浅谈VIGA系统中雾化器的重要性

浅谈VIGA系统中雾化器的重要性

作者：张富邦

近年来随着国内3D打印技术应用的兴起，3D打印粉体材料的需求日益增长，众多的国内企业采购制备粉体材料的设备，研发生产用于3D打印金属的粉末。目前制备3D打印金属粉末的工艺主要包括以下几种：

1. 气体雾化法（Gas Atomization）：

气雾化法（GA）：目前，增材制造用金属粉末材料的气雾化制备常用技术包括有坩埚真空感应熔炼雾化VIGA（Vacuum Induction-melting Gas Atomization）和无坩埚电极感应熔炼气雾化EIGA（Electrode Induction-melting inert Gas Atomization）。其中VIGA法采用坩埚熔炼合金材料，合金液经中间包底部导管流至雾化喷嘴处，被超音速气体冲击破碎，雾化成微米级尺度的细小熔滴，熔滴球化并凝固成粉末。该方法主要适用于铁基合金、镍基合金、钴基合金、铝基合金、铜基合金等粉末的生产制备。

2. 等离子体雾化法（Plasma Atomization）：

类似于气体雾化，但使用等离子体弧将金属加热至熔融状态，然后通过高速气流雾化。由于等离子体温度高，适用于高熔点金属的粉末制备。粉末具有更高的球形度和更低的氧含量。

3. 电极感应熔化气雾化法（Electrode Induction Melting Gas Atomization, EIGA）：

结合了电极感应熔化和气体雾化技术，适用于制备高纯度金属粉末。适用于钛、镍等难熔金属的粉末制备。

4. 激光熔化气雾化法（Laser Melting Gas Atomization）：

使用激光作为热源将金属熔化，然后通过气体雾化制备粉末。

能够制备出粒度更细、球形度更高的金属粉末。

5. 水雾化法（Water Atomization）：

利用高速水流将熔融金属破碎成粉末。通常用于制备粒度较粗的金属粉末，成本较低，但粉末球形度不如气体雾化法。

6. 机械球化法（Mechanical Alloying）：

通过球磨机的高能机械作用将金属或合金粉末进行球化处理。适用于生产难以通过雾化法制备的金属粉末。

7. 化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition, CVD）：

通过化学反应在基底上沉积金属薄膜，然后将其剥离并球磨成粉末。适用于制备高纯度、特定成分的金属粉末。

8. 溶液化学法（Solution Chemistry）：

通过化学反应在溶液中生成金属盐，然后通过还原、热分解等步骤制备金属粉末。适用于制备纳米级金属粉末。

每种方法都有其特点和适用范围，选择合适的制备工艺需要考虑金属的类型、所需粉末的特性、生产成本以及最终应用的需求。随着技术的发展，这些工艺也在不断优化和改进，以适应3D打印技术对金属粉末的高标准要求。

目前国内生产镍基、铁基、不锈钢、模具钢、铝基、铜基合金粉末厂家，普遍采用VIGA技术。

VIGA‌真空熔炼雾化技术的英文缩写是VIGA（Vacuum Induction Melting Inert Gas Atomization）‌。VIGA是一种先进的粉末生产工艺，主要用于生产大量球形高级金属粉末，特别适用于增材制造的要求。该技术相对于其他制粉技术具有流程可靠性高、生产率高、运行成本低等特点，能够生产出低氧、低氮浓度、球形颗粒和极低的卫星颗粒的粉末‌。

VIGA技术的原理是在真空条件下熔炼金属或合金，然后在惰性气体保护下将熔融液态金属雾化成微细的金属液滴，液滴在飞行沉降过程中形成球形颗粒并凝固成粉末。这种技术可以制备多种不能通过水雾化和大气环境下制造的金属及其合金粉末，特别适用于制备特殊合金粉末和低氧含量的金属粉末‌。

VIGA系统通常由熔炼系统、雾化系统（雾化器）、真空系统、气源加压及供气系统、粉料收集捕集系统、冷却水系统和PLC控制系统等组成。这些系统协同工作，确保了粉末生产的稳定性和高质量‌。

3D打印金属粉末是增材制造技术中的一种重要材料，它通过逐层叠加的方式制造出复杂的金属部件。以下是3D打印金属粉末的一些基本要求：

1. 粒度分布：金属粉末的粒度需要均匀，通常粒度范围在15-45微米之间，具体取决于3D打印工艺和设备的要求。粒度分布对打印件的密度、强度和表面光洁度都有显著影响。

2. 球形度：粉末颗粒应尽可能接近球形，这样可以保证粉末流动性好，有利于打印过程中粉末的均匀铺设和熔化。

3. 氧含量、硫含量、磷含量控制：金属粉末中的氧含量需要尽可能低，一般要求控制在≤150ppm左右，硫、磷含量≤0.015%，因为氧含量高会降低打印件的机械性能，增加孔隙率，硫、磷含量高会增加打印件的脆性。

4. 杂质含量：粉末中的非金属杂质要少，杂质会影响打印件的性能和设备的正常运行。

5. 流动性：粉末需要有良好的流动性，以便在打印过程中能够顺畅、均匀地铺粉，形成精确的打印层。

6. 松装密度：粉末的松装密度要适中，以便在打印床上形成稳定的粉末层。

7. 烧结性能：粉末在激光或电子束的照射下应具有良好的烧结性能，能够迅速熔化并牢固地结合在一起。

具体到不同的3D打印技术，如选择性激光熔化（SLM）、直接金属激光烧结（DMLS）、电子束熔化（EBM）等，对金属粉末的要求可能会有所不同。以下是针对这些技术的具体要求：

选择性激光熔化（SLM）：粉末粒度通常要求更细，以提高打印精度。对粉末的球形度要求较高，以保证激光束能够均匀熔化粉末。直接金属激光烧结（DMLS）：粉末粒度可以稍粗，但也要保持一定的均匀性。 粉末的氧含量和杂质含量控制同样重要。

电子束熔化（EBM）：由于电子束的高能量，对粉末粒度的要求不如SLM严格。 需要粉末具有良好的热传导性，以适应EBM过程中的高温环境。

由此可见，在整个的3D打印过程中，除设备因素外，粉末材料的质量是打印出合格打印件的关键！

文章主要针对VIGA技术制备粉末中雾化器这个核心技术谈一点个人见解：

VIGA制粉系统中，雾化器是一项核心技术，它的性能在整个制粉过程启着决定因素，主要体现在以下几个方面‌：

1、‌粉末质量‌：雾化器直接影响金属粉末的粒度、形貌和纯净度。高性能的雾化器能够制备出粒度均匀、形貌规则、纯净度高的金属粉末，这对于3D打印的质量至关重要。

2、‌生产效率‌：雾化器的设计和技术水平直接影响生产效率。例如，气雾化法利用高速气流粉碎液态熔融金属液流，生成金属粉末，具有细粉产出率高、产能大的优势。

3、‌能耗和可持续性‌：在3D打印粉末制备过程中，能耗是一个重要的考量因素。研究表明，氩气雾化是最可持续的气体雾化方法，其次是氮气。雾化过程中其单位能耗和产品收得率是决定企业产品成本的一项重要指标，保持其次连续雾化，中途不堵包是保证粉末质量的重要因素‌。因此，选择合适的雾化器和技术对于降低能耗、提高可持续性具有重要意义。

4、‌材料适用性‌：不同的雾化器适用于不同种类的金属材料。气雾化法适用于制备中、低熔点金属粉末，这为3D打印提供了更广泛的选择和灵活性。

综上所述，雾化器在3D打印粉末制备中扮演着至关重要的角色，其性能和设计直接影响到粉末的质量、生产效率、能耗以及材料适用性，从而影响最终打印件的质量和成本。   

本人曾经做为国内最早生产、研发合金粉体材料企业一员，三十多年来，见证了制粉行业的发展过程，带来团队研发的水雾化器，是粉末球形达到气雾化水平，成品收得率达到40%左右，2004年研发具有自主知识产权的水雾化、气雾化一体雾化系统，只需系统切换就可实现水雾化和气雾化制粉，也参与研发了多款新材料和新技术。退休前主要研究热喷涂（喷焊）合金粉末生产和粉末质量对形成焊层影响方面，解决了本企业在粉末使用过程中遇到的一系列质量问题，2017年企业采购一套VIGA制粉系统，计划生产用于超音速喷涂、3D打印的镍基、钴基、不锈钢、模具钢粉末，但在生产过程中出现一系列影响产品质量、生产成本的问题，如堵包率高达30%，15-53um粉末收得率25%左右，53-35um粉末收得率15%左右，生产成本高，粉末球形差，空心粉达到8%左右，至是该设备没有发挥应有的作用，给企业带来效益，也促使我开始关注该系统生产过程中存在的问题，最终得出该系统的雾化器是影响系统稳定运行包括生产成本的一系列问题的根源。

因为目前国内VIGA制粉系统基本都是仿制国外系统，国内早期进口VIGA系统主要制备高温镍基合金粉末，其雾化器适用于该系列合金粉末，也就是适用于低熔点、钢液粘度小的合金粉末雾化，如铝硅合金粉末等，但不适于雾化熔点较高、钢液粘度大的合金粉末，如不锈钢、模具钢、625等粉末。退休后自主研发了四款用于VIGA制粉系统中制备粗粉和细粉的雾化器，并在某公司VIGA制粉系统中运行近一年时间，现场验证了两套雾化器的运行效应：模具钢、不锈钢、625粉末堵包率1%左右，15-53um粉末收得率根据粒度分布宽窄达到分别40%和53%左右，粗粉53-150um粉末收得率达到55%，粉末粒度分布较均匀，空心粉0.8%左右。图1：18Ni300粉末球形。

图2CX模具钢粉末空心粉检测；

 图3   0-150um粒度分布检测

该雾化器运行结果验证了在VIGA系统中雾化器这个核心技术的重要性。

张富邦：兰州理工大学高级工程师，曾任兰州理工合金粉末有限责任公司董事长。

现任晋江市精进金属科技有限公司技术总监。