《Powder Technology》：Improving the controllability of plasma atomization via a novel jet morphology model for multi-jet consistency
编辑推荐：
等离子体雾化（PA）通过多射流耦合实现高质量金属粉末制备，但工业规模化受限。本研究提出射流轮廓提取算法及参数模型，量化多射流空间收敛一致性，发现其作为关键中介变量直接影响粉末粒度分布和细粉产率。分隔符：
姚一萌|于德平|刘金伟|刘坤|何俊涛|李勤鹏|曲云|贾帅航
四川大学机械工程学院，中国成都610065
摘要
等离子体雾化（PA）能够生产出高质量的球形金属粉末，适用于先进的增材制造。然而，其工业化的可扩展性从根本上受到在名义上相同操作条件下粉末质量不稳定性的限制。这种不稳定性源于多个等离子体射流的动态耦合收敛行为，而这一行为尚未得到充分表征和定量评估。在本研究中，开发了一种射流轮廓提取算法和一种新的参数化射流形态模型，以实现三个汇聚等离子体射流的高精度重建。与传统的高斯模型相比，所提出的模型显著提高了拟合精度，并增强了复杂射流几何形状的表示能力。基于该模型，建立了一个定量评估框架，用于表征单个射流的时间稳定性和多射流系统的一致性。引入了射流收敛区域相对于理想收敛点的偏移量作为物理上有意义的指标，以量化多射流的一致性。PA实验表明，在相同的名义操作条件下，多射流的一致性与粉末特性之间存在明显的相关性。射流一致性的提高导致更细的颗粒尺寸分布和更高的细粉产量，表明多射流一致性是控制粉末质量的关键中间过程变量。所提出的方法为评估等离子体射流状态提供了定量工具，并为PA系统中的过程稳定性提供了新的见解，同时为使用非转移弧等离子体炬的基于等离子体的材料加工系统中关键中间射流状态的定量表征建立了一个通用框架。
引言
金属粉末是增材制造（AM）的关键原料，其性能直接决定了组件的成形质量[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。在航空航天和能源系统等高端应用场景中，对金属粉末的要求非常严格，需要高纯度、窄颗粒尺寸分布以及高球形度，以确保在极端服务条件下的可靠性能[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。包括GE Aerospace和Continuum Powders在内的领先工业公司已经采用了等离子体雾化（PA）制备的粉末，因为PA过程具有较低的环境氧含量、更高的能量密度和减少的气体消耗[11]、[12]、[13]。这些工业发展凸显了对PA相较于传统粉末生产方法（包括气体雾化（GA）的日益偏好，特别是在高性能AM应用中。与这些方法相比，PA生产的粉末通常具有更高的纯度、相对较高的细粉产量、更少的卫星颗粒形成以及更好的颗粒球形度[14]、[15]。尽管有这些优势，PA在实现稳定和可控的大规模金属粉末生产方面仍存在根本性限制[13]，导致批次间质量波动，如图1a所示。PA的低生产吞吐量使得高性能粉末变得稀缺，限制了其在一般工业应用中的推广，并阻碍了AM的发展。目前关于这一有前景的PA技术的学术研究还不够充分，这突显了对其关键瓶颈进行深入研究的必要性，以便更广泛地采用PA生产的高性能粉末。
PA通过将高温、高速的等离子体射流冲击到连续供给的金属丝上来产生金属粉末，从而引发熔融金属的快速熔化和随后的碎裂[11]。雾化流场在此过程中起着决定性作用[14]，因为金属丝附近的温度和速度升高增强了热传递和剪切应力，从而促进了金属丝的有效熔化和熔融物的强烈分解。已经开发了多种策略来加强雾化流场，包括增加等离子体炬的功率[11]、使用能够产生高能量密度射流的反向极性等离子体炬[16]，以及优化喷嘴结构以调整速度和温度分布[17]。早期的单射流配置（如Krasnov提出的系统[18]）受到非均匀等离子体流场的限制，导致热输入不足和熔融物碎裂不完全。为了提高流场均匀性和雾化性能，Entezariant提出的单丝三射流配置已成为主要的工业方法。在这种配置中，三个等离子体射流被引导在预定的空间位置汇聚，在金属丝周围形成一个强化且更均匀的雾化区。加强的热和剪切条件改善了熔融物的稳定性和碎裂行为，从而可以提高粉末生产效率和颗粒质量。理论上，三个状态一致的等离子体射流被设计为在空间中的固定点稳定汇聚，该点对应于雾化流场中最大剪切力的位置，从而实现金属丝的连续和均匀雾化[17]，如图1b所示。PA中的整体粉末形成行为受多种耦合因素的影响，包括等离子体功率、热输入、熔融物特性和雾化动力学等。在这些因素中，等离子体射流的空间汇聚和稳定性在影响雾化区内的局部温度和速度场方面起着重要作用。实际上，等离子体射流状态不可避免地受到多种时间依赖因素的耦合效应的持续干扰，包括电极侵蚀[19]、[20]、[21]、喷嘴氧化[22]和电源波动[23]、[24]。因此，即使火炬组装配置固定，等离子体射流状态之间的不一致也会导致射流汇聚位置不断偏离其理想位置，如图1c)和d)所示。这种偏差会引起雾化等离子体流的速度和温度场的时间依赖性变化，从而改变雾化过程中的等离子体-材料相互作用，最终导致无法控制的粉末生产。因此，在动态干扰的耦合影响下实现和维持等离子体射流的一致性被认为是提高PA过程稳定性和可控性的重要前提。
基于图像的等离子体射流状态识别和调节为PA提供了一种有前景且直观的方法[13]，因为可以直接可视化射流形态，并用于评估单个射流的行为以及三个射流的一致性和汇聚情况。通过定量分析射流形态，可以有效地评估三个等离子体射流之间的一致性和它们的空间汇聚特性。然而，现有的关于等离子体射流形态表征和诊断的研究仍然相对有限。大多数现有方法仅限于在孤立条件下对单个等离子体射流的静态或简化几何表征，如射流长度、宽度和偏转角[25]、[26]、[27]、[28]、[29]，这不足以捕捉PA中等离子体射流形态的动态和复杂性。一些尝试采用了基于高斯的模型来提供更全面的射流形态描述[29]；然而，这些模型对复杂射流轮廓的拟合精度仍然有限。更重要的是，PA过程本质上是由三个等离子体射流的耦合汇聚控制的，而不是单个孤立射流的行为[17]。因此，这些基于单射流的表征方法无法完全描述相互作用条件下的单个射流状态，从根本上不适合评估PA中的多射流一致性。在动态耦合的多射流汇聚条件下，有效表征等离子体射流状态及其一致性的定量评估仍然是未解决的技术和科学挑战。
在本研究中，开发了一种射流轮廓提取算法和一种新的参数化射流形态模型，以实现三个汇聚等离子体射流的高精度重建和全面描述。与传统基于高斯的模型相比，所提出的模型在表示等离子体射流形态方面的准确性和描述能力更优越。基于该模型，建立了一个定量评估框架，用于评估单个射流的时间稳定性和多射流系统的空间一致性，其中引入了射流收敛区域相对于理想收敛点的偏移量作为物理上有意义的指标。PA实验表明，在相同的名义操作条件下，多射流的一致性与粉末质量之间存在明显的相关性。这一观察表明，多射流一致性可以作为理解PA过程中过程稳定性的有用中间过程变量。除了PA之外，所提出的方法还为基于等离子体射流的材料加工技术中关键中间射流状态的定量表征提供了一种通用方法。
部分摘录
PA系统和实验设计
本文研究的单丝三射流PA系统包括七个子系统：等离子体射流维持、金属丝供给、真空和气体供应、电源、水冷、粉末收集和数据采集，如图2a所示。等离子体射流维持子系统包括三个非转移弧等离子体炬，如图2b所示。这些炬安装在雾化炉头上，其精确的空间布置如图2c所示。
基于改进的beta分布的射流形态参数模型
射流形态是评估PA稳定性的关键过程参数，表现出显著的时空波动特性。为了精确捕捉等离子体射流的真实几何配置和动态演化模式，本节提出了一种基于改进的beta分布的参数化建模方法。
等离子体雾化射流的分布形态表现出固有的不对称性和不均匀性。标准beta分布
参数化射流形态模型和单射流稳定性的定量验证
根据第2.3节描述的方法处理了时间分辨的等离子体射流图像序列。使用20的临界灰度阈值提取了射流轮廓，得到了三个等离子体炬的有效射流轮廓，如图9a)–c)所示。
使用所提出的参数化射流形态模型对提取的射流形态进行了定量表征。如图9d)所示，该模型在所有三个等离子体炬上都实现了一致的高拟合精度，
结论
本研究解决了在相同工艺输入下等离子体雾化（PA）中粉末质量不一致的长期问题，重点关注三个汇聚等离子体的定量表征和评估。通过引入多射流一致性作为可测量的中间过程变量，建立了一个基于形态的框架，用于定量评估多个等离子体射流的空间汇聚和稳定性。主要结论总结如下：
CRediT作者贡献声明
姚一萌：撰写 – 原始草稿、验证、软件、方法论、正式分析、数据管理、概念化。于德平：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、正式分析。刘金伟：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。刘坤：研究、数据管理。何俊涛：可视化、数据管理。李勤鹏：验证、监督。曲云：研究。贾帅航：软件。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（编号：52274364和52305494）和先进材料-国家重点科技项目（编号：2025ZD0610302）以及四川省科技计划（编号：2024ZDZX0039）的财政支持。
