脈衝微孔噴射技術（shù）是20 世紀末提出的一種用（yòng）於製備單分散微米級粒（lì）子的（de）新型微滴製造技術，由日本東北大（dà）學的（de）川崎研究室首創。它基於噴墨（mò）打印的思（sī）想，利用壓電式電磁致（zhì）動（dòng），實現了按需噴射（shè）。該（gāi）技術可應（yīng）用於熔融金屬、懸濁液等材料的液滴的製備。該技術最初的設想是應用於（yú）BGA 封裝球的生產製備，隨著微精領域對高均一度、圓球（qiú）度的微球的材料種類需求的不斷拓展，又開發出適用於高熔點（diǎn）材料的脈衝微孔噴（pēn）射設備，大幅拓展了該技術的（de）應用前景。

 

該方法目前可用（yòng）於低熔點金屬材料、高（gāo）熔點金（jīn）屬材料、半導體材料及生（shēng）體材料等材料的單分散粒子（zǐ）製備，具有廣泛的應用範圍。該技術製得的單分散微米級粒子具有（yǒu）球形度高、粒徑均一、尺寸易控製的（de）特（tè）點；同（tóng）時，該技術製備的粒子凝固環境一致，因此相同尺寸熔滴凝固（gù）熱曆史（shǐ）一致，組（zǔ）織結構相同。增材（cái）製造中原材料（liào）粉末質量在極大程度上決定了最終製件的質量，粉末的（de）尺寸越均勻、圓球度越高（gāo），越容易鋪（pù）展成極薄且均勻的粉末（mò），減少最終成型製件的缺陷。在（zài）日益（yì）精密化、複雜化的增材製造（zào）技術中，脈衝微孔噴射技術具有廣闊的應用前景及發展潛力。

 

 

脈衝微孔噴射技術原理

 

 

1.適用於低熔點材料的脈衝微孔噴（pēn）射技術

 

在脈衝微孔技術發展的最初階段，開發出（chū）了適用於低熔點材料的脈衝微孔設備。該設備也（yě）稱壓片式脈（mò）衝微孔噴射裝置，如圖1 所示。其原理為：將原材料在坩堝中熔化，熔（róng）融液體（tǐ）通過補給管（guǎn）道流入噴射部並充滿整個空間（jiān），同時使坩堝內（nèi）外產生一定壓力差，對坩堝中熔融（róng）液體施加一定壓力；在脈衝信號的激勵（lì）作用（yòng）下，壓電陶瓷變形帶動壓片產生彈性變形，使（shǐ）坩（gān）堝內一（yī）定量的液（yè）體從微孔噴出，一部分沿補給管道流回，其噴射過程如圖2 所示。一次（cì）脈衝（chōng）信號可激勵金屬壓片彎曲變形一（yī）次，由此每（měi）發出一次脈衝信號則噴射出一滴液滴，圖3 為高速攝（shè）影（yǐng）（PhotronFASTCAM Mini UX100，10000frame/s）記錄的頻率500Hz 條件下的噴射過程。該技術通過增大脈衝頻率，可以提高粒子的製備效率；改（gǎi）變噴嘴尺寸，可以獲得直徑幾十到幾百微（wēi）米的高精度微滴。

 

圖1 壓片式脈衝微（wēi）孔噴射設備原理圖

圖2 壓片（piàn）式脈衝微孔液滴（dī）噴射

圖3 脈衝（chōng）微孔噴射法過程

 

該技術的（de）不足主（zhǔ）要在於脈衝擾動的傳動裝置（zhì）是可變形壓（yā）片。耐高溫的（de）陶瓷材料由於不（bú）具有變形能力，無法作為該技術中的（de）壓片，因（yīn）此該技術中（zhōng）壓片（piàn）材料主要采用金屬。金屬壓片僅適用（yòng）於（yú）低溫材料的（de）製備，主要（yào）原因在於：首先，若提高試驗溫度以達到可熔化高熔點材料試驗條件，極可能造成原材料與金屬壓片反應，破壞設備；其（qí）次，金屬壓片在高溫條件下易發生性能變（biàn）化（huà），極難滿足高溫性能要求。因此，這極大地限製了可製備粉體的材料。

2.適用於高熔點材料的（de）脈（mò）衝微（wēi）孔噴射技術

 

為了解決壓片式脈衝微孔噴（pēn）射技術無法製備高（gāo）熔點材料的缺陷，又設計研發（fā）了用於高（gāo）熔點材（cái）料的脈衝微孔噴射設備，並首次提出（chū）了局域脈衝擾動思（sī）想（xiǎng）作為（wéi）該技術的（de）理論基礎。與用於低熔點材料的脈（mò）衝微孔（kǒng）設備相（xiàng）比，用於高（gāo）熔點材（cái）料（liào）的脈衝微孔設備采取傳動杆式（shì）代替壓片（piàn）式，也稱傳（chuán）動杆式脈衝微孔噴射設備，如圖4 所示（shì）。由於（yú）傳動設備由金屬壓片替（tì）換為陶瓷傳動杆，從而使無法噴射高（gāo）熔點金屬材料的（de）限（xiàn）製被打（dǎ）破，極大地豐富了材料的製備範圍。與壓片式設備相比，傳動杆的振動利用了局域脈衝擾動的驅動方式代替整體脈衝擾動（如圖（tú）5 所示），該驅動方式提高了設備的相應（yīng）速度，提升了係統的穩定性（xìng），從而完善了微粒（lì）子（zǐ）的（de）性能。其原理（lǐ）與用於低熔點材料的脈（mò）衝微孔噴射設備不同之處在於，通過耐熱陶瓷傳（chuán）動杆進行能（néng）量傳遞，隻針對微孔附近局（jú）部液體進行（háng）有規律的（de）脈衝式擾動，由此打破微孔內外由表（biǎo）麵（miàn）張力和液體靜（jìng）態壓力所形成的平衡，使坩堝內一定量的液體脫離微孔處（chù）的液麵（miàn）斷（duàn）裂成液滴。



                                     圖5  傳動杆式脈衝微孔液滴噴射

 

 

除原理上的（de）差異外，用於高熔點材（cái）料的脈衝微孔噴射技（jì）術在多（duō）個方麵（miàn）都具（jù）有（yǒu）更高的技術（shù）要求：

（ 1）采用感應（yīng）加（jiā）熱裝置：由於需要加熱到（dào）更高的溫度（dù），加熱時間大幅延長，為了降低時間成本，改用感（gǎn）應式加熱，同時利用電磁效應產生（shēng）的攪拌效果（guǒ），有利於多元組分的合金成分均勻化；

（2）坩堝及小孔材料的（de）選擇：由於坩（gān）堝及小孔必須同原材料不潤濕（shī）且不反應（yīng），低（dī）溫係（xì）統中所采用的不鏽鋼無（wú）法滿足高溫環境中的性能要求，而高溫係統中雖大多采用陶瓷材料，但同一種陶瓷（cí）難以滿足多種液（yè）體的噴射，增大了材料選擇的難度；

（ 3）真空度（dù）要求增大：高溫係統對真空（kōng）度要求更高，腔體中氧含量需降低以滿（mǎn）足要求。

 

脈衝微孔噴射技術研究成果

 

 

目前，大連理工（gōng）大學單（dān）分散粒子課題組利用自主研（yán）發的低熔點脈衝微孔噴射設備成功（gōng）製得（dé）多（duō）種低熔點金屬（shǔ）單分散粒子：如金屬錫、各（gè）種比例Sn-Pb 合金及Sn-Ag-Cu 等無鉛焊料及（jí）β-TCP 等生體材（cái）料單分散粒子，同時也製得Bi-Ga 偏晶合金粒子，得到了具（jù）有（yǒu）核殼結構的單分散粒子，其在圓球度、尺寸均一性等方麵都具有很高的水平（píng）。在製備出低熔（róng）點金屬微粒子的同時，還通過試驗方法研究了不同參數（如脈衝波（bō）形、電壓（yā）、頻率和坩堝內外（wài）壓力差等）對試驗結果的影響。

 

在試（shì）驗的基礎上，利用Flow-3D軟件研究驗證上述試驗結果，所得結論與試（shì）驗結果（guǒ）一致，其（qí）可行性得到了驗證；同時還進行了材料性能（表麵張力、粘度（dù）等）的相關模擬試驗，利用此試驗結果對試驗係統進行了參數的優化。另外，進行了液（yè）滴產生及下落過程（chéng）中液滴形態的模擬分析，更深入地研究了脈（mò）衝（chōng）微孔噴射技術的實際過程。

 

在利用低熔點脈衝（chōng）微孔噴射設備穩定（dìng）噴射製（zhì）備低熔點材料微粒子的基礎上，自主設計搭建了高熔點脈衝微（wēi）孔噴射設備，並成功（gōng）地製備出鐵鈷基金屬玻璃、銅、鋁等單分散粒子，其中所製備的銅及鋁粒子如圖6所示（shì）。

                                                  圖6 脈衝微孔（kǒng）噴射法製得單分散粒子

 

 

其他微米級粒子製備技術

 

目前，應用於微米級粒子製備的主要技術包括：均（jun1）勻液滴噴射法、氣動式按需（xū）噴（pēn）射液滴法（fǎ）及霧化法等。

 

均勻液滴噴射法是美國（guó）麻（má）省理工學院（MIT）於1992 年首次提出的一種連續的微米（mǐ）級粒子噴射技術，其主要理論依據為臘腸型射流不穩定理論。該（gāi）技術的主要原理是：對整個金屬熔體施加一定壓力，使熔體從噴嘴（zuǐ）噴出，形成射流；對射流施（shī）加特（tè）定頻率的擾動，使射流失穩，並在表麵張力和擾動作用下離散成均勻尺（chǐ）寸的微（wēi）滴；為保（bǎo）證（zhèng）液柱離（lí）散成的連續液滴彼此在空間上保持一定距離，對液柱進行充電處理使液滴互相排斥（chì），液滴降落凝固（gù）後即為所需的球狀粒子。

 

國內外知名科研機構不斷完善UDS 工（gōng）藝，在試驗和理論上都（dōu）取得了一係列的研究成果。該技術的（de）主要（yào）優點是生產效率高，缺點是均勻液滴噴射（shè）過（guò）程中難以長時間保持液柱的層流狀態（tài），且抗幹擾能力弱。

 

氣動（dòng）式按需噴射法是一種具有代表性的按需噴射（shè）法（fǎ），該技術（shù）的主要原理是通過電磁閥的（de）打開和關閉，將一定量保護氣體通入腔體，經過坩堝內腔和泄氣閥（fá）組成的亥姆霍茲共振產生脈衝壓力，對坩堝腔體施加瞬時噴射壓力，使液態金屬通過坩堝底部的微小噴孔噴出形成均勻液滴。由於該技術需要高壓氣（qì）體對腔體液體（tǐ）整體進行擾動，在克服由於噴（pēn）射微滴（dī）尺（chǐ）寸減小引起的熔體表麵附加壓力增大（dà）效應方麵表現不足（zú），使得微小尺寸液滴製備困難；同時由於坩堝、泄氣閥以及電磁閥係統不是一個簡（jiǎn）單的線性係（xì）統，其壓力變（biàn）化影響因素（sù）很多，粒子製備（bèi）穩定性不易保證。

 

霧化法是工業上主要采用的製備金屬（shǔ）顆（kē）粒的方法，其中（zhōng）采用較多的為（wéi）氣霧（wù）化法（fǎ）、離心霧化（huà）法和（hé）旋轉電極法。氣霧化法的主要原理是利用氣體壓力將流（liú）經噴嘴的液（yè）體衝擊破碎固化成粉；離心霧化法是將熔融（róng）液體束流流至旋轉圓盤上，在離心（xīn）力作用下，使液體脫離轉盤（pán）邊（biān）緣，然後落入冷卻介質凝（níng）固（gù）；旋轉電極法則是將原材料製成自（zì）耗電（diàn）極，利用（yòng）生成的等離子體加熱，使高（gāo）速旋轉的原材（cái）料端部熔化，在離心力（lì）作用下液態金屬離散成微小液滴（dī），霧化成（chéng）粉。該方（fāng）法雖（suī）然已經廣泛應用於生產，但由於熔滴尺寸分散性大且不易控製，也無法有效解決凝固過程中精密可控的問題，即使該方法得到（dào）的金屬顆粒經過篩分後能夠獲得粒徑相同的微粒子，但這些微粒子的（de）飛行路徑無法控製，因此熱履曆不同，進而導致最終的微觀結構不同，造成材料性（xìng）能差別大，這（zhè）也限製了該方法在微精領域的進一步發展。脈（mò）衝微（wēi）孔（kǒng）噴射法與脈衝微孔噴射技術的（de）應用霧化法製得粒子的對比圖如圖7 所示（shì）。

                                           圖7    脈衝微孔法與（yǔ）霧化法紙杯微粒子對比圖

 

脈衝微孔噴射技術的應用

 

脈衝微孔噴射技術在增材製造（3D 打印（yìn））技術中有廣闊的應用潛力（lì），其主（zhǔ）要有兩（liǎng）方麵應用：一是使用（yòng）單分散微米級球形粒子作（zuò）為（wéi）粉體，直接用於增材製造；二（èr）是在液滴降落凝固過程中操縱液滴的下落位置，使液滴精確、有規律的（de）逐點逐麵地沉積形成構件（jiàn）。該方法作為增材製造技術的一種，具有周期短、成本（běn）低等優點。

 

 

1.直接使用（yòng）微粒子用於增材製造

 

增材製造（3D 打印（yìn））被稱為能夠改變未來世界的革命性技術。國家工（gōng）信部在2015 年年初發布（bù）的國家增材製造（3D 打印）產（chǎn）業（yè）發展推進計劃（2015-2016 年）中針對航空航天、艦船及（jí）海洋工程、生物醫療等領域（yù）的重（chóng）大需求，提出開展（zhǎn）上述（shù）領域3D 打印專用材料特性（xìng）研究（jiū）、研（yán）發與生產，並將（jiāng）著（zhe）力突破（pò）金屬3D 打印製造專用材料列為該推進計劃的首項。目前，基（jī）於激光束、電子束的（de）金（jīn）屬3D 打印技（jì）術是該領域的（de）研究核心與熱點（diǎn），其具有加（jiā）工效率高、熱（rè）應力低、表（biǎo）麵質量出色、更（gèng）利於加（jiā）工件的力學性能（néng）等突出（chū）優點。但該技術對（duì）粉體（tǐ）的球（qiú）形度、粒徑大小及分布，粉體的鋪展性能、流動性等提出了極高的要求。對於該技術而言，所（suǒ）使用粉體的形狀、粒度（dù）大小及分布對粉體的鋪展性能、二維切（qiē）片層（céng）厚的控製及熱源能量（liàng）的吸收均（jun1）有極大影響：粉體流動（dòng）性差，不利於粉體鋪展成薄薄一層；粒度差別大，不利於對燒結二維切片層厚控製，而且不同粒徑粉體熔化時間不一致，如（rú）果熱源掃描速度過快，大（dà）粒徑粉體不能及時熔化，容易使（shǐ）製品出現缺陷。

 

目前，國內在3D 打印金屬粉末的製備方麵目前主要采用霧化法等，但霧化（huà）合金粉末粒度分布（bù）寬，質量不高，容易出現夾雜物、熱（rè）誘導孔洞等（děng）缺陷，成形零件性能受到影響（xiǎng）；而高端的合金粉末和製造設備主要（yào）依靠進口，價格昂貴。高性能金屬零件打印的原材料要求均勻尺寸、高（gāo）球（qiú）形度、低氧含量的（de）鈦及鈦（tài）合金粉末或鎳基、鈷基（jī）高溫（wēn）合金粉（fěn）末，因（yīn）此市場急需穩定（dìng）可（kě）靠的高熔點、高質量（liàng）金屬微球的製造技術。

 

脈衝微孔（kǒng）噴射技術製（zhì）備得到的粉體圓球度高、流動性好，且尺寸一致，燒結均勻不易出現缺陷，因此脈衝微（wēi）孔噴射技術在增材製造用粉（fěn）的製備方麵具有極大的優勢。激光鋪粉3D 打（dǎ）印用球形粉末的粒度範圍為20~40μm，激光噴粉（fěn）及電子束鋪粉3D 打印用球形（xíng）粉末的粒度範圍為40~100μm。雖（suī）然目前脈衝微孔（kǒng）噴射設備（bèi）得到的粒（lì）子在粒（lì）徑大（dà）小、尺寸分（fèn）布及圓球度方麵均可滿足上述增材製造用粉（fěn）的（de）苛刻要求，但該技術製備效率與（yǔ）噴射頻率直接相關，頻率上限無法忽視（shì）。若以製備粉體質量為衡量標準，在（zài）噴射頻率相同的條件下，粒子的製備效率隨粒徑（jìng）減小（xiǎo）而大幅降低。

 

為了在滿（mǎn）足增材製造用粉要求的同時大幅提高製（zhì）備效率（lǜ），大連理工大學單分散粒子課題組提出了將脈衝微孔製（zhì）備單分散液滴的製備方（fāng）法與旋轉盤離心霧化法相結合對均勻液滴再次逐點霧化（huà），高效製備滿（mǎn）足載能束3D 打印專用球形金屬粉末的新（xīn）思路，並利用Sn-Pb 合金進行了（le）粉末的製備（如圖8 所示），驗證了該思（sī）想的可行（háng）性。由（yóu）於均一微液滴的尺寸大小可控，旋轉盤（pán）對降落在盤上的液滴產生的離心霧化效果可（kě）通過帶動旋轉盤的電（diàn）機的轉數及旋（xuán）轉（zhuǎn）盤的（de）大小進行優化（huà）調整，從而實現穩定地控製液滴霧化後（hòu）的粒徑分布。

 

 

圖8 逐（zhú）點霧化法製（zhì）備的Sn-Pb合金（jīn）粉末

該方法（fǎ）的創新之處在於首次提出（chū）將均一液滴的製備方法與傳統旋進行離心霧化，從（cóng）而實現（xiàn）了微小粒徑窄粒徑分布的球（qiú）形粉末的製備（bèi）思想。該方（fāng）法製備的粒子即可滿足載能束3D 打印用金屬球形粉末所要求的球形度及粒度分布，又大（dà）幅度提高了粉末的（de）製備效率。該方法有望攻克高效製備適用於激光束、電（diàn）子束3D 打印用金屬球形粉末的行（háng）業性技術難題。

 

2.液滴沉積成型

 

液滴沉（chén）積成型技術是一種快速成型技術（shù），它是基於噴墨打印原理思想，利用噴射的液（yè）滴直接進（jìn）行沉（chén）積形成三維立體結構，無需二次受熱成型。該技術主要通過液滴噴射係統將熔融的金屬以（yǐ）液滴形式從噴嘴中噴出，通過計算機控製（zhì）三維（wéi）平台的運動，將液滴沉積至某一位置，逐點逐層按照二維層麵信息沉積堆疊，最終形成複雜的零件結構。

 

脈衝微孔噴射（shè）法液滴沉積製造是（shì）一種按需式液滴沉積成型技術，轉盤離心霧化法相結合對均勻液滴它結合了脈衝微孔噴射法的粒子製備及三維運動平（píng）台來精確控製金屬（shǔ）液滴的下落軌（guǐ）跡，進而精確地由點至麵（miàn）、由麵至（zhì）體地（dì）堆積，最（zuì）終（zhōng）得到具有均勻特（tè）性的圖層（céng）或複雜的集合造型燈。該研究方法的設備原理如圖9 所示，其主要原理是：首先，將待沉積構件的結構信息通過（guò）軟件（jiàn）分層分析得（dé）到層麵信息（xī）；然後，將坩堝中原材料加（jiā）熱融化，對壓電陶瓷施加脈衝振動，並通（tōng）過傳動杆傳至熔融（róng）金屬，使熔（róng）融金屬（shǔ）從噴嘴噴出形成液（yè）滴；接下來，根（gēn）據構件的層麵信息，通過控（kòng）製器控製三維平台（tái）的運動軌跡，使液滴沉積至（zhì）平台的指定位置；當構件一（yī）個層麵沉積結束，三（sān）維平台下降一定高度，開始下一層麵的沉積，如此往（wǎng）複（fù），直至整個（gè）構件沉積完成（chéng）。

              圖9   脈衝微孔噴射液滴沉積成型原理圖

 

目前，大連理工大學單分散粒子課（kè）題（tí）組在利用（yòng）脈（mò）衝微孔噴射設備可以穩定製備（bèi）微粒子的基礎上，結（jié）合三維運動平台，自主研發了脈衝微孔噴（pēn）射液滴沉積裝置。現已利用該設備製得了三維（wéi）構件（jiàn），並進行了一係列試驗，研（yán）究了試驗參數（平台運動速（sù）度、平台沉積路徑等）對構件成型的影響，同時研究了該技（jì）術製得構件的微觀組織，並發現該方法可以達到晶粒（lì）細化的作用（yòng），如圖10 所示。同時也得到（dào）了複雜（zá）圖案的沉（chén）積（jī）結果，如圖11 所示。

                                                     圖11    圖案的沉積

 

 

 

存在問題及展望

 

脈衝微孔噴射技術在原理上已（yǐ）經得到了驗證並獲得了形貌及組織性能均一良好的（de）微粒子（zǐ），但仍有許多技術（shù）問題需要解決。雖然脈衝微孔噴射技術已經從製備低熔點材料發展至可以製備高熔點材料，極大地豐富了可（kě）製備材料，但由於金（jīn）屬液滴（dī）的噴射過程受多種因素影（yǐng）響（如坩堝、傳動（dòng）杆等材料），可（kě）以製備的金屬（shǔ）材料（liào）依然受到限製（zhì）。同時（shí），脈衝微孔噴射法液滴沉（chén）積製造在其構件是否為冶金結（jié）合方麵仍（réng）需探討，且對於沉積構件（jiàn）表麵粗糙問題仍需解決。

 

增材製造技（jì）術由於其成本低（dī）、周期短、可一次（cì）成形形狀複雜（zá）零件等優勢，已成為航空航天領域中的關鍵技術，廣泛應用於航空航天領域中複雜整體關鍵構件（jiàn）、精密熔模鑄造原型（xíng）等製（zhì）件的生產製備。脈衝微孔（kǒng）噴射技術製備的粒子具有尺寸均一（yī）、圓（yuán）球度高、粒徑可控等優勢，優於傳統製粉工藝，能有效提升製得零件組織的均勻性，減（jiǎn）少缺陷的產生，大（dà）幅提高製件的性能，在對製件要求嚴（yán）苛的航空（kōng）航（háng）天製造領域有（yǒu）明顯（xiǎn）的優（yōu）勢。可以預見，隨著研究的不（bú）斷深入，脈衝微孔噴射技術有望為航空航天領域提供有效的技（jì）術支持。