综述：在增材制造中用于金属粉末的新型气体雾化技术的进展

《Powder Technology》：Advancements in novel gas atomization techniques for metal powders in additive manufacturing

本文系统对比分析新型气体雾化技术（CCGA、LFGA、UGA）的原理、工艺参数及粉末特性，基于数值模拟与实验验证揭示雾化器设计与参数对粒径分布及缺陷的影响机制，提出优化方向与未来趋势。

　　

杨光|谢军|吴浩|马月娇|王建军|梁静静|李金国

东北大学材料科学与工程学院，中国沈阳110819

摘要

气体雾化作为生产金属粉末最广泛采用的方法之一，因其能够生成粒径小、球形度高且流动性优异的粉末而在增材制造中得到广泛应用。本文比较了几种新型金属熔体气体雾化技术，包括紧密耦合气体雾化（CCGA）、层流气体雾化（LFGA）和超声气体雾化（UGA），讨论了它们的基本原理、技术特点以及工艺优化方面的优缺点。基于多尺度数值模拟和实验验证，总结了雾化器设计和工艺参数（如气体温度、压力和熔体温度）对粉末性能的影响，并探讨了气体雾化过程中典型缺陷（如空心粉末和卫星粉末）的形成机制。最后，指出了气体雾化在粉末生产和性能提升方面面临的技术挑战，并提出了工艺优化和未来技术发展的方向。

引言

近年来，在数字化设计和智能制造的推动下，增材制造（AM）发展迅速。其核心原理是通过逐层沉积材料来直接制造复杂的三维结构，具有接近净成形、高设计自由度和高材料利用率等优点[1]、[2]、[3]。这项技术不仅显著缩短了生产周期并降低了制造成本，还展示了低能耗和高生产力的潜力，使其成为先进制造领域的重要研究方向[4]、[5]。增材制造已在航空航天、能源和医疗行业得到广泛应用，推动了材料和加工技术的双重创新[6]、[7]、[8]、[9]。 在金属增材制造技术中，激光粉末床熔融（LPBF，也称为选择性激光熔化，SLM）是最广泛使用的技术[10]、[11]、[12]。该过程需要严格控制粉末粒径分布（PSD），通常在15–53 μm范围内，以确保铺粉和熔化的稳定性[13]。除了粒径外，粉末还必须具有优异的流动性和堆积性能，以保证零件的密度和尺寸精度[14]。随着增材制造应用的不断扩大，对球形度更高、粒径分布更细、纯度更高的粉末需求也在增加[15]。根据Wohlers的研究，粉末成本是增材制造零件生产中的第二大或第三大支出，对行业的发展和普及起着关键作用[16]。因此，开发高效且经济可行的粉末生产方法是扩大增材制造应用规模的关键瓶颈。 气体雾化（GA）仍然是金属增材制造中最重要的粉末生产技术[17]，它在生产效率、粉末形态控制和粒径分布方面提供了最佳平衡[18]、[19]。统计数据显示，近50%的增材制造粉末是通过GA生产的[20]、[21]、[22]。重要的是，粉末的性能（包括粒径分布、流动行为和铺粉能力）对增材制造过程的稳定性和最终零件的性能有着决定性影响[23]、[24]、[25]、[26]。在激光与粉末相互作用过程中，增材制造零件的微观结构演变和缺陷形成不仅受打印参数的影响，还受到粉末原料物理性质的影响[16]、[27]、[28]。其中，球形粉末因其优异的流动性、高堆积密度和均匀的熔化特性而被认为是理想的原料[4]、[29]、[30]、[31]。具体来说：（1）球形颗粒有助于均匀铺粉，提高工艺一致性；（2）高堆积密度降低孔隙率并提高机械性能；（3）规则的几何形状有助于稳定熔池形成，提高工艺可控性和零件质量。相反，不规则的颗粒形态（尤其是卫星粉末）会显著降低性能[10]、[17]、[31]、[32]。一方面，增加的颗粒接触面积会增强互锁效应，降低粉末流动性和堆积密度，从而影响LPBF中粉末层的均匀性和零件密度[33]；另一方面，不规则表面容易吸附气体，在反复热循环过程中会导致孔隙形成，降低零件的可靠性——特别是限制了超合金粉末在增材制造中的使用[34]。因此，优化GA工艺和参数以改善粉末形态和性能已成为当务之急[35]、[36]。 尽管传统气体雾化技术在工业实践中取得了显著进展，但空心粉末、卫星粉末和宽粒径分布等问题仍然难以完全消除，限制了这些技术在高端增材制造应用中的进一步发展。为了克服这些限制，近年来开发了几种新型气体雾化策略，其中紧密耦合气体雾化（CCGA）[55]、层流气体雾化（LFGA）[38]和超声气体雾化（UGA）[39]被认为是最具代表性的技术方法。CCGA显著缩短了气体与熔体射流之间的相互作用距离，提高了气液动量和能量传递效率。LFGA通过喷嘴结构和流场设计抑制了强湍流和回流区，从而在雾化区内形成相对层流的环境，产生更细小且更集中的粉末分布。UGA引入超声振动（接触式或非接触式）来激发熔体表面的毛细波，促进液滴破碎，提高粉末的球形度并扩大细粉生产的能力。从工艺分类来看，CCGA、LFGA和UGA都是基于传统气体雾化的气体驱动雾化技术，其中熔体破碎和固化过程仍主要由高速惰性气体流动主导，具有相似的物理机制和工业应用背景。相比之下，等离子体雾化[40]和等离子体旋转电极工艺[41]依赖于根本不同的能量输入和破碎机制（例如等离子体加热或离心力），不属于本文比较研究的范围。需要注意的是，尽管这三种新型气体雾化技术具有共同的机制，但在技术成熟度和工业应用水平上存在显著差异。其中，CCGA在细粉产量和生产效率方面表现出色，已成为大规模金属粉末生产的主流工业配置。而LFGA和UGA在粉末缺陷控制和超细粉生产方面具有独特优势，但其大规模工业应用仍面临容量、效率和设备复杂性的挑战。

本文从增材制造对粉末质量的要求出发，系统地研究了金属粉末生产中的气体雾化技术。如图1所示，总结了基本的雾化机制和典型的粉末缺陷形成过程，随后重点讨论了它们对增材制造性能的影响。然后，对比评估了包括CCGA、LFGA和UGA在内的新兴气体雾化技术在粉末特性、工艺效率和工业适用性方面的优势。最后，讨论了数值建模和数据驱动方法的最新进展，强调了它们在工艺理解和优化中的作用。通过将雾化物理、粉末缺陷控制和增材制造要求整合到一个统一的框架中，旨在为学术研究和工业粉末设计提供连贯的见解。

气体雾化基础

气体雾化[17]、[55]作为一种关键的粉末生产技术，其原理是高速惰性气体（如氮气（N?）、氦气（He）或氩气（Ar）射流冲击熔融金属流。该过程首先形成稳定的液滴射流，然后被周围的高压气体射流破碎。雾化系统包括必要的子系统，如气体供应系统、金属熔池、雾化器、喷雾室和粉末收集装置

新型气体雾化

CCGA、LFGA和UGA被视为具有代表性的新方向。这些新兴工艺在气体配置、熔体流动状态和参数调节方面具有独特的特点，从而解决了传统雾化技术在粒径均匀性和粉末流动性方面的局限性。然而，CCGA仍然是大规模增材制造粉末生产的主流技术，并受益于相对成熟的放大实践和公开可用的数据。因此，以下部分将

新型气体雾化技术的数值方法和基于AI的工艺优化

数值模拟已成为理解气体雾化过程中复杂流动和液滴破碎机制的重要工具。主流方法包括基于欧拉-拉格朗日方法的气液两相流模型、体积分数（VOF）自由表面跟踪技术以及耦合热传递和固化的多物理场模型。这些方法可以有效揭示喷嘴出口处的流场分布、液滴尺寸的变化等

总结与展望

总之，本文总结了气体雾化在增材制造原料生产方面的最新进展，包括破碎和固化机制、工艺与粉末的关系、新兴的雾化技术（CCGA、LFGA和UGA）以及CFD与数据驱动优化的结合。这些发展中的一个共同发现是，粉末粒径分布（PSD）和缺陷减少（含卫星粉末和空心粉末）不仅受雾化强度（ΔT、GMR、We、Ma）的影响

CRediT作者贡献声明

杨光：撰写——原始草稿，数据整理，概念构思。 谢军：撰写——审稿与编辑，监督，概念构思。 吴浩：研究。 马月娇：研究。 王建军：监督，研究。 梁静静：研究。 李金国：监督，资源获取，资金争取。

未引用的参考文献

[96], [97]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2023YFB3712003）、辽宁省科技计划（2024JH1/11700038）、中国科学院青年创新促进协会项目（2020198）、云南省材料基金项目II（编号202302AB080020）和重大科技项目（YPML-202405020889）的支持。