引言
钛合金因具有良好的热塑性和可焊性，成为激光增材制造重要原材料[1-4]。根据激光增材制造工艺过程，其原材料必须为粉末形态，且粉末粒度需要小于45μm[5]。此外，由于激光增材制造制件将保留原材料中的杂质元素（常见的杂质元素有氮、氧、氢等非金属元素），杂质含量对激光增材制造制件的力学性能有不利影响[6]，因此原材料的杂质含量应较低。在实际操作过程中，非球形的粉末存在流动性差、利用率低的问题，易造成堵塞现象，同时还影响制件性能[7]，所以激光增材制造原材料钛合金粉末还需具有较高的球形度。
优质钛合金粉末是获得高性能激光增材制造制件的基础，因而钛合金粉末制备工艺尤为重要[8-10]。当前钛合金粉末制备工艺主要有雾化法、氢化脱氢法和金属热还原法，其中氢化脱氢法和金属热还原法制备的钛合金粉末存在粉末形状不规律、杂质含量高等问题，不适用于激光增材制造。雾化法因其制备的钛合金粉末具有粒度可控、球形度高、杂质含量低等优点，成为当前主流的激光增材制造用钛合金粉末制备方法[11-12]。
雾化法是通过物理方法将熔融钛液分散成金属小液滴，在自身表面张力的作用下，金属小液滴逐渐球形化，冷却凝固后形成金属粉末[13]。雾化法按照钛合金雾化的能量来源可分为气雾化法、等离子雾化法和离心雾化法。
1、 气雾化法
气雾化是利用高速气流的动能来雾化钛合金，通过高速气流冲击熔融钛合金，使熔融钛合金破碎并分散成细小的钛合金小液滴，冷凝后形成钛合金粉末[14]。气雾化法的工艺核心是雾化喷嘴，其决定制粉效率、影响制粉性能。雾化喷嘴按照结构形式分为自由降落式喷嘴和限制型喷嘴两类，如图1所示[15]。自由降落式喷嘴存在雾化效率低、耗能高的问题，导致细粉收得率低，细粉制备成本高，不能满足经济性要求。限制型喷嘴是对自由降落式喷嘴进行优化改良得到，提高了雾化效率和粉末性能[16-18]，但生产过程更易发生粉末堵塞。
气雾化法制备的钛合金粉末具有球形度高、杂质含量低的特点，粉末粒径分布在0～500μm之间，分布范围较宽，0～45μm细粉末比例约为35%[19]。气体冲击雾化导致气雾化法 相比其他雾化工艺空心粉（熔融钛合金金属液滴包裹冲击气体冷凝后形成的中空粉末）和卫星粉（粉末粒度不同的两个或多个粉末凝固在一起形成的卫星状粉末）的问题较重，从而在雾化工艺制备的钛合金粉末中该工艺制备的钛合金粉末的杂质含量、球形度略差。常见的气雾化法包括惰性气体雾化法和电极感应熔化气雾化法。
惰性气体雾化法是在惰性气体氛围保护下进行，在经过预处理的坩埚内电弧加热熔化钛合金，熔融钛合金通过导流管形成稳定的液流从喷嘴中雾化喷出，冷凝后得到钛合金粉末 [20-21]。刘辛等人[22]通过该工艺制备出中值粒度为62.23μmTiAl3钛合金粉末，粉末中球形和近球形粉末比例高，球形度好。刘学晖[23]等通过该工艺制备了低氧含量、高收得率的TC4钛合金粉末。电极感应熔化气雾化法采用电极感应线圈加热熔化合金棒材，再利用高速惰性气体雾化粉碎钛液制备钛合金粉末[24]。该工艺具备了惰性气体雾化法的优点，制备的粉末球形度高及表观质量好，同时，由接触式的坩埚电弧熔炼改为非接触式的电极感应熔炼，进一步减少了杂质引入的风险[25]。但电极感应熔炼也存在局限性，由于熔化产生的钛液液滴不稳定，造成限制型雾化喷嘴难以使用，限制了喷嘴的选择，从而影响了细粉收得率。
该工艺目前是激光增材制造球形钛合金粉末的主要制备方式[27-28]。郭快快[29]等使用电极感应熔化气雾化法制备研究TC4合金粉末后发现，粉末形貌和粉末粒度受功率影响较大，低熔炼功率时，细粉比例低，且出现一定比例的棒形和哑铃状粉末颗粒，当功率增大，细粉比例明显增大，不规则形状的粉末颗粒逐渐消失。陆亮亮等[30]提出高频感应熔化金属丝气体雾化技术，通过优化雾化气体压力、熔体温度和送丝速度，制备出平均粒径为41.8μm的钛合金粉末。黄传收等[31]通过对喷嘴的样式、雾化压力和熔炼功率进行研究调整，制备出球形度高、卫星粉少的TC4钛合金粉末。
2 、等离子雾化法
等离子旋转电极法是将钛合金制成自耗电极置于高速旋转的旋转轴上，在真空或者惰性气体保护下，通过等离子体加热熔化其端面形成金属液膜，利用电极旋转离心雾化形成钛合金小液滴，液滴在飞行过程中冷凝形成钛合金粉末[32]。等离子热源相比感应加热或电弧加热拥有更高的温度，不仅有利于杂质的控制，还让钛合金小液滴球化更加充分，制备的钛合金粉末球形度更好。但该工艺当前还存在需要优化之处，其制备的钛合金粉末的粉末粒度偏大，细粉收得率低，从而让该工艺在高端性能钛合金粉末制备领域无法推广使用 [33-34]。王琪[35]等采用该工艺制备出了球形度高、表面光亮圆滑的TC15钛合金球形粉末，粉末粒度在106~246μm之间，细粉比例小。
等离子火炬雾化法是一种利用等离子热源雾化金属液滴制备球形粉末的方法，借助高温的等离子体火炬加热钛丝，熔化、蒸发成钛金属蒸汽，在沉积过程中与冷却用的惰性气体 发生热交换，凝固得到近球形粉末[37]。该工艺原材料钛合金熔化、汽化过程同时进行，提高了雾化效率。等离子热源的高温特性让粉末球形度提高。刘畅[38]等利用自主研发超音速等离子雾化工艺得到可应用于医疗、航空领域的钛合金粉末，粉末粒度集中于50~61μm，粉末圆润，钛合金粉末纯度高。
3、 离心雾化法
离心雾化法是通过在惰性气体氛围中将熔融钛合金离心甩出，粉碎成液滴，冷却凝固得到球形粉末。离心雾化法制备的钛合金粉末的粉末粒度与离心转速密切相关，转速越高制备的钛合金粒度越细。由于现阶段工艺设备局限性，该工艺无法获得理想的转速，同时设备还易污染粉末，使得制备的钛合金粉末不仅粉末粒度较大，杂质含量还略高，使得该工艺推广受到限制，但该工艺具有制备的粉末球形度高的优点。离心雾化法有旋转电极法和电子束旋转盘法两种工艺。
旋转电极法是将棒状钛合金制成自耗电极，利用固定钨电极上激发的电弧产生高温熔化电极的端面，再借助电极旋转的离心力雾化液滴制备球形粉末[39]。该工艺制备的钛合金粉末直径受电弧强度、自耗电极转速影响极大，电弧强度越大、自耗电极转速越快获得的钛合金粉末越细[40]。由于设备的掣肘，当前设备的转速较低，获得的粉末较粗。
电子束旋转盘法是采用电极感应加热将合金材料熔化，通过导流管将熔化的金属液均匀滴落到下方高速旋转的圆盘上，利用转盘的离心力雾化液滴制备球形粉末。此方法在实施过程存在旋转圆盘易变形、粉末闭孔内夹杂气体多和坩埚漏嘴污染等诸多问题，基本不采用该工艺来制备钛合金粉末[41]。
4、 对比分析
气雾化法制备的钛合金粉末杂质含量低、球形度良好，其在雾化工艺中细粉收得率最高、成本最经济，是当前主要高性能钛合金粉末生产工艺。粉末杂质含量及球形度最佳的钛合金粉末雾化制备工艺是等离子雾化工艺，但其因为成本较高、细粉收得率较低，限制了该工艺的广泛应用。离心雾化工艺由于工艺设备存在大量问题，且制备的钛合金粉末各项指标均不如等离子旋转电极法制备的钛合金粉末，已被后者替代。雾化工艺对比如表1：
气雾化法中，电极感应雾化法在限制型雾化喷嘴适用性方面存在技术难点，相比惰性气体雾化法需要更高的技术能力支撑。该工艺相比惰性气体雾化法优势在于杂质含量更低。
等离子雾化法中，等离子旋转电极法与等离子火炬雾化法由于存在成本高、细粉收得率低的问题导致应用不广泛。但它们制备的钛合金粉末都有具有杂质含量低、球形度高、粒度分布均匀等优点。细粉收得率方面两者相比，等离子火炬雾化法在高等离子旋转电极法2倍以上，但因为其制备的钛合金粉末粒度分布较广，需要额外进行粒度分级，产品成本提高，导致其应用情况不如等离子旋转电极法[43]。
5、 展望
雾化法因其制备的钛合金不仅粉末球形度高、杂质含量低，且细粉收得率高，使其在钛合金粉末制备工艺中脱颖而出，成为国内外主流的钛合金粉末制备工艺。目前钛合金粉末 制备工艺中，国内以气雾化工艺为主，国外以等离子雾化工艺为主。
气雾化法因其具有较高细粉收得率和工艺简单等优势，从而成为现阶段国内主要钛合金粉末制备工艺。通过工艺参数优化和雾化喷嘴技术改良，该工艺在制备的钛合金粉末品质及细粉收得率方面仍有提升空间，但若想将品质提升到媲美等离子雾化工艺制备的钛合金粉末十分困难。
等离子雾化法相比其他钛合金粉末制备工艺，其制备的钛合金粉末具有十分优秀的粉末品质，但是该工艺的细粉收得率较低，造成细粉制备成本极高，限制了其推广。国外对该工艺研究较深，目前已经解决了该工艺细粉收得率较低的问题，从而使得该工艺在国外已经得到广泛应用。国内对该工艺的研究未达到国外的水平，因此如何提高工艺的细粉收得率降低细粉制备成本将成为国内该工艺未来主要研究方向。
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