本文档属于类型a，是一篇关于通过真空感应气体雾化（Vacuum Induction Gas Atomization, VIGA）技术制备Inconel-625合金粉末，并进一步通过激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）工艺打印拉伸试样的原创研究论文。以下为详细介绍：

一、作者及期刊信息

本研究由Asif Ur Rehman（土耳其Ermaksan公司研发部）、Muhammad Arif Mahmood（卡塔尔德州农工大学机械工程系）、Berkan Başaran（土耳其Ermaksan公司研发部）等合作完成，发表于《Rapid Prototyping Journal》2023年第29卷第9期（页码1788–1799）。

二、研究背景与目标

科学领域

本研究聚焦金属增材制造（Additive Manufacturing, AM）中的两个核心环节：
1. 金属粉末制备：通过VIGA技术优化Inconel-625粉末的粒度分布（Particle Size Distribution, PSD）。
2. 粉末性能验证：基于优化粉末的LPBF工艺，评估打印试样的力学性能各向异性。

研究动因

• 粉末质量对AM工艺的关键影响：PSD和形貌直接影响打印件的致密度和机械性能。传统气体雾化技术中，气压是调控PSD的核心参数，但缺乏系统性研究。
  
• Inconel-625的应用需求：该镍基合金因其高温耐腐蚀性广泛应用于航空航天，但LPBF工艺中粉末的优化与打印方向对性能的影响尚未充分探索。
  

研究目标

1. 探究氩气气压（25–30 bar）对VIGA制备粉末的PSD（d10/d50/d90）的影响规律；
   
2. 筛选最佳PSD（15–45 μm）粉末，通过LPBF制备拉伸试样；
   
3. 对比XY（水平）与ZX（垂直）打印方向的力学性能差异。
   

三、研究流程与方法

1. 粉末制备与表征

• 设备与参数：
  
  • 采用超音速喷嘴的紧密耦合VIGA系统（土耳其Ermaksan自主研发），通过750 mbar真空控制气压范围（25–30 bar）。
    
  • 原料为Varzene公司提供的Inconel-625铸锭，成分经ICP-OES验证（表1）。
    
• 实验设计：
  
  • 气压梯度：25/26/27/28/29/30 bar，对比d10（10%颗粒小于该尺寸）、d50（中值粒径）、d90（90%颗粒小于该尺寸）。
    
  • 粉末分级：筛分为<20 μm、20–45 μm、45–105 μm、>105 μm四组，激光衍射仪（Malvern Mastersizer MS3000）和扫描电镜（SEM）分析形貌。
    

2. LPBF打印与力学测试

• 打印参数：
  
  • 激光功率475 W，扫描速度800 mm/s，层厚50 μm，搭接距离100 μm（由Ermaksan公司优化）。
    
  • 打印方向：XY（水平）与ZX（垂直），各3个重复试样。
    
• 力学测试：
  
  • 拉伸测试按ASTM E8标准进行，应变速率3 mm/min，测量屈服强度、抗拉强度和延伸率。
    

3. 数据分析

• PSD拟合模型：基于Origin软件的三次多项式回归，建立气压与PSD的定量关系（表3）。
  
• 统计方法：计算力学性能的平均值及标准差，结合SEM断口分析解释各向异性机理。
  

四、主要结果

1. 气压对PSD的影响

• 最佳气压为29 bar：
  
  • d10=22.6%、d50=34.2%、d90=51%，15–45 μm粉末占比达84%（图8–13）。
    
  • 25–26 bar时PSD波动显著，29 bar后颗粒过细导致凝固堵塞（非单调关系）。
    
• 超音速喷嘴优势：收敛-发散结构实现低压下的超音速气流，能量传递效率高于亚音速喷嘴。
  

2. 打印试样的力学性能

• XY方向优于ZX方向：
  
  • 屈服强度（613.7 vs. 555.7 MPa）和抗拉强度（986.7 vs. 858.4 MPa）分别高9.45%和13%。
    
  • 各向异性机制：XY方向层间热分布均匀，晶粒细化；ZX方向因垂直堆积产生粗大柱状晶和残余应力（图15）。
    
• 延伸率反向趋势：ZX方向（61.2%）比XY（44.8%）高26.79%，归因于垂直方向的韧性裂纹扩展路径。
  

3. 定量模型与工业适用性

• 提出PSD与气压的三次多项式关系（如d10=15,405.08–1,708.51p+63.04p²–0.77p³），可指导粉末生产参数优化。
  

五、研究结论与价值

1. 科学价值：
   
   • 揭示了VIGA气压与PSD的非单调关系，为窄分布粉末制备提供理论依据。
     
   • 阐明了LPBF中打印方向对Inconel-625力学性能的影响机制，填补了各向异性研究的空白。
     
2. 应用价值：
   
   • 29 bar气压下84%的15–45 μm粉末可直接用于工业级LPBF设备（如Ermaksan Envision 250）。
     
   • 为航天部件定向打印（强度优先或延性优先）提供参数选择依据。
     

六、研究亮点

1. 全流程创新：从粉末制备（VIGA工艺优化）到终端产品（LPBF试样）的一体化研究，少有文献涵盖。
   
2. 自主设备开发：土耳其Ermaksan设计的VIGA系统与超音速喷嘴实现了低压高效雾化。
   
3. 跨尺度分析：结合宏观力学测试与SEM微区观察，系统解析了各向异性成因。
   

七、其他有价值内容

• 补充视频：论文附VIGA雾化过程的实时摄像，直观展示熔滴破碎动力学。
  
• 与文献对比（表5）：本研究XY方向的抗拉强度（986.7 MPa）优于同类研究（Yang等, 2016的1043 MPa），但延伸率更高，体现工艺参数优化效果。
  

本研究为增材制造产业链中的粉末-工艺-性能关联提供了实践范例，未来可扩展至其他高温合金的AM应用。