氣體霧化技術(shù)制備金屬粉末分析

田景明

（鞍鋼實(shí)業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司遼寧鞍山114000）

摘要：氣體霧化技術(shù)制備金屬粉末是此次研究的中心，首先對(duì)氣體霧化粉末制備方法進(jìn)行了介紹，了解不同氣體霧化技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與不足;其次分析了氣體霧化噴嘴，作為氣體霧化處理關(guān)鍵設(shè)備，噴嘴的選擇與應(yīng)用直接關(guān)系到金屬粉末霧化處理效果;最后對(duì)氣體霧化技術(shù)操作詳細(xì)介紹，了解處理細(xì)節(jié)的同時(shí)，梳理其中的影響條件，在此基礎(chǔ)上，打造優(yōu)化金屬粉末處理過程，放大氣體霧化技術(shù)應(yīng)用作用的目的。

關(guān)鍵詞：氣體霧化技術(shù);金屬粉末;金屬液流;霧化噴嘴

氣體霧化技術(shù)制備金屬粉末的研究，主要基于科學(xué)技術(shù)發(fā)展與氣體霧化技術(shù)創(chuàng)新。金屬粉末在實(shí)際應(yīng)用中具有突出優(yōu)勢(shì)，借助霧化處理，將球形度、氧含量與粉末粒度等優(yōu)勢(shì)凸顯出來，同時(shí)還能夠降低生產(chǎn)成本。當(dāng)前氣體霧化技術(shù)在金屬粉末制備中的應(yīng)用越來越成熟，逐漸應(yīng)用到各種工業(yè)生產(chǎn)中，為粉末霧化的升級(jí)提供了助力。氣體霧化技術(shù)其主要以高速氣流作用及時(shí)粉碎金屬流的原理，獲得金屬粉末。技術(shù)關(guān)鍵在于氣體的控制與金屬液流的調(diào)整，充分放大氣流動(dòng)能，隨后通過有效控制將其過渡到粉末表面能，最終得到理想的制作成品，期間會(huì)應(yīng)用到噴嘴關(guān)鍵控制部件，金屬粉末霧化的效率與實(shí)際性能都受到噴嘴結(jié)構(gòu)影響。我國對(duì)氣體霧化技術(shù)的研究相對(duì)比較少，通過近年不斷提高重視，特別是科學(xué)技術(shù)升級(jí)背景下，得到越來越多的支持。基于此，加大對(duì)氣體霧化技術(shù)制備金屬粉末的研究粒度成為必然趨勢(shì)。

1 氣體霧化粉末制備方法介紹

氣體霧化技術(shù)制備金屬粉末，已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)研究的熱點(diǎn)內(nèi)容，尤其是金屬粉末的制備，氣體霧化技術(shù)已經(jīng)成為主要方法，目前在常見的氣體霧化技術(shù)的范圍內(nèi)，制備方法受到設(shè)備加熱元件差異的影響，主要包括以下幾種類型。

（1）VIGA法，即真空感應(yīng)熔煉惰性氣體霧化法。該方法的應(yīng)用涉及坩堝的影響，加上硬件設(shè)備不到位，因此加熱溫度最大值為1500～1600℃之間。氣體霧化處理中，導(dǎo)流嘴同樣產(chǎn)生干擾，合金熔體會(huì)出現(xiàn)一些雜質(zhì)，降低金屬粉體制備的最終純凈度。

（2）PICA法，即等離子熔煉感應(yīng)氣體霧化法。該方法對(duì)傳統(tǒng)霧化法為技術(shù)進(jìn)行了升級(jí)，首先是加熱源的優(yōu)化，其次是將陶瓷坩堝調(diào)整為水冷銅坩堝。冷水銅坩堝的首次應(yīng)用是制備球形鈦粉中，借助等離子熱源，打破傳統(tǒng)加熱源穩(wěn)定性差的限制，科學(xué)調(diào)整高溫金屬，繼而創(chuàng)造更理想的霧化條件。隨后經(jīng)過不斷應(yīng)用探索，水冷銅坩堝開始涉獵金屬液流，利用母體金屬層的設(shè)置，對(duì)金屬液流有效隔絕，如此一來，純凈度得到有效提高。

（3）PA法，即等離子火炬霧化法。該方法以較直接的方式應(yīng)用，調(diào)整好速率后，將金屬絲材逐步融化，同步收集金屬液，按照霧化標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整其他，隨后完成霧化處理。等離子火炬物化法應(yīng)用中具有純度高的優(yōu)勢(shì)，還可以保證球形度，并且降低了金屬粉末的含氧量。當(dāng)然實(shí)際應(yīng)用中，原料絲為霧化處理主要原料，在原料方面增加了處理成本，對(duì)金屬粉體類別要求高，這方面在實(shí)際應(yīng)用中還需進(jìn)一步改善。

（4）EIGA法，即無坩堝電極感應(yīng)熔化氣體物化法。首先電極選擇預(yù)制合金棒，隨后搭配霧化所需的感應(yīng)熔煉線圈，結(jié)合霧化要求對(duì)垂直送料參數(shù)嚴(yán)格控制，及時(shí)熔化棒料電極，迅速完成霧化處理。該技術(shù)的首次應(yīng)用在德國，為解決母合金霧化雜質(zhì)問題，放棄陶瓷坩堝的使用，選擇無坩堝電極感應(yīng)熔化的方式，及時(shí)規(guī)避雜質(zhì)問題，純凈度得到顯著提高。此方法應(yīng)用不足體現(xiàn)在以下幾方面：一是合金預(yù)制棒材方面，成本明顯高于合金錠料;二是霧化所應(yīng)用的棒材合金均勻性方面，會(huì)影響到金屬粉體的化學(xué)成分;三是棒材熔化速度方面，控制難度比較大，一旦控制不到位，就會(huì)出現(xiàn)液流斷流的情況，不僅會(huì)阻塞導(dǎo)流管，還會(huì)影響金屬粉體性能。

2 全方面分析氣體霧化噴嘴

氣體霧化技術(shù)應(yīng)用中，噴嘴類型比較多。作為氣體霧化技術(shù)的基本載體，霧化噴嘴直接關(guān)系到霧化介質(zhì)能量，目前所應(yīng)用的氣體霧化噴嘴主要包括兩種，其一為自由降落類型，其二是限制式類型。

自由降落類型實(shí)際應(yīng)用，不會(huì)約束漏包金屬液流的速度，特別是氣流交匯關(guān)鍵環(huán)節(jié)，金屬液流都能夠做到自由降落。氣體霧化處理期間，液流與氣流之間的交匯，液流至少達(dá)到90mm，由此可以看出，金屬液流不會(huì)受到氣流過大的沖擊，液流霧化破碎存在一些限制，主要為粉體粒度粗。限制式類型實(shí)際應(yīng)用，導(dǎo)流管充分發(fā)揮其引流功能，順利輸送金屬液流，這樣就可以對(duì)金屬液流自降環(huán)節(jié)做出改善，還能夠?qū)怏w能量有效轉(zhuǎn)化，調(diào)整液流破碎后的粉體粒度。當(dāng)然是操作期間，因?yàn)殪F化的主要點(diǎn)在于噴嘴出口位置，所以若不能及時(shí)處理，必然會(huì)出現(xiàn)噴嘴堵塞或者霧化反噴情況。噴嘴類型的不同，應(yīng)用的氣體霧化形式也會(huì)出現(xiàn)變化。

2.1 緊耦合霧化法

緊耦合霧化法主要選擇限制性噴嘴類型，氣體霧化期間迅速調(diào)整壓力，待達(dá)到霧化臨界值，觀察霧化氣體速度變化，若不會(huì)隨著氣體壓力明顯變化，則表示霧化操作理想。限制性噴嘴類型結(jié)構(gòu)在應(yīng)用過程中也在不斷改進(jìn)，從噴嘴出氣口為基點(diǎn)，適當(dāng)調(diào)整液流間與其間距，隨后在氣體動(dòng)能的帶動(dòng)下，將霧化材料充分破碎。氣體動(dòng)能的充分放大，需對(duì)傳輸效率適當(dāng)調(diào)整，這樣就可以將熔體迅速霧化，并取得理想的熔滴效果。緊耦合霧化法應(yīng)用參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：熔體冷卻速度必須≥1×10K/s;粉末平均粒度必須達(dá)到≤50μm標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 超聲霧化法

該方法對(duì)霧化噴嘴做出明顯改造，借助超聲波的方式，提高霧化破碎率。超聲波的產(chǎn)生需依靠振動(dòng)管實(shí)現(xiàn)，并且超音速需達(dá)到2～2.5MPa，并且注意脈沖頻率的控制，必須達(dá)到80～100kHz，這樣冷凝速度才可以達(dá)到104～105K/s的條件，同時(shí)滿足霧化要求。

2.3 層流霧化法

層流霧化法改變了常見噴嘴形式，以特殊噴槍的方式進(jìn)行了升級(jí)。霧化的主要原理是利用氣流的控制，將其打造成流狀態(tài)，這樣金屬液流就會(huì)受到氣體剪切力的全面作用，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)充分的擠壓變形，進(jìn)而呈現(xiàn)出層流纖維化，及時(shí)克服霧化期間氣流對(duì)其的干擾，將霧化氣體能量損失降到最低，如此既可以改善粉末粒度，又可以將霧化效率提高。

2.4 熱氣霧化法

熱氣霧化法的研究主要從氣體能量、霧化效率關(guān)系方面著手，霧化效率受到氣體能量的影響。氣體霧化處理中，氣體性能、氣流速度等是關(guān)鍵，必須保證氣體速度、動(dòng)能為成比例關(guān)系，這樣才能更好地激發(fā)出霧化效能。氣流進(jìn)出口速度的變化，需參考?xì)怏w動(dòng)力學(xué)原理，緊密聯(lián)系噴嘴結(jié)構(gòu)，同時(shí)還要對(duì)壓力類型與氣流速度比較，觀察氣體霧化處理期間的溫度變化。參考?xì)怏w溫度變化，從25℃升至500℃，氣體霧化處理中的氣流速度必然會(huì)出現(xiàn)變化，從原始速度翻倍，如此一來，霧化介質(zhì)同樣會(huì)隨之溫度上升，從而氣體霧化的動(dòng)能明顯增加。氣體霧化的動(dòng)能增加，金屬液流破碎沖擊力加大，噴嘴的有效輔助下，得到理想的金屬粉末。熱氣霧化法在實(shí)際應(yīng)用中，打破了傳統(tǒng)霧化處理中氣體性能及各方面因素的限制，借助溫度調(diào)整，迅速調(diào)整氣體霧化狀態(tài)，隨即為霧化處理提供更多動(dòng)能。當(dāng)然溫度是關(guān)鍵因素，霧化操作中必須做好溫度控制，否則必然會(huì)影響到最終的氣體霧化處理效果。

3 氣體霧化技術(shù)制備金屬粉末的具體過程

氣體霧化技術(shù)制備金屬粉末，主要涉及到兩方面，其一是霧化過程，其二是霧化條件。

3.1 霧化過程

金屬粉末制備期間，氣體霧化技術(shù)的基本機(jī)理體現(xiàn)在幾方面，首先是金屬液滴處理環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)的處理以自由落體為中心，借助擠壓的方式，改變金屬液流狀態(tài);同時(shí)有效的氣體剪切，細(xì)化金屬液流，逐漸將其纖維化處理。其次是霧化區(qū)與液滴分離后，觀察液滴外壓變化，持續(xù)減小基礎(chǔ)上，對(duì)內(nèi)外壓力不平衡條件充分利用，隨后實(shí)現(xiàn)液滴的自激破碎。金屬液流被氣流從雙向作用，到達(dá)氣壓紊流區(qū)后，液流開始出現(xiàn)變化，從而形成原始液滴區(qū)域。待氣壓加大，液滴進(jìn)入到有效霧化環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)之前，所有液滴均聚集在有效霧化區(qū)，最后為冷卻凝固區(qū)。噴嘴接觸到霧化氣體后，在出口位置同樣會(huì)出現(xiàn)氣壓紊流區(qū)，這時(shí)需要噴嘴適當(dāng)“抽吸”，將金屬液流及時(shí)分散，從而產(chǎn)生纖維束。纖維束受到金屬表面張力的作用，加上雙重氣流的推進(jìn)，開始同步分散，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)樾☆w粒。高壓氣流將小顆粒全面擊碎，擊碎后的金屬粉末開始自由沉降，最終達(dá)到工業(yè)應(yīng)用金屬粉末處理的要求。

3.2 霧化條件

霧化條件的整理，主要是保證霧化過程順利進(jìn)行，提高金屬粉末霧化效果。第一是導(dǎo)流嘴，金屬粉末霧化中粉體粒度會(huì)受到導(dǎo)流嘴內(nèi)控直徑的干擾而出現(xiàn)變化。此影響分析主要依據(jù)能量守恒定律展開，金屬粉末氣體霧化操作中，氣體動(dòng)能是重要?jiǎng)恿ΓF化過程中動(dòng)能會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻婺埽渲袝?huì)應(yīng)用到粉末平均粒徑公式，詳見式（1）。

（1）

計(jì)算公式中主要包括以下參數(shù)：粉體平均粒徑為;金屬熔體質(zhì)量流量為;金屬熔體表面張力為;常數(shù)為;氣體質(zhì)量流量為;金屬熔體密度為;霧化氣流速度為。結(jié)合公式內(nèi)容進(jìn)行梳理，其中金屬種類相同條件下霧化處理，還需要對(duì)溫度、霧化壓力進(jìn)行調(diào)整，上述條件一致基礎(chǔ)上，金屬熔體表面張力、氣體質(zhì)量流量、金屬熔體密度、霧化氣流速度并不會(huì)出現(xiàn)變化，繼而總結(jié)出金屬熔體質(zhì)量流量與導(dǎo)流管孔徑之間為正比例變化關(guān)系，由此看出，若導(dǎo)流嘴孔徑過大，金屬粉末的粒徑必然會(huì)變大，熔體得不到充分破碎。導(dǎo)流嘴孔徑的變化，還會(huì)干擾到氣體霧化處理效率，導(dǎo)致金屬粉末霧化制備效率降低，甚至發(fā)生堵嘴或者其他現(xiàn)象，這方面必須注意。

其次是熔煉溫度影響條件，氣體霧化中，相同材質(zhì)情況下，熔體粘度會(huì)明顯受到熔煉溫度的影響，影響詳見式（2）。

（2）

計(jì)算公式中涉及粘度系數(shù)參數(shù)（）、常熟（）、氣體常熟（）、絕對(duì)溫度（）、活化能（）。結(jié)合公式總結(jié)出，熔體粘度在熔煉溫度變化下，霧化能耗會(huì)出現(xiàn)變化，若溫度過高，必然會(huì)增加霧化能耗，這樣一來熔體表面張力會(huì)明顯變小，熔體粘度也會(huì)隨之減小。

最后是氣體霧化壓力影響條件，影響干擾需通過氣體動(dòng)能公式研究，詳見式（3）。

（3）

公式中包括3個(gè)參數(shù)，即氣體動(dòng)能（）、氣體質(zhì)量流量（）、霧化氣流流速（）。根據(jù)計(jì)算公式可以總結(jié)出，氣體質(zhì)量流量的變化，氣體動(dòng)能會(huì)出現(xiàn)明顯波動(dòng)，其中氣體霧化壓力是氣體動(dòng)能的根本。霧化氣流流速若適當(dāng)提高，氣體動(dòng)能也會(huì)明顯增加。參考?xì)怏w霧化壓力、氣體動(dòng)能及能量守恒定律可以看出，氣體動(dòng)能與霧化氣流流速、氣體質(zhì)量流速同樣為正比例變化關(guān)系。

4 結(jié)語

綜上所述，氣體霧化技術(shù)作為金屬粉末制備的關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)系到金屬粉末的有效應(yīng)用與制備性能。通過對(duì)氣體霧化技術(shù)介紹可以發(fā)現(xiàn)，其在金屬粉末制備中具有突出優(yōu)勢(shì)，降低金屬粉末制備成本，優(yōu)化金屬粉末制備性能，拓展了金屬粉末制備與應(yīng)用的空間。氣體霧化技術(shù)的應(yīng)用，涉及到噴嘴、氣流管等設(shè)備，必須從氣體霧化整體角度出發(fā)，在每個(gè)霧化環(huán)節(jié)都進(jìn)行優(yōu)化處理，保證霧化流程順利完成基礎(chǔ)上，金屬原料得到充分破碎，取得理想的金屬粉末成品。當(dāng)然必須詳細(xì)了解氣體霧化處理的影響條件，科學(xué)規(guī)避金屬粉末霧化處理不理因素，由此達(dá)到提高金屬粉末氣體霧化制備水平的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 黎興剛，劉暢，朱強(qiáng).面向金屬增材制造的氣體霧化制粉技術(shù)研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2019，62（22）：22-34.

[2] 汝娟堅(jiān).金屬鉛粉制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].世界有色金屬，2018（17）：225-226.

[3] 唐超蘭，張偉祥，陳志茹，等.3D打印用鈦合金粉末制備技術(shù)分析[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，36（3）：91-98.

[4] 朱盼星，石生荷，楊劍，等.氣體霧化技術(shù)制備金屬粉末研究綜述[J].粉末冶金工業(yè)，2021，31（4）：82-87.

[5] 徐金鑫，陳超越，沈鷺宇，等.層流氣體霧化制粉工藝粉末形貌及霧化機(jī)理[J].物理學(xué)報(bào)，2021，70（14）：134-148.

[6] 陸亮亮，劉雪峰，張少明，等.高頻感應(yīng)熔化金屬絲氣霧化制備球形鈦粉[J].材料導(dǎo)報(bào)，2018，32（8）：1267-1270，1288.

[7] 王長軍，劉雨，曹呈祥，等.增材制造用氣霧化制粉工藝數(shù)值模擬及機(jī)理分析[J].粉末冶金工業(yè)，2021，31（04）：22-28.

[8] 陳瑩瑩，肖志瑜，李上奎，等.3D打印用金屬粉末的制備技術(shù)及其研究進(jìn)展[J].粉末冶金工業(yè)，2018，28（4）：56-61.

[9] 劉暢，李欣，舒適，等.氣體霧化制粉工藝中金屬熔體在導(dǎo)流管內(nèi)流動(dòng)過程的數(shù)值研究（英文）[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2021，31（10）：3192-3204.