液管主要通過影響金屬液的質(zhì)量流量來影響霧化性能，在霧化氣體壓力和金屬液過熱度不變的情況下，導(dǎo)液管內(nèi)徑增加會(huì)導(dǎo)致金屬液質(zhì)量流量增加，造成金屬液滴破碎不充分。

LIU等基于歐拉-拉格朗日法的多相流模型和剪切應(yīng)力輸運(yùn)k-ω湍流模型（k為湍動(dòng)能；ω為比耗散率），研究了不同導(dǎo)液管內(nèi)徑與粉末粒徑、細(xì)粉收得率的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)隨著導(dǎo)液管內(nèi)徑的減小，粒徑累積體積分布曲線左移，粉末粒徑變小，細(xì)粉收得率顯著提高；當(dāng)導(dǎo)液管內(nèi)徑由4mm減小到2mm時(shí)，細(xì)粉（粒徑小于150μm）的收得率由54.7%提高到94.2%。上述數(shù)值模擬結(jié)論與張夢(mèng)醒等和GAO等的試驗(yàn)結(jié)果一致。

根據(jù)LUBANSKA經(jīng)驗(yàn)公式，導(dǎo)液管內(nèi)徑越小，霧化液滴越小。然而，導(dǎo)液管內(nèi)徑越小，金屬液也越容易受導(dǎo)液管內(nèi)表面粗糙度和毛細(xì)管效應(yīng)的影響，導(dǎo)致霧化液滴尺寸增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞導(dǎo)液管。金屬液流速在導(dǎo)液管中心處*大，在管壁處為0（無滑移情況）。當(dāng)導(dǎo)液管內(nèi)徑一定時(shí)，*大速度隨著金屬液平均流速的增加而增大，此時(shí)從中心線到管壁的徑向速度梯度增加，導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大；當(dāng)金屬液流速固定時(shí)，隨著導(dǎo)液管內(nèi)徑的減小，金屬液流速的徑向速度梯度增大，金屬液流動(dòng)阻力增大。研究表明，隨著導(dǎo)液管內(nèi)徑的減小，鋁液和鐵液的流動(dòng)阻力均增大，當(dāng)導(dǎo)液管內(nèi)徑不大于1mm時(shí)，金屬液流動(dòng)阻力達(dá)到102kPa級(jí)。

導(dǎo)液管突出長(zhǎng)度對(duì)氣體流場(chǎng)有很大影響，會(huì)直接影響霧化的穩(wěn)定性與霧化效率。增加導(dǎo)液管突出長(zhǎng)度會(huì)縮小回流區(qū)的范圍，使駐點(diǎn)位置向下方移動(dòng)，導(dǎo)致導(dǎo)液管末端附近區(qū)域形成負(fù)壓，這將對(duì)坩堝內(nèi)金屬液產(chǎn)生較大的吸入作用，同時(shí)氣流速度也略有增加。

ZHANG等采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent對(duì)旋渦環(huán)縫式霧化器噴嘴出口附近霧化室內(nèi)氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)液管突出長(zhǎng)度越大，導(dǎo)液管前端抽吸壓力越小。

THOMPSON等采用離散相模型研究了導(dǎo)液管突出長(zhǎng)度對(duì)二次破碎粉末粒徑的影響，發(fā)現(xiàn)粉末粒徑隨著導(dǎo)液管突出長(zhǎng)度的增加而減小。

XU等認(rèn)為：當(dāng)導(dǎo)液管突出長(zhǎng)度為6~8mm時(shí)，有利于獲得較大的抽吸壓力，從而制備出粒徑較小的粉末；當(dāng)導(dǎo)液管突出長(zhǎng)度為12mm時(shí)，D50及其標(biāo)準(zhǔn)差均急劇增大。若導(dǎo)液管突出長(zhǎng)度過長(zhǎng)，則高速氣流會(huì)直接噴射至導(dǎo)液管外壁并發(fā)生反彈，導(dǎo)致氣流能量損失嚴(yán)重，降低了對(duì)金屬液的二次破碎作用力，改變了霧化區(qū)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，從而破壞了霧化穩(wěn)定性。

導(dǎo)液管末端結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)粉末特性產(chǎn)生影響。王軍峰等采用計(jì)算模擬流體體積界面跟蹤方法，對(duì)一次破碎的兩相流進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)液管末端的小平臺(tái)是導(dǎo)致噴嘴堵塞的關(guān)鍵因素；導(dǎo)液管末端的擴(kuò)張角由30°逐漸增加到35°，40°，45°，縮短了小平臺(tái)的寬度后，霧化連續(xù)性提高，粉末特性也得到改善；優(yōu)化導(dǎo)液管末端的幾何形狀后，金屬液滴在霧化過程中不會(huì)黏附在外壁和小平臺(tái)上；隨著擴(kuò)張角的增加，金屬液與導(dǎo)液管末端的接觸面積減小，這會(huì)降低導(dǎo)液管*破裂的風(fēng)險(xiǎn)，從而延長(zhǎng)導(dǎo)液管的使用壽命；一次破碎后的合金液滴和液帶更接近超音速自由邊界，其與氣體的相互作用強(qiáng)度增加，*終細(xì)粉收得率提高。

綜上，在一定范圍內(nèi)，減小導(dǎo)液管內(nèi)徑有利于獲得粒徑較小的粉末，但也產(chǎn)生較多的超細(xì)粉末顆粒，超細(xì)粉末在高速氣流作用下于霧化腔室中充分彌散，增加了與金屬液滴之間的碰撞概率，從而形成較多衛(wèi)星粉；當(dāng)導(dǎo)液管內(nèi)徑減小到一定尺寸后，受導(dǎo)液管壁阻力的影響以及末端過度冷卻的作用，金屬液容易在導(dǎo)液管末端凝固，進(jìn)而堵塞導(dǎo)液管。同時(shí)，導(dǎo)液管的突出長(zhǎng)度和末端結(jié)構(gòu)也對(duì)粉末的粒徑有較大的影響。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，需要針對(duì)不同設(shè)備系統(tǒng)、不同合金、不同工藝條件，不斷優(yōu)化導(dǎo)液管的工藝參數(shù)，同時(shí)匹配其他工藝以實(shí)現(xiàn)*佳目標(biāo)粉（粒徑15~53μm）的收得率。

優(yōu)化霧化器結(jié)構(gòu)以提升氣流動(dòng)能效率，是改善球形金屬粉末品質(zhì)及提高氣霧化效率的有效手段。近年來，在傳統(tǒng)的氣霧化技術(shù)上逐漸發(fā)展起來了幾種新技術(shù)，如超音速霧化技術(shù)、層流霧化技術(shù)、組合霧化技術(shù)等。

超音速霧化技術(shù)是指在高速氣流破碎液流的同時(shí)，借助超聲波的方式顯著提升霧化效率的一種技術(shù)；基于Laval噴嘴的層流霧化技術(shù)克服了常規(guī)氣霧化過程中氣流擾動(dòng)以及能量損失等問題，可更好地控制金屬粉末的粒徑分布，大幅提升霧化效率；將氣霧化和離心霧化相結(jié)合而形成的組合霧化技術(shù)制備的金屬粉末粒徑小且分布窄，球形度好。Laval霧化技術(shù)目前已經(jīng)成為氣霧化生產(chǎn)領(lǐng)域中較為成熟的技術(shù)，而具有復(fù)合效果的新型霧化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將會(huì)是今后氣霧化技術(shù)的重要發(fā)展方向。

結(jié)束語

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)3D打印金屬粉末市場(chǎng)接近飽和，整體呈現(xiàn)供大于求的狀態(tài)，但粉末品質(zhì)普遍偏低，高品質(zhì)金屬打印粉末的市場(chǎng)需求依然旺盛。所謂的高品質(zhì)指元素控制*、批次穩(wěn)定性好，其中前者取決于母合金廠家，后者取決于粉末生產(chǎn)廠家的技術(shù)水平和品質(zhì)管理。

氣霧化制粉技術(shù)仍無法完全解決空心粉、衛(wèi)星球及目標(biāo)細(xì)粉收得率低等問題。增大過熱度、增加霧化氣體壓力和溫度、采用小內(nèi)徑導(dǎo)液管等措施均有利于提高目標(biāo)細(xì)粉收得率，然而同時(shí)也增加了產(chǎn)生空心粉、衛(wèi)星粉的概率。因此，在實(shí)際粉末制備過程中，不能為提高細(xì)粉收得率而盲目改變工藝參數(shù)，需要結(jié)合目標(biāo)粉末技術(shù)指標(biāo)綜合考慮，針對(duì)不同合金粉末匹配相應(yīng)的工藝。

未來增材制造技術(shù)的發(fā)展方向?qū)⒊尸F(xiàn)多樣化、規(guī)�；�和智能化的趨勢(shì)，這也給增材制造專用材料研發(fā)、粉末制備技術(shù)及裝備應(yīng)用等領(lǐng)域的研究帶來了諸多挑戰(zhàn)與機(jī)遇。

首先，應(yīng)開發(fā)新型高效制備技術(shù)。針對(duì)現(xiàn)階段常規(guī)霧化*佳目標(biāo)粉末（粒徑15~53μm）收得率僅在30%~35%的情況，在現(xiàn)有增材制造粉末制備技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合各工藝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，研制復(fù)合型粉末制備技術(shù)。

同時(shí)，不斷優(yōu)化改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)，匹配*佳工藝參數(shù)，解決長(zhǎng)期限制3D打印金屬粉末質(zhì)量、產(chǎn)量的關(guān)鍵技術(shù)問題，提高粉末批次穩(wěn)定性，提升目標(biāo)粉末收得率。

其次，開展新型專用金屬粉末材料的研發(fā)工作�，F(xiàn)階段的金屬粉末在現(xiàn)有增材制造技術(shù)下所獲得的打印件在性能與功能上仍不能完全替代傳統(tǒng)工藝制備的零部件，因此需要借助增材制造技術(shù)在材料設(shè)計(jì)、多材料及功能復(fù)合材料構(gòu)件制造方面的優(yōu)勢(shì)，研發(fā)適用于金屬增材制造全流程的合金材料，構(gòu)建新材料創(chuàng)新體系，提升材料研發(fā)能力和新材料產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

*后，進(jìn)行智能化制粉技術(shù)的開發(fā)。針對(duì)現(xiàn)階段的金屬粉末制備技術(shù)還遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化生產(chǎn)模式的需求，將設(shè)備自動(dòng)化與數(shù)字信息化相結(jié)合，基于數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)和軟件，結(jié)合系統(tǒng)建模、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，將數(shù)字信息與物理過程有效聯(lián)系起來，極大地提高增材制造粉末制備過程的自動(dòng)化控制水平。

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