（材料学专业论文）紧耦合气雾化流场结构和雾化机理研究.pdf

摘要 气雾化制粉技术具有粉末球形度高、氧含量低以及冷却速率大等优点，是生 产高性能球形会属及合金粉末的主要方法。随着粉末冶金工艺的不断发展，特别 是近年来p m 2 概念( p o w d e rm e t a l l u r g ya n dp a r t i c u l a t em a t e r i a l st e c h n o l o g y , p m 。 t e c ) 的兴起，对高性能粉末的需求日益迫切。大批量、低成本制备微细高性能 粉末成为当前气雾化制粉技术发展的主要趋势。然而，气雾化制粉是一个多相流 相互耦合作用的复杂过程，人们对气雾化过程中气液间相互作用、熔体物性对雾 化过程的影响，以及熔体破碎与冷却之间的耦合关系等基本问题至今仍未认识清 楚。本文通过回顾和总结气雾化制粉技术的发展历程，比较分析各种气雾化技术 的特点，消化吸收国际先进的紧耦合气雾化制粉技术( c l o s e c o u p l e dg a s a t o m i z a t i o n , c c g a ) ，采用理论、实验和数值模拟方法，针对其气体流场结构特 征、熔体的破碎模式以及冷却凝固特征开展研究。主要结论如下： ( 1 ) 紧耦合气体流场的数值模拟探明了紧耦合气体流场的基本特征，发现 流场由“开涡”转化为“闭涡”状态存在一个临界气压只，b 与喷嘴结构相关， 随导液管末端伸出长度，减小而下降，址为4 5 5 m m 时，心为6 4 m p a ；a l 为0 时，n 为2 0 m p a 。 ( 2 ) 熔体过热度对雾化过程和结果有明显影响，其作用机制为：熔体物性 随温度的非线性变化直接影响熔滴的w e 数，从而导致雾化模式的改变，引起粉 末平均粒度的变化。 ( 3 ) 紧耦合气雾化“二次破碎”过程中液膜的快速形成及其破碎呈现出弹 性特征，其破碎主要包括四种模式：a 一液膜前端的“手指式”破裂：b 一液膜末 端“起皱”破碎；c 一液膜边沿的分形破碎；d 一液膜及液滴的相互干扰破碎。 ( 4 ) 气雾化( 某一成分的) 砧基合金非晶粉末的实验和理论分析结果表明， 雾化粉末为晶态非晶态颗粒的混合粉末，粉末的冷却速率为1 0 匕1 0 8 k s ；其非 晶化l 临界冷却速率大致为1 0 6 k s ，非晶颗粒的粒径基本小于2 6 p r o 。 由于多种破碎模式共存，目前的紧耦合气雾化技术仍存在粒度分布较广、熔 滴冷却速率跨度较大的问题。用于制备非晶合金粉末时，还只能制各出晶态t b - 晶态的混合粉末，并且，晶态与非晶粉末可能存在不同的雾化机理。为此，进一 步探讨了紧耦合气雾化高效制备微细晶态以及非晶合金粉末的可行方案。 关键词：紧耦合气雾化，粉末，破碎机理，快速凝固，非晶合金 a b s t r a c t w i t has e r i e so fa d v a n t a g e ss u c ha sh i 曲c o o l i n gr a t e ，p e r f e c ts p h e r ed e g r e ea n d n e a r l yf r e eo x y g e nc o n t e n t ，g a sa t o m i z a t i o n ，t h ed o m i n a n tm e t h o do fp r o d u c i n gh i g h q u a l i t ym e t a la n da l l o yp o w d e f s ，h a sb e e np r a c t i c e dw i d e l yi nm o d e mi n d u s t r ya n d n a t i o n a ld e f e n s e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w d e rm e t a l l u r g ya n do t h e rr e l a t e d n e wh i g ht e c h n i q u e s ，t e c h n i c a li m p r o v e m e n te v e nb r e a k t h r o u g ho nt h ea t o m i z a t i o n m e c h a n i s mh a v et oc a r r yo u ts oa st om e e tt h eu r g e n td e m a n d sf o rp r o d u c i n gu n i f o r m a n df m ep o w d e r sm a s s i v e l ya tl o wc o s t h o w e v e r , g a sa t o m i z a t i o ni t s e l fi sa n e x t r e m e l yc o m p l i c a t e dp r o c e s sw i 如v a r i o u si n t e r - c o u p l e df a c t o r sa n dm u l t i - p h a s e n u i d w h i c hh a sb e e nn o tu n d e r s t o o dt h o r o u g h l y ab r i e fi n t r o d u c t i o no nt h eh i s t o r y , p r o g r e s sa n dp r e s e n ts i t u a t i o no fg a sa t o m i z a t i o nw a sg i v e n ，a l s o ，a d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fs o m em a i ng a sa t o m i z a t i o nt e c h n o l o g i e sw a sa n a l y z e d b a s e do n t h o s e ，w ef o u n dt h a tc l o s e - c o u p l e dg a sa t o m i z a t i o n ( c c g a ) i st h ep r e v a i e mg a s a t o m i z a t i o nt e c h n o l o g i e s ，b u tt h e r ea r es o m ef u n d a m e n t a lq u e s t i o n sr e m a i n e di n c c g as u c ha st h eb a s i cf e a t u r eo fg a sf l o wf i e l do fc l o s e - c o u p l e da t o m i z e r , t h e i n f l u e n c e so fo p e r a t i o np a r a m e t e r so np o w d e rp a r t i c l e s i z e ，a n dt h eb r e a k u p m e c h a n i s ma n ds o l i d i f i c a t i o nb e h a v i o ro fm e l td u r i n ga t o m i z i n gp r o c e s s 豁w e l l t h o s eq u e s t i o n sa b o v ew e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h e o r ya n de x p e r i m e n t ， ( 1 ) u s i n gc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r e ，t h ef e a t u r eo fg a sf l o wf i e l d b e l o wt h ec l o s e c o u p l e dn o z z l eh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h e r ee x i s t sac r i t i c a li n l e tg a s p r e s s u r e ( p c ) ，o v e rw h i c ht h es t r u c t u r eo fg a sr e c i r c u l a t i o nz o n ew i l lc h a n g ef r o m “o p e n - w a k e t o “c l o u d w a k e ”p ci sr e l a t e dt ot h en o z z l ed e s i g n , a sa i si n c r e a s e d p e d e c r e a s e s ，a = 4 ，5 5 m m 。p c = 6 4 m p a , a = 0 。p 薯黼a 。 ( 2 ) t h em e l ts u p e r h e a t ( dh a sg r e a ti n f l u e n c e so rt h ea t o m i z a t i o np r o c e s sa n d r e s u l t s t h en o n - l i n e a rf e a t u r eo fm e l tp r o p e r t i e sc h a n g i n gw i t ht e m p e r a t u r ec a u s e s t h eo b v i o u sc h a n g eo fw en u m b e ro fm e l td r o p l e t s , r e s u l t i n gi n t h es h i f to f a t o m i z a t i o nm o d e s , t h ep o w d e rm e a np a r t i c l es i z ei si m p r o v e da c c o r d i n g l y ( 3 ) t h e “s e c o n d a r yb r e a k u p o fm e l ti nc c g ae x p e r i e n c e st h er a p i df o r m a t i o n a n db r e a k u po fe l a s t i cl i q u i df i l m s ，w h i c ha p p e a r sf o u rm a i nm o d e s ：( a ) “f i n g e r i n g b r e a k u p o fl i q u i df i l m sf r o n t ；( b ) “w r i n k l i n gb r e a k u p ”o fl i q u i df i l m sb a c k ；( c ) f r a c t a lb r e a k u p o fl i q u i df i l m se d g e ；( d ) i n t e r a c t i o n a ld i s r u p t i o nb e t w e e nf i l m sa n d d r o p l e t s ( 4 ) t h ep r e p a r a t i o ne x p e r i m e n tr e s u l t so fg i v e na l - b a s e da l l o ya m o r p h o u s p o w d e r si n d i c a t et h a tt h ea t o m i z e dp o w d e r sa p p e a ra m i x t u r eo fb o t hc r y s t a l l i n ea n d a m o r p h o u sp a r t i c l e s ，w i t ht h ed i a m e t e ro fa m o r p h o u sp a r t i c l e sb a s i c a l l yb e i n gb e l o w 2 6 t m f u r t h e rn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t sb a s e do nt h eb e a tt r a n s m i s s i o nr e v e a lt h a t t h ec o o l i n gr a t e so fa t o m i z e dp o w d e r sr a n g ef r o m1 0 4t o1 0 8 鼬a n dt h ec r i t i c a l c o o l i n gr a t ef o rg l a s sf o r m a t i o no f g i v e n a i b a s e da l l o yi sa b o u t1 c k s d u et ot h em u l t i m o d eo f b r e a k u p ，t h e r ea r es t i l lm a n yq u e s t i o n si nc c g a ，s u c ha s w i d ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o na n dm e l td r o p l e t s c o o l i n gr a t e s ，a sar e s u l t ，p r e s e n t c c g at e c h n o l o g yc a no n l yp r o d u c em i x i n gp o w d e r so f b o t hc r y s t a l l i n ea n d a m o r p h o u sp a r t i c l e s ，m o r e o v e r , t h e r em a y b ed i f f e r e n ta t o m i z a t i o nm e c h a n i s m sf o r c r y s t a l l i n ea n da m o r p h o u sp o w d e r s 。t h e r e f o r e ，n e wa t o m i z a t i o nm e c h a n i s m st o e f f e c t i v e l yp r o d u c ef i n ec r y s t a l l i n ea n da m o r p h o u sp o w d e rh a v e b e e np r o p o s e d k e yw o r d s ：，c l o s e c o u p l e dg a sa t o m i z a t i o n , p o w d e r , b r e a k u pm e c h a n i s m ，r a p i d s o l i d i f i c a t i o n , a m o r p h o u sa l l o y i l l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学 位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论 文中作了明确的说明。 作者签名 愁砍日期：叼年弓月7 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位 论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部 门规定送交学位论文。 作者签名； 两砍 铆戤m 小醐。1 q 月7 日 中南大学硕七学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 先进的粉末制备技术是现代粉末冶金科学的基础，是p m 2t e c 和相关新兴 高技术产业的先导。高性能、低成本粉末的广泛应用不仅改变了粉末冶金工业的 生产内容，而且促进了生产方式的变革。发展高性能粉末及其制备技术，己成为 当今材料科学与工程研究中一个十分活跃的高科技前沿领域1 1 1 j 。 在众多的粉末制备方法中，雾化方法制取的粉末已占到当今世界粉末总产量 的近8 0 【3 1 。气雾化制粉技术具有环境污染小、粉末球形度高、氧含量低以及冷 却速率大等优点，经历近2 0 0 年的发展，目前已经成为生产高性能球形金属及合 金粉末的主要方法，在国防军工、工业生产、民用建筑等诸多领域得到广泛应用。 1 。1 气雾化制粉技术概述 1 1 1 气雾化制粉技术发展历程 气雾化方法制备粉末，即利用气体的冲击力作用于熔融液流，使气体的动能 转化为熔体的表面能，从而形成细小的液滴并凝固成粉末颗粒。其历史起源于 1 9 世纪2 0 年代，最初人们利用空气雾化制取有色金属粉末，与粉末冶金技术相 比起源时间滞后了近千年。到1 9 世纪3 0 年代，形成了至今仍普遍使用的两类喷 嘴：自由落体和限制式喷嘴，如图1 - 1 所示【4 j 。自由落体喷嘴设计简单、不易堵 ( a ) f r e e - f a l ln o z z l eo ) c o a f m e da o z z l e 图1 - 1 两种典型的气雾化喷嘴 嘴、控制过程也比较简单，但不适于生产较高熔点的黑色金属，并且雾化效率不 高。限制式喷嘴结构紧凑，将气体飞行距离明显缩短，雾化效率显著提高，但设 计复杂，存在工艺过程难于控制等问题。因此，气雾化技术在随后一段时期里发 展缓慢。当美国通用汽车公司开始使用粉末冶金工艺大批量制造油泵齿轮时，使 用的仍是还原铁粉。随着二次世界大战的爆发，铁粉的烧结零件需求量剧增，为 此，人们开始寻求更理想的铁粉制备技术。m a n n e s m a n n 利用锥形空气气流粉碎 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 熔融铁水的方法制得了高性能的铁粉，这就是著名的曼内斯曼法，其基本设计和 原理一直沿用至今p j 。图l - 2 分别为气雾化铁粉和还原铁粉的s e m 图片。由于 这种铁粉制备技术原理简单且易于控制，迅速在欧洲得到广泛应用。伴随气雾化 粉末制备技术迅速发展，关于气雾化制粉工艺和机理的研究也开始深入。 1 9 4 8 年，t h o m p s o n 研究了工艺参数对雾化铝粉粉末粒度的影响，发现粉末 粒度随金属液流速提高、射流压力增加以及金属过热度加大而减小p l 。1 9 5 4 年， w a t l k i n s o n 在曼内斯曼法基础上利用压缩空气雾化熔融铸铁，他当时就已经使用 了环缝形喷嘴，空气压力为7 k g c m 2 。但使用空气雾化容易引起金属粉末氧化， 降低了粉末纯度闱。粉末氧化的问题，在1 9 3 8 年就引起了n o e l 的注意，他研制 出一种能降低氧含量的气雾化方法制取了p b 、z n 、s n 、c d 和a l 等金属粉末， 含氧量为0 2 03 。而采用惰性气体雾化的实验研究直到1 9 世纪5 0 年代才得 到发展，氮气和氩气开始得到应用1 4 l ，惰性气体的使用极大地推动了为商性能粉 末制备技术的发展。 1 9 世纪5 0 6 0 年代，气体雾化工艺开始大规 模用于生产各种金属及合金粉末。1 9 5 6 年，福田金 属箔粉公司山科工厂建立气雾化生产线，标志着日 本使用气雾化制粉工业的开端。我国也在这个时期 开始了雾化制粉的研究，大型硬质合金生产厂家株 硬集团就是那个时候创建的i i m 。1 9 6 1 年，美国铝 公司利用气雾化方法制取了a l 合金粉末( a i 一7 0 ， m n 2 5 1 2 5 ，c u - 2 5 7 5 ) ，通过粉末冶金方 法制造的铝材具有高密度、高抗拉强度和良好屈服 强度等性能，而且生产成本较低，翻开了粉末冶金 工艺制备a l 和a l 合金材料新的一页【l ”。然而直至 1 9 世纪6 0 年代末期，粉末冶金用的大多数铁粉仍 是用还原法制得的。随着雾化技术的不断发展以及 粉末性能需求的不断提高，到1 9 世纪7 0 年代初关 于雾化工艺的优化以及雾化机理的研究不断深入， 推动了气雾化制粉技术的快速发展。 a 气雾化铁耪 b 还原铁粉 图卜2 气雾化铁粉与还原铁耪 1 9 6 7 年，j o y c e 通过超合金的雾化实验发现，要实现稳定雾化，需要一定的 金属过热度，而且粉末随雾化顶角增大而变细【1 2 1 。同年，d a t e 运用统计学原理 预测并实验验证了t h o m p s o n 所提出的雾化装置所获得粉末粒度的分布状况【4 】。 1 9 6 9 年，p u t i m t s e v 在关于铁粉的雾化实验中发现，提高液体金属温度可以降低 金属粘度，从而显著降低粉末颗粒粒径 4 1 。n i c h p o r e n k o 对液体金属粘度与最终 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 颗粒形状的关系进行了理论研究，当时的结论是气体雾化效率很低的，并且气雾 化的效率不可能有很大改进。随后，n a i d a 和n i c h p o r e n k o 又对亚音速和超音速 气体射流雾化喷嘴的设计做了进一步研究和改善【1 3 i 。 1 9 7 1 年，k l a r 和s h a f e r 讨论了当时的几种气体雾化方法( 外混合、限制型 以及自由下落式) ，发现限制型喷嘴比自由落体更有效但存在粘结堵塞的问题； 雾化粉末的粒度分布越窄，产量越高1 8 j 。1 9 7 5 年，n a i d a 等人进一步对三类实际 应用喷嘴( 限制型，自由下落式和扁锥形) 进行了研究，认为自由下落式装置是 最合适的；雾化器出口处压力低，有利于将液体会属吸入高速气流中【7 】。 至此，经过大约1 5 0 年不断的探索和实践，人们对气雾化制粉这样一个十分 复杂的过程开始有了一个较为深刻的理性认识。 2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，随着计算机技术和现代控制技术逐步应用到 气雾化制粉技术的发展中，随着气雾化机理的研究不断深入，新的气雾化工艺不 断涌现出来，气雾化技术开始进入蓬勃发展阶段。气雾化系统更加完善，生产效 率不断提高、工艺可控性增强，性能也更为稳定，使其逐渐发展成为制备粉末的 主要方法，气雾化法生产的粉末约占世界粉末总产量的3 0 5 0 1 4 1 。 1 9 8 0 年，美国m i t 的g r a n t 教授在瑞典人发明的超声雾化装置上进行了改 进和完善，并生产出具有快速冷凝效果的微细粉末【1 5 1 。 1 9 8 1 年，r u t h a r d e 研制一种层流雾化装置制取了粒度更小的粉末，而且成 本较低旧。几年后，w a l z 经过不断改进完善，形成了层流雾化工艺“7 】。 1 9 8 5 年，美国i o w a 州a m e s 实验室的a n d e r s o n 等人在限制式环孔型喷嘴的 基础上，开发了高压气雾化( h p g a ) 工艺，其特点是利用高压气体获得的超高 音速气流来粉碎金属熔体，使用的气压高达1 7 3 m p a 1 8 l 。研究表明，导液管末端 压力p 的大小与雾化压力有关，并且，p 值愈小，粉末愈细，气体与熔体的能量 交换程度越大。 1 9 8 6 年，m i l l e r 等通过对限制式喷嘴的研 究发现，增加气体动能对金属液流表面能的传 输效率，可以提高雾化效率。按照这一思路， 他们设计出紧耦合雾化喷嘴，其要点是使气流 出口到金属液流的距离最矧1 9 1 。紧耦合雾化粉 末的粒度小，粒度分布窄，冷却速度高，有利 于快速冷凝和非晶粉末的生产。紧耦合雾化技 术已经成为研究最丰富、工业中应用最成熟的 一种气雾化制粉技术。目前己成为气雾化设备 的首选喷嘴。 3 图1 - 3 气体上喷式雾化喷嘴 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 9 8 8 年，英国伦敦帝国大学的u n a l 开发出气体上喷的雾化工艺【2 0 j ，见图1 3 。 其特点是采用缩放气体喷嘴产生超音速气流来粉碎金属熔体，金属液流从喷嘴的 上方喷出，而不是通常的向下运动。粉末的平均粒度与金属流率呈正比，在一定 的气体质量流率和金属质量流率时，雾化压力的增大对粉末粒度没有显著影响。 在雾化枫理方面，也取得了很大的进展。1 9 8 6 年，l ，e s t r a d e 在研究工艺参 数对粉末性能的影响时发现粉末中的氧基本上是熔炼过程带入的【2 l 】。1 9 9 0 年， r i l e y 等尝试了一种称为l b l 的装置进行雾化，将熔炼和倾倒过程中气氛的氧含 量控制在o 5 1 o 的范围内，使粉末的氧含量降低了3 0 6 0 瞄】。1 9 9 1 年， o z b i l e n 研究了限制式喷嘴的雾化特征：随着熔体过热度的增大，粉末变细，但 超过一定程度后，则过热度对粉末粒度的影响不大【2 3 i 。 这一时期气雾化技术取得了长足的进步，几项成熟的雾化技术成功的应用于 工业化生产，形成了气雾化制粉的“一亩三分地”。但从2 0 世纪9 0 年代初，基于 高性能粉末的粉末冶金技术，即p m 2 技术开始兴起，并在随后的几年间得到跨 越式的发展 h i ，对气雾化粉末的性能和产量提出了更高的要求( 粉末作为生产链 的源头，成为其发展的关键) 。因此，气雾化制粉技术又获得了加速发展的契机， 同时面临着更大的挑战。 p m 2 技术需要大量粒径小于2 0 9 m 或1 0 9 m 的性能更优越的金属及合金粉末。 如何制取更优的粉末性能( 如粒度更细、分布更窄、球形度更高以及实现快速冷 凝获得非晶和微晶组织等) ，进一步降低工艺整体成本( 如气体消耗量等) 成为 气雾化制粉技术持续发展的当务之急。 在众多的气雾化器中，紧耦合气雾化具有微细粉末收率高、粉末的冷却速率 高等诸多技术优势，开始逐步取代其它传统气雾化方式，成为主流气雾化技术， 许多新型气雾化技术在紧耦合喷嘴的基础上开发出来。 1 9 9 0 年，英国p s i 公司的h o p k i n s 通过对紧耦合环缝式喷嘴进行结构优化， 使气流的出口速度超过声速，从而在较小的雾化压力下获得高速气流，形成了超 声紧耦合雾化技术1 2 5 1 。该技术的特点是质量流率可以大于o 5 l m i n ，有利于工业 化生产和降低成本；粉末冷却速度较高，可以快冷或非晶结构的粉末。该设备和 技术能够更广泛应用于各种合金粉末，具有很高的工业实用价值。 1 9 9 3 年，德国n a n o v a l 公司的g e r k i n g 在w 甜乜等人的基础上，对紧耦合喷 嘴进行重大改进，提出了层流超声雾化的概念【2 6 l 。该工艺的特点是气体不再以某 一角度冲击金属流，而是平行于金属流。雾化过程中，金属液流在气流剪切力和 挤压作用下变形，液流直径不断减小，发生层流纤维化，当液流离开喷嘴时，外 部压力骤然降低，内外压差瞬间加大，液流通过自激效应而破碎。 1 9 9 7 年，s t r a u s s 在紧耦合气雾化的基础上，根据气体状态方程：p v = n r t ( 在 4 中南大学硕十学位论文第一章文献综述 同等气压条件下，提高气体温度将使气体在雾化室内膨胀，从而气体出口速度得 以提高) ，提出热气体雾化的概念唧。 在全新喷嘴设计和技术思路上也取得了新的进展。美国m i t 的两个硕士研 究生a l l 和c h r i s 详细研究了各种雾化工艺。他们认为，当液流从喷嘴喷出时， 所产生的液滴取决于喷射速度。在低速喷射时，液流的破碎机制由重力决定；在 中速喷射时，破碎机制由喷流的表面张力决定；在快速喷射时，破碎机制由环境 介质与液柱表面的作用( 摩擦力) 决定。通常，传统气雾化采用第3 种机制来制 取粉末。高压喷射的气体在金属液流与环境气体间产生很高的相对速度。但高速 压( 湍流) 气体将金属液流破碎成不同尺寸的液滴，而不是均匀粒度。他们认为 采用第2 种机制有利于获得均匀的液滴直径。因此提出了p p s ( p r e c i s ep a r t i c l e s p r a y ) 的概念，并于1 9 9 7 年成立u m t 公司开始商业生产j 。 熔体导管及出口是气雾化喷嘴的重要组成 部分，不仅是熔体流动的咽喉，而且直接影响 熔体与气流的接触状况，关于这一组件的研究 最近有了新的突破。e m c g u i n n e s s 等【2 9 l 采用数 值模拟技术对雾化喷嘴进行三维模拟，探讨在 给定压差条件下使液漓直径最小的方法。通过 研究喷嘴末端压差与液滴体积及最终液滴直径 的关系，发现表面张力限制了雾化液滴直径的 减小，并且，液滴形成过程中喷嘴末端压力与 。曰 。座孓 图i - 4 两种喷嘴的三维模拟示意图 喷嘴形状有关( 过去基本上都是圆管形，或称为环形) 。当采用非环形喷嘴时， 由于曲率半径的变化，液滴直径比相同压差下环形喷嘴获得的直径明显减小，尤 其当采用一种c u r v i l i n e a r - t r i a n g u l a r 喷嘴时( 如图1 - 4 所示) ，液滴直径比相同条 件下( 临界压差) 环形喷嘴得到的液滴直径小3 3 。有理由相信这一发现能给气 雾化技术研究带来新的思路，推动喷嘴结构设计的不断完善。 最近，德国w i d e r f l o w 金属粉末制造公司的s c h u l z 尝试了一种新的思路来寻 求低消耗高性能的雾化制粉方式1 3 0 l 。他将水雾化与气雾化两种技术结合起来，以 求解决两种传统方法的弊端获取新的有效制粉工艺。传统的水雾化一般压力要求 较高( 5 0 m p a 以上) 并且制得粉末易氧化，而高压气雾化则气体消耗较多，制 得粉末分布较宽，因此s c h u l z 开发出了一种低压气雾化与水雾化结合的新的雾 化工艺。如图1 5 所示，首先对金属液体进行低压气体的预雾化，获得层流的液 体薄膜后再进行水雾化，这样获得的粉末粒度更细，而且氧含量较低，同时还解 决了高压消耗的问题( 该工艺的水压力仅1 0 m p a 左右，同时气体压力为传统工 艺的一半以下) 。 中南大学硕十学位论文第一章文献综述 自2 0 世纪8 0 年代初开始，气雾化 制粉技术在我国的研究和应用引起了广 泛的关注。中科院力学研究所从1 9 8 4 年 就开始了气体雾化制粉工艺和机理的研 究，取得了显著的成果，如在传统气体 雾化设备的基础上成功开发出真空保护 气氛熔炼、高压惰性气体雾化制粉新技 术，并开始了工业化生产试验 3 1 , 3 2 】。特 别是近年来，李清泉等【3 3 1 对紧耦合气雾 1 m a g ip l t t l c l e l 图1 - 5 低压g a s - w a t e r 雾化制粉装置 化制粉技术进行了深入的研究，初步探讨了紧耦合气雾化中金属液流的破碎过 程。中南大学粉末冶金研究院在气雾化制粉方面也作了大量的工作，吕海波等 3 4 1 开展了限制型喷嘴的气雾化实验，研究了熔体过热度对粉末粒度的影响，发现随 着熔体过热度的增大，粉末变细，但超过一定程度后，则过热度对粉末粒度的影 响不大。陈振华、刘允中等 3 5 , 3 6 1 在总结诸多气雾化技术及原理的基础上，开发出 金属多级雾化工艺，探讨了金属多级雾化过程原理及规律，进行了多级雾化工艺 实验及正交优化，分析了金属熔滴的过冷形核行为和凝固机制。刘咏、陈仕奇等 p l ”j 采用惰性气体雾化方法进行了制备非晶合金粉末的实验研究。欧阳鸿武等 p 9 , 4 0 1 针对紧耦合气雾化的技术特点，研究了雾化过程中熔体的成膜及其破碎机 理。哈工大的沈军、孙剑飞等 4 1 , 4 2 1 对气雾化的流场以及熔滴的热传输和凝固行为 进行了研究，并提出了相应的数值模型。这些研究有力推动了我国气雾化制粉技 术的发展。但从总体来看，关于气雾化工艺应用的研究居多，对于气雾化机理的 深入探讨和分析仍相当匮乏，并且大部分高性能粉末以及先进的气雾化设备仍须 从国外进口。 表1 1 为近2 0 年具有代表性的气雾化技术概览，可以看出这是一个持续发 展的过程。从历史的角度分析，最近几年可能出现较大的进展，甚至新的技术( 原 理) 产生。特别是随着与气雾化技术相关领域的发展，及高性能粉末受到各国政 府及相关部门、企业的高度重视，在某种程度上作为发展战略的组成部分，气雾 化技术得到高强度的支持，无疑，这将有利于新技术的发展和完善。然而，就目 前来说，紧耦合仍然是气雾化工业的首选喷嘴，紧耦合气雾化技术仍然是应用和 研究最为广泛的气雾化工艺。因此，深入而系统地开展紧耦合气雾化技术的理论 和实验研究是实现气雾化制粉工艺进一步提升甚至跨越式发展的关键和突破口。 6 中南大学硕十学位论文第一章文献综述 表1 - 1 近2 0 年来具有代表性的气雾化制粉技术概览 时间名称技术特点 气体压力 f m p a ) 冷却速率 ( k s ) 平均粒度 ( u r n ) 1 9 8 0 年超声气雾化 1 9 8 0 年水平气雾化 采用超声气流及h a r t m a n 振动管产生超声波辅助 破碎；主要用于低熔点金 属 金属液为水平导出：主要 制取热等静压、n n s m 技术 所需粉末 1 9 8 1 年层流气雾化气体与熔体是层流流动 1 9 8 5 年 高压气雾化超高压气体 1 9 8 6 年 紧耦合气雾化 气流自出口到金属液流 的距离最短：有利于快速 冷凝和非晶粉末的生产 3 17 3 5 1 0 一1o l o 一1 0 4 1 0 3 - 1 0 7 1 0 2 0 2 0 2 0 3 0 1 9 8 8 年气体上喷雾化金属液由喷嘴的上方喷 1 5 61 0 3 - 1 0 42 5 出 1 9 9 0 年 超声紧耦合雾化 紧耦合喷嘴基础上采用 51 0 3 - 1 0 7 2 0 超音速气流，超声波辅助 破碎 1 9 9 3 年层流超声雾化气体与熔体呈层流流动： 2l o - 1 0 11 0 气体消耗鼍仅为紧耦合 的1 3 ；制得粉末粒度分 布非常窄 1 9 9 7 年热气体雾化将雾化气体加热升温；气 i 7 2 体消耗量减小3 0 以上 2 0 0 2 年 低压气一水雾化低压气雾化与水雾化结水压1 0 m p a ， 合的新工艺气压为传统 一坐 7 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 2 几种典型的气雾化制粉技术 1 1 2 1 紧耦合气雾化技术 上世纪8 0 年代中期，瑞典的研究者通过对 限制型喷嘴的研究发现：增加气压可以减小粉末 的平均粒径，但由于气体速度与压力接近线性关 系，当气压超过5 m p a 后，其速度增加很少，而 且增加气压还明显增加气体消耗量。因此，在限 制型喷嘴中雾化气压一般不超过5 5 m p a ，限制了 雾化效率的进一步提高，提高雾化效率的另一个 可行方法是增加气体动能的传输效率。根据这一 思想他们在限制型喷嘴结构进行了改进，提出了 图1 - 6 紧耦合气雾化示意图 紧耦合气雾化的概念，即使气流自出口至液流的距离最短，气体飞行最短距离在 导液管出口处即与金属液流发生作用，如图1 - 6 所示。随后美国m i t 的研究者 进一步发展了这种工艺，并在英国的p s i 公司歼始实际生产，紧耦合雾化粉末的 粒度小，粒度分布窄，冷却速度高，有利于快速冷凝和非晶粉末的生产。紧耦合 雾化技术已经成为研究最丰富、工业中应用最成熟的一种气雾化制粉技术。目前 已成为气雾化设备的首选喷嘴。 1 1 2 2n a n o v a i 气雾化技术 在层流雾化喷嘴中，如图1 7 所示。气流 为层流，同时金属液流也呈层流状态，气流不 再以某一角度冲击液态金属流，而是平行于金 属流。金属液流依靠气流在液流表面产生的剪 切力和挤压力而变形，液流直径不断减小，发 生层流纤维化。这一过程在一个稳定的气流和 金属流场中进行。图中，当雾化压力p l 与环境 压力p 2 比达到某一临界值时，气流在喷嘴的最 小处达到声速；当进一步提高压力比，将维持 稳定的声速状态，在喷嘴的最小处下方，气流 呈超声状态并不出现激波。这时金属液流细丝 图1 - 7 层流雾化喷嘴流场示意图 得到加速，当表面张力不再平衡金属流内压力和气流压力时，失去了稳定性并且 破碎为“刷子状”的多个纤维丝而后进一步破碎成粉末。 它克服了常规气雾化过程中气流的扰动，气体能量损失大等问题，因此，雾 化效率高，粉末粒度分布窄，冷却速度达到了1 0 6 1 0 7 i g s 。在2 0 m p a 的雾化压 力下，以m 或n 2 气为介质雾化铜、铝、不锈钢等合金，粉末平均粒径达到1 0 岬； 8 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 该工艺的另个优点是气体消耗量低。在同样的雾化效果下，n a n o v a l 工艺的气 体消耗量仅为紧耦合的1 3 ，自由落体式的1 7 。因此，层流雾化工艺具有显著的 经济性，并且适应于大多数金属粉末的生产。但该雾化技术控制难度较大，雾化 过程不稳定，而且产量小( 金属质量流率小于l k g m i n ) ，不利于工业化生产。 1 1 2 3 热气体雾化技术 s t r a u s s 在紧耦合气雾化的基础 上，根据气体状态方程：p v = n r t ( 在同等气压条件下，提高气体温 度将使气体在雾化室内膨胀，从而 气体出口速度得以提高) ，提出热气 体雾化的概念。结果表明：在相同 的气体压力与耗气量下，提高雾化 介质的温度显著增加气体动能，从 而提高气雾化效率，有效降低粉末 平均粒度。如图1 8 所示，当雾化 气体加热到5 0 0 时，粉末平均直 径显著下降。近年来，英国p s i 公 司和美国m e 公司分别研究了热气 体雾化工艺，雾化效率大大提高， 气体消耗量可以节约3 0 以上，但 c h y 2 2 i 一 、 6 扩柳 | g e o m e 、d e v i a t i i 弱2 弋 2 0 1 ： d i a m e t e r ( 1 0 9s e a l e ) a f y l i t ；d ；2 i l d 矿嘶 g e o m e d e v i a t i c 7 8 2 】 ( h e l t l n o “ 1 5 d i a m e t e r ( 1 0 9 - l e l 图卜8 气体加热后的雾化效果 其受到气体加热系统和喷嘴的限制，仍处于实验室阶段，实现工业化应用有待进 一步的研究。 1 1 2 4 超声气体雾化技术 美国m i t 的g r a n t 教授在瑞典人发明的 超声雾化装置上进行了改进和完善，发展了 超声气雾化制粉工艺( 喷嘴结构见图1 9 ) ， 并生产出了具有快速冷凝效果的微细粉末。 超声雾化喷嘴由拉瓦尔喷嘴和h a r t m a n 振动 管组合而成。在获得2 2 5 m 的超音速气流 的同时产生8 0 1 0 0 z 的脉冲频率，粉末 冷凝速度可以达到1 0 4 1 0 5 k s 一。雾化气体 压力为8 3 m p a 时制得铝粉的平均粒径为 图1 - 9 超声气烈匕喷嘴 2 2 1 a r n ，粉末呈表面光滑的球形状，几乎没有“卫星”颗粒。用该工艺生产低熔点 合金粉末已经达到工业规模，但对于高熔点合金粉末的生产仍处于实验阶段。 9 一誊) u e n i o ， 母苫e，一是， 中南大学硕七学位论文第一章文献综述 1 1 2 5p p s 制粉技术 p p s 工艺的基本原理如图1 1 0 所示。由于球体的表面能低于相同体积圆柱 的表面能，所以液流有破碎成小液滴( 随机尺寸的) 的趋势，这是随机系统振动 的内在特征。如果将强迫振动施加到射流中，那么强迫振动比任何随机振动的效 果都要大得多，这样就能有效地控制液流的破碎。熔体破碎过程的控制方程为： v = 钐( 1 1 ) 式中v 为射流速度，a 为波长，厂为振动频率。金属 熔液在强迫振动作用下被挤出( 微细) 喷嘴，射流在表 面张力作用下破碎成均匀液滴，随后冷却成粉末。该 工艺的特点是通过调节射流直径和喷射速度以及( 受 迫) 振动频率，可以控制粉末粒度，并且粉末的平均 粒径偏差可以控制在1 5 左右，粉末粒度范围为 3 0 n m 7 5 0 叫1 ，可以对熔点高达1 6 0 0 的材料进行 雾化。但鉴于压力的限制，目前u m t 公司的p p s 工 艺能获得的最小粉末粒度为1 5 t t m 。 1 - 2 紧耦合气雾化技术简介 1 _ 2 1 紧耦合气雾化的技术特点 一翻一 m o t e r tm e t a i ! 卜 i 图1 - 1 0p p s 工艺示意图 气雾化的核心是控制气体对金属液流的作用过程，使气流的动能最大限度的 转化为新生金属粉末的表面能。因此，提高气体出口速度或气体动能的转化率成 为提商气雾化效率和粉末性能的重要途径。紧耦合气雾化正是沿着这一思路发展 出来的。上世纪8 0 年代中期，m i l e s 等人对限制型气雾化喷嘴进行了结构上的改 进，提出了紧耦合气雾化的概念，使气体飞行最短距离在导液管出口处即与金属 液流发生作用。图1 1 1 为典型的紧耦合气雾化系统。 图1 - 1 1 紧耦舍气雾化系统示意图 l o 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 由于紧祸合喷嘴实现气流与金属液流在空白j 上的紧密祸合，雾化的效率和粉 末的性能随之显著提高。相比传统的气雾化技术，紧祸合气雾化具备粉末平均粒 度小( 丑0 9 m ) 、粉末球形率高、冷却速率大( 三1 0 6 k s ) 、粉末性能优异( 具有 快速冷凝特征，可以获得纳米晶、准晶和非晶等非稳相组织) 等一系列的优势。 从紧耦合的概念提出至今，经历2 0 多年的发展，紧耦合气雾化技术正逐步取代 其他传统雾化方式，成为主流气雾化技术，在许多领域取得了广泛的应用。 1 2 2 紧