摘要 ：铝基合金粉末在增材制造等领域应用广泛，其制备工艺中的卫星颗粒形成机制备受关注。真空感应熔炼气体雾化（VIGA）和等离子旋转电极雾化（PREP）是制备铝基合金粉末的常用工艺，二者因雾化原理不同，卫星颗粒形成机制存在差异。本文对比分析两种工艺下卫星颗粒的形成机制，探讨液滴破碎球化、冷却凝固及工艺参数等因素的影响。研究发现，VIGA 工艺中气体动力与冷却条件主导卫星颗粒形成，PREP 工艺则受离心力与等离子体作用显著影响。明晰两者机制差异， 可为优化工艺参数、控制卫星颗粒生成及提升铝基合金粉末性能提供理论依据。

       关键词 ：铝基合金粉末 ；雾化工艺 ；卫星颗粒 ； VIGA ；PREP

        铝基合金粉末在航空航天、高端制造等领域需求激增，其制备工艺直接影响粉末性能。真空感应熔炼气体雾化（VIGA）与等离子旋转电极雾化（PREP）是主流制备技术，但卫星颗粒的形成会降低粉末流动性与成形精度。目前针对两种工艺下卫星颗粒形成机制的对比研究尚不系统，尤其是液滴破碎、凝固过程等核心因素的作用差异缺乏深入分析。因此，需通过对比VIGA 与 PREP 工艺中卫星颗粒的形成机理，以提高粉末制备效率。

       1  VIGA与PREP雾化工艺原理及特点

       1.1  VIGA 雾化工艺

       真空感应熔炼气体雾化（VIGA）工艺以真空感应炉为核心设备，通过电磁感应加热使铝基合金原料在真空环境中熔化，形成成分均匀的熔融金属液。熔融液经导流管流入雾化区域，高压惰性气体（如氩气）从雾化喷嘴高速喷出，利用气体动力将金属液流破碎为细小液滴。这些液滴在飞行过程中与冷却气体充分换热，经球化、凝固形成粉末颗粒。该工艺的显著特点是真空环境可有效抑制合金氧化，气体雾化能获得较宽的粒径分布（通常 5μm ～ 300μm），且设备操作灵活性高，适用于多品种小批量生产。但气体动力破碎的随机性导致液滴尺寸均匀性较差，且较高的气体消耗量增加了生产成本。

       1.2  PREP 雾化工艺

       等 离 子 旋 转 电 极 雾 化（PREP） 工 艺 采 用 旋转 电 极 作 为 原 料 载 体，铝 基 合 金 电 极 在 高 速 旋 转（10000r/min～50000r/min）过程中，其端部受等离子体电弧加热熔化，熔融金属在离心力作用下被甩出并破碎为液滴。液滴在惯性力与表面张力作用下球化，随后在惰性气氛中冷却凝固成粉末。该工艺的核心优势在于离心力破碎机制使液滴尺寸分布更集中（通常20μm～160μm），粉末球形度高且卫星颗粒占比低；等离子体加热均匀性好，可减少合金成分偏析。此外， PREP工艺的旋转电极无须导流管，避免了传统雾化中的熔体堵塞问题，适合连续化生产。但其设备结构复杂，对电极制备精度要求高，且仅适用于可制成棒状电极的合金体系，工艺适应性相对受限。

       2  VIGA工艺与PREP工艺制备铝基合金粉末的卫星颗粒形成机制

       2.1  VIGA工艺制备铝基合金粉末的卫星颗粒形成机制分析

       2.1.1  液滴破碎与球化过程

       在VIGA 工艺中，熔融金属液流与高压气体的相互作用构成液滴破碎的核心动力。当高速气流冲击金属液柱时，流体力学不稳定效应促使液柱表面产生波动，进而发展为细小液滴，这一过程主要是遵循Rayleigh-Taylor 不稳定性理论，气体动能转化为液滴表面能，形成粒径分布较宽的液滴群。然而，气体动力的随机性导致液滴尺寸差异显著，较大液滴与较小液滴在飞行过程中因惯性力不同而产生相对运动，当小液滴撞击未完全凝固的大液滴表面时，极易发生黏附团聚，形成卫星颗粒。

       与此同时，表面张力驱动液滴球化，但若液滴群速度分布不均或存在湍流扰动，球化过程会受到阻碍，不规则液滴碰撞时更易产生机械嵌合型卫星颗粒，其结合强度取决于碰撞瞬间的动能转化与界面冶金反应程度。研究表明，液滴破碎过程的随机性与球化动力学的矛盾，导致 VIGA 工艺制备的粉末中卫星颗粒形态呈现多样性，从简单的双颗粒黏附到复杂的多颗粒团聚结构均有存在，这对粉末后续的流动性与成形性能产生重要影响。

       2.1.2  冷却凝固过程的影响

       冷却凝固阶段的热传导特性直接影响卫星颗粒的结合强度与形态。VIGA 工艺中，液滴与冷却气体的热交换速率决定了凝固前沿的凝固速度，当冷却速率较低时，液滴表面凝固壳形成缓慢，液态核心存续时间延长，此时小液滴撞击大液滴时，液态界面可发生充分冶金结合，形成牢固附着的卫星结构。

       若冷却速率过高，液滴表面迅速固化，撞击过程中仅产生机械咬合，卫星颗粒与主颗粒的结合力较弱，容易在后续处理中脱落，在此过程中，如果冷却气体的流场分布不均还会导致局部过冷度差异，使液滴凝固进程不同步，进一步加剧卫星颗粒形成的随机性。而铝基合金的高导热性加剧了这种热传导差异，使得靠近喷嘴区域的液滴因快速凝固而减少卫星颗粒生成，那些远离喷嘴的低温区液滴更容易因凝固滞后产生团聚。

       2.1.3  工艺参数的作用

       VIGA 工艺中的各种参数也会影响卫星颗粒生成，主要是通过调控液滴破碎与凝固条件而实现的，主要有以下几个参数。

       （1）雾化气压。如果提高雾化气压就可以增强气体动能，细化液滴尺寸，但过高的雾化气压会引发液滴群湍流效应，增加碰撞概率 ；相反，如果气压过低则导致液滴破碎不充分，大尺寸液滴占比升高，两种情况均会促使卫星颗粒增多。

       （2）导流管直径与高度。该参数会影响金属液流的稳定性，导流管直径过小时熔体流速加快，易引发液流断裂不均 ；导流管高度不足则导致液滴初始速度分布不均，均会加剧卫星颗粒形成。

       （3）冷却气体温度与流量。该参数对于卫星颗粒生成的影响主要是通过改变热交换效率来影响凝固速率从而，低温大流量气体可缩短液滴液态存续时间，降低黏附概率，但过度冷却可能导致液滴塑性降低，碰撞时产生更多碎片型卫星颗粒。

       （4）合金熔体温度。过热度不足会使熔体黏度升高，液滴破碎困难 ；过热度偏高则延长凝固时间，两者均不利于抑制卫星颗粒生成。

       2.2  PREP 工艺制备铝基合金粉末的卫星颗粒形成机制分析

       2.2.1  离心力作用下的液滴细化

       在PREP 工艺中，铝基合金电极高速旋转产生的离心力是液滴细化的核心驱动力，当电极端部被等离子体电弧加热至熔融状态时，液态金属在离心力作用下沿电极圆周切线方向甩出，形成薄膜状液层。随着旋转速度增加，离心力超过金属表面张力，液层破裂为细小液滴。与VIGA工艺的气体动力破碎不同，离心力场的均匀性使液滴尺寸分布更集中，减少了因液滴尺寸差异过大导致的碰撞团聚概率。

       离心力的动态平衡直接影响液滴细化效果，当旋转速度不足时，离心力无法克服金属黏度与表面张力，易形成粗大液滴或液丝，增加卫星颗粒生成风险 ；如果转速过高，则会引发液滴二次破碎，产生过多超细颗粒，这些颗粒在飞行过程中因冷却速度快、动能低，易吸附在主颗粒表面形成松散型卫星结构。

       2.2.2  等离子体加热与凝固过程

       等离子体电弧的加热特性对PREP 工艺中卫星颗粒的形成具有双重影响。一方面，等离子体具有很高的温度，最高温度可达 10000K 以上，如此高温使合金电极端部快速熔化，形成成分均匀的熔融层，避免了局部过冷导致的凝固不均 ；另一方面，电弧加热的高度集中性可能导致电极表面温度梯度较大，熔融金属黏度分布不均，进而影响液滴甩出的均匀性。

       凝固过程中，惰性气氛下的热传导速率决定了液滴界面的冶金结合程度，PREP 工艺中，液滴甩出速度高达数百米每秒，飞行冷却距离短，凝固时间极短，能够达到毫秒级，这种快速凝固条件下，小液滴撞击主颗粒时，液态界面可能因瞬间冷却而无法充分扩散，形成弱结合的卫星颗粒。

       2.2.3  工艺参数的影响

       PREP 工艺参数对于卫星颗粒生成的影响主要是通过调控离心破碎与凝固条件来实现的，具体的工艺参数有以下几个。

       （1）旋转速度。这是 PREP 工艺的核心调控参数，提高转速可增强离心力，细化液滴尺寸，但转速超过临界值时，液滴甩出动能过大会导致剧烈碰撞，增加卫星颗粒数量 ；转速过低则液滴粗大，碰撞概率上升。

       （2）等离子体功率。该参数会直接影响电极加热效率，功率不足会使熔融层温度偏低，液滴破碎不充分 ；功率过高则导致电极过热蒸发，产生大量超细颗粒，两者均不利于抑制卫星颗粒。

       （3）惰性气体流量与温度。通过改变冷却速率影响凝固过程，大流量低温气体可加快液滴固化，缩短液态碰撞时间，但过度冷却会降低液滴塑性，碰撞时易产生碎片型卫星颗粒。

       （4）电极直径与长度。该参数主要是影响离心场分布，直径过小会导致边缘离心力梯度增大，液滴尺寸不均 ；长度不足则限制熔融金属供给的稳定性，均会加剧卫星颗粒形成。

        3  两种工艺卫星颗粒形成机制的对比与讨论

       3.1  形成机制的异同点

       VIGA 与 PREP 工艺制备铝基合金粉末时，卫星颗粒的形成虽均源于液滴碰撞团聚，但其主导机制存在本质差异。VIGA 工艺的核心驱动力为气体动能破碎。高速惰性气体冲击金属液柱，基于 Rayleigh-Taylor 不稳定性产生宽泛粒径分布的液滴群。尺寸差异显著的大小液滴在飞行中因惯性力差发生相对运动，小液滴易黏附于未完全凝固的大液滴表面，形成机械嵌合或冶金结合的卫星结构。

       PREP 工艺则依赖离心力破碎机制。其卫星颗粒主要源于两种情形 ：一是旋转参数失谐引发的液滴二次破碎，产生超细颗粒吸附于主颗粒 ；二是高速甩出的液滴在极短凝固时间内发生碰撞，因界面扩散不充分形成弱结合结构。

       两者的共性是凝固速率对卫星颗粒结合强度的显著影响。无论是VIGA 中冷却气体导致的非均匀凝固，还是PREP 中因超短凝固时间限制的界面扩散，均可能削弱卫星结构的稳定性。

       3.2  影响因素的对比分析

       工艺参数对卫星颗粒的调控路径在VIGA 与PREP 工艺中呈现显著分野。VIGA 工艺中，雾化气压占据核心地位。提升气压可细化液滴，但过高的气压会加剧湍流碰撞 ；气压不足则产生粗大液滴，两者均增加卫星颗粒丰度。导流管参数通过调控熔体流速与初始分布状态间接作用于碰撞概率。冷却气体流量与温度则直接主导凝固动力学，低温大流量虽可缩短液滴液态时间减少黏附，但过度冷却易诱发脆性碰撞碎片。

       PREP 工艺的核心在于旋转速度与等离子体功率的协同。转速提升可细化液滴分布，但超过临界值会引发二次破碎及剧烈碰撞 ；转速不足则液滴粗化。等离子体功率需精准匹配 ：功率不足导致熔融层黏度高、破碎不均 ；功率过高则引起电极蒸发，产生大量超细粉末成为卫星颗粒来源。惰性气体冷却条件在PREP 中的作用更侧重于控制液滴的过热度维持时间，而非单纯追求快速凝固，因其本身凝固时间已达毫秒级。电极的几何精度与动力学稳定性是关键隐性参数，其微小的偏心或表面缺陷即可通过离心力放大，造成液滴甩出轨迹与尺寸的波动。

       VIGA 工艺的参数优化需重点关注气体—熔体两相流的协同稳定性，而PREP 的成功则高度依赖于旋转系统与等离子体热源的精密耦合。两者均需避免参数的极端设置，寻求液滴细化、均匀化与适度凝固速率的平衡点。

       3.3  对铝基合金粉末性能的影响差异

       卫星颗粒的存在显著劣化铝基合金粉末性能，但VIGA 与PREP 工艺因卫星颗粒特性不同，其影响侧重点各异。在流动性能方面，VIGA粉末受卫星颗粒影响更为严重。其宽泛的粒径分布与复杂的多颗粒团聚结构显著增加颗粒间机械咬合阻力，导致休止角增大、霍尔流速下降。PREP粉末得益于高球形度与集中粒径分布，即使存在少量松散吸附的卫星颗粒，对整体流动性的负面影响相对较弱。

       成形性能的差异体现在铺粉均匀性与致密化行为。 VIGA粉末中牢固结合的卫星颗粒在铺粉过程中易形成局部架桥，降低铺层密度均匀性。在激光选区熔化过程中，这些卫星颗粒因与主颗粒存在冶金结合或成分差异， 可能成为局部未熔合或热裂纹的起源。PREP粉末的主要风险在于弱结合的卫星颗粒。其在粉末输送或铺粉过程中可能脱落，产生超细粉尘污染粉床 ；脱落的颗粒也可能在熔池中形成未熔夹杂，或因其弱结合界面在熔凝时形成孔隙。

       化学成分均匀性方面，VIGA 工艺中因冷却速率高且存在气体强制对流，虽能抑制宏观偏析，但快速凝固可能在小液滴与主颗粒界面处形成非平衡相或微区成分梯度。 PREP 工艺在等离子体均匀加热下整体成分均匀性更佳，但其高温环境可能导致低熔点元素烧损，且瞬间碰撞结合的界面区域可能因扩散不充分存在微观成分起伏。

       4  结语

       综上，VIGA 与 PREP 工艺在制备铝基合金粉末时卫星颗粒的形成机制存在差异，主要是VIGA 中气体动力与冷却速率主导液滴团聚，PREP 则因离心力与等离子体作用使卫星颗粒形成更依赖液滴细化均匀性。在具体的影响因素方面，工艺参数（如雾化气压、旋转速度） 会影响两者卫星颗粒的尺寸分布与结合强度。未来，结合原位观测技术，深化极端条件下卫星颗粒演化规律研究，为低缺陷铝基合金粉末制备提供更精准的工艺调控策略。