根据3D科学谷的技术洞察，增材制造用金属粉末对比传统制造工艺要求标准严格，制备工艺复杂，金属粉末的可循环使用对于节约成本，提高材料利用率有重要意义。同时，粉体质量直接影响增材制造产品的力学性能和微观结构，进而，提高粉末的质量、循环使用性和降低粉末制备成本是提高经济性的关键因素。
通过优化粉末制备工艺和提高粉末质量，可以在保证产品质量的同时提高经济效益，也是从源头上确认增材制造作为新质生产力的关键先决条件。
来自上海交通大学特种材料研究所在真空感应气雾化制粉装备及工艺研究方面取得了显著进展，这项研究对于增材制造领域尤为重要。
3D科学谷洞察
“粉末质量对增材制造的经济性影响显著，其中，粉末质量差会通过多种途径增加增材制造的成本，包括降低成形件质量、减少粉末循环使用性、增加工艺参数匹配难度、增加设备和材料成本、降低生产效率以及增加安全和健康风险。
因此，提高粉末质量对于降低增材制造成本具有重要意义，也是企业建立核心竞争力的关键着力点。”
模拟气雾化实验平台
增材制造作为一种日益成熟的新型制造技术，在现代制造业中得到了广泛应用。真空感应气雾化制粉工艺凭借其高效率和低成本的优势，已成为增材制造中的铝合金粉体主要制备技术。然而，目前该工艺生产的金属粉体形态存在诸多缺陷，如空心粉、粘接粉和异形粉等，这些缺陷严重影响了增材制造试样的力学性能。
“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析
”
由于真空感应气雾化制粉工艺过程处于高温、高压和高速的物理环境中，这给原位观测以及数值模拟技术带来了挑战。目前，真空感应气雾化制粉熔体破碎机理和粉体形态缺陷的产生机理尚不清晰，研究该物理过程，对于优化制粉装备和工艺，提高粉体质量有着重要意义。
上海交通大学王浩伟教授团队联合上海光源，通过流体相似理论，数值模拟技术，以及实验流体力学方法揭示了真空感应气雾化制粉工艺熔体破碎和粉体缺陷形成机理。并通过结合同步辐射CT技术和三维重构算法，对真空感应气雾化制粉工艺生产的粉体形态缺陷进行分类量化，建立了粉末形态缺陷量化图，为评估粉体质量提供了标准。相关工作发表在Virtual and Physical Prototyping，Material&Design，Powder Technology期刊杂志上。
针对真空感应气雾化制粉熔体破碎机理的研究，基于流体力学相似理论，推导出与真空感应气雾化制粉工艺过程熔体破碎过程相关的三个重要无量纲参数：韦伯数、气液动量比和奥内佐格数，依据这些参数，搭建了模拟真空感应气雾化原位观测实验平台。
▲图1. 真空感应气雾化原位观测实验平台（a）高速相机原位观测模拟真空感应气雾化制粉工艺试验台，（b）二维动态同步辐射原位观测模拟真空感应气雾化制粉工艺试验台
在综合了流体力学理论、流体数值模拟方法和流体实验方法，揭示了真空感应气雾化熔体破碎和粉体形态缺陷形成机理。熔体破碎过程分成三个阶段，包括熔体在背压区作用下剪切变形，在高速气高压气流作用下的初次破碎和二次破碎，这些过程将高维的熔体转变成零维的粉体。
▲图2. 真空感应气雾化原位观测实验平台（a）高速相机原位观测模拟真空感应气雾化制粉工艺试验台，（b）二维动态同步辐射原位观测模拟真空感应气雾化制粉工艺试验台
研究揭示了空心粉、粘接粉和异形粉的形成机理。
其中，空心粉有四种形成机理，分别是气液界面的开尔文-霍姆赫兹不稳定性，二次破碎中的多模态破碎模式，液滴撞击，以及液体纤维的交织作用；
粘接粉的形成机理主要是由于粉体撞击，包括液体破碎过程中液滴速度的差异以及喷嘴附近的涡旋气流；
异形粉形成机理与液滴的凝固过程相关，即液滴的受力平衡周期大于凝固周期。
▲图3. 各类粉体缺陷形成机理
相关成果以题为“Interaction between high-velocity gas and liquid in gas atomization revealed by a new coupled simulation model”和题为“Understanding the breakup behaviors of liquid jet in gas atomization for powder production” 发表在Material&Design，以及题为“3D numerical modeling of gas atomization process for powder preparation based on similarity theory” 发表在Powder Technology。论文第一作者博士研究生罗升，王洪泽副教授和吴一副教授为共同通讯作者，共同作者包括王浩伟讲席教授。
研究还开展了粉体形态缺陷表征与量化技术的研究，通过结合同步辐射CT技术和三维重构算法，对真空感应气雾化制粉工艺生产的粉体形态缺陷进行分类量化，综合机器学习分类算法，建立了粉末形态缺陷量化图，为评估粉体质量提供了标准。
▲图4. (a)异形粉末，(b)空心粉末，(c)正常粉末，(d)卫星粉末，(e)人工神经网络的结构，(f)人工神经网络粉末分类预测精度，(g)DEDed粉末的缺陷分布，(h)LPBFed 粉末的缺陷分布
研究还对比了同轴气优化真空感应气雾化制粉装备与原装备所生产的AlSi10Mg粉体形态缺陷及其在增材制造工艺中的表现，实验结果表明，经过优化的粉体形态缺陷总体比例下降约30%；特别是在直接能量沉积增材制造工艺中，粉体利用率提升约8%，力学性能提升约10%。
▲图5. (a)增材制造试样的孔隙率，(b)增材制造试样的拉伸曲线
相关成果以题为“The impact of coaxial gas technology on the morphology of powder by gas atomization and the additive manufactured mechanical performance” 发表在Virtual and Physical Prototyping，论文第一作者博士研究生罗升，王洪泽副教授和吴一副教授为共同通讯作者，共同作者包括王浩伟讲席教授。和题为“Synchrotron X-ray computed tomography analysis of the morphological characterization of aluminum alloy powders produced by gas atomization”发表在Powder Technology，论文第一作者博士研究生欧阳昱，博士生罗升、王洪泽副教授和吴一副教授为共同通讯作者，共同作者包括王浩伟讲席教授。
以上论文得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海市扬帆计划、安徽省淮北市重大科技专项、欧盟玛丽居里学者项目的支持。
论文链接
[1]
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111793
[2]
https://doi.org/10.1016/j.powtec.2023.118904
[3]
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110264
[4]
https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2375107
[5]
https://doi.org/10.1016/j.powtec.2023.119244
来源
上海交通大学特种材料研究所
上海交通大学特种材料所是金属基复合材料国家重点实验室的重要组成部分，由王浩伟讲席教授担任负责人。
团队现长期诚聘激光增材制造/激光成形工艺和装备、增材制造材料表征（微观组织、力学性能、疲劳）、增材制造过程同步辐射成像、面向增材制造的超结构设计等方向博士后。联系人：王洪泽（hz.wang@sjtu.edu.cn）
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