现代粉末冶金技术-粉末雾化技术

1、现代粉末冶金技术现代粉末冶金技术第二章第二章粉末雾化技术 粉末雾化技术 概况概况 商业化的粉末雾化技术商业化的粉末雾化技术 雾化粉末特性雾化粉末特性 粉末雾化模型及机制粉末雾化模型及机制 概况概况 粉末雾化概念粉末雾化概念 The dispersion of a molten metal into particles by a rapidly moving gas or liquid stream or by mechanical means 分类：分类：按破碎方式：双流雾化（气、水、按破碎方式：双流雾化（气、水、油）；真空雾化；旋转电极雾化、机油）；真空雾化；旋转电极雾化、机械力雾化（旋转盘

2、、轧辊（械力雾化（旋转盘、轧辊（roller)roller)、旋转杯（旋转杯（spinning cup)spinning cup)商业化粉末雾化技术双流雾化： 水雾化： 起源：1872年Marriott（英国）发明蒸汽熔化金属并雾化；1950s英国PM Ltd.发明雾化喷嘴，制备有色金属；1954英国B.S.A.Co Ltd 和瑞典Hoganas生产水雾化铁粉自由落体式（ Free-fall mode)水雾化雾化喷嘴雾化喷嘴环缝式喷嘴环缝式喷嘴（annular annular ring nozzle)ring nozzle)分离式喷嘴分离式喷嘴（discrete multiple discre

3、te multiple nozzles)nozzles)水雾化影响参数工艺特性：工艺特性： 水雾化工艺条件水雾化工艺条件工工艺艺参参数数通通常常范范围围316L熔熔体体流流量量/kg/min4.59022水水流流量量/kg/min110380200水水速速/m/s70230110水水压压/ MPa5.5219过过热热度度75150 C80粒度分布：粒度分布：10300um；冷却速度：；冷却速度：103105 C油雾化油雾化 1980s Sumitomo Metals 1980s Sumitomo Metals 发明，主要发明，主要用来制备低氧含量粉末。用来制备低氧含量粉末。 优点：杂质含量低：

4、优点：杂质含量低：O (0.01%)O (0.01%) 缺点：缺点：C C含量不易控制；含量不易控制； 多生产高碳钢粉末多生产高碳钢粉末粉末粒度：粉末粒度：70um70um气雾化气雾化 1920s 1920s 发明空气雾化，二战期间德国发明空气雾化，二战期间德国开始采用双流空气雾化生产钢粉开始采用双流空气雾化生产钢粉 工艺装置可利用水雾化的自由落体式，工艺装置可利用水雾化的自由落体式，但多采用限制式，能量利用率高；喷嘴但多采用限制式，能量利用率高；喷嘴可采用环缝式和分离式。可采用环缝式和分离式。气雾化制粉的基本工艺条件气雾化制粉的基本工艺条件工艺参数工艺参数通常条件通常条件Ni 基合金基合金气

5、体流量气体流量/m3/s0.020.24熔体流量熔体流量kg/min17020气体压力气体压力/Mpa0.592气体流速气体流速/m/s20超音速超音速100过热度过热度/ C75150150粉末粒度：粉末粒度：50300um真空雾化真空雾化 含过饱和溶度气体的金属熔体在气压作用下喷含过饱和溶度气体的金属熔体在气压作用下喷入真空腔体中。入真空腔体中。 H2 2H(dissolved in M) H含量含量0.00010.001w/o; 气体压力：气体压力：13MPa; 粉末粒度：粉末粒度：4070um(1500um); 冷却速度：冷却速度：102 C/s 旋转电极雾化旋转电极雾化 196319

6、63年年Nuclear Metals Inc.Nuclear Metals Inc.发明；发明； 主要用来生产球形、高活性、无污染粉主要用来生产球形、高活性、无污染粉末，如末，如TiTi合金粉；合金粉； 粉末粒度：粉末粒度：200um (50200um (50400um); 400um); 冷却速度：冷却速度： 10 102 2 C/sC/s； 转速：转速：157015702100rps2100rps 局限：过热度小，不宜生产熔点范围宽局限：过热度小，不宜生产熔点范围宽的合金。的合金。细粉末雾化制备技术：细粉末雾化制备技术： 细粉末定义：细粉末定义：20um;20um; 细粉末的意义：细粉末的

7、意义： 快速凝固粉末的研究与商业化需要；快速凝固粉末的研究与商业化需要； 粉末注射成形需要（粉末注射成形需要（5 515um)15um)； 细粉末改善烧结性能；细粉末改善烧结性能； 热喷涂用；热喷涂用； 复合材料、电磁、催化剂、医药、导电塑复合材料、电磁、催化剂、医药、导电塑料等用途。料等用途。高压水雾化高压水雾化 水压：水压：100150MPa；粉末粒度：；粉末粒度：15umdm=114P-0.58 (conical)dm=68P-0.56 (V-shaped)高压气雾化高压气雾化 层流雾化：层流雾化： =0=0；利用气体的纯剪切作；利用气体的纯剪切作用破碎金属熔体；粉末粒用破碎金属熔体；粉

8、末粒度可达度可达10um10um以下以下 紧耦合式雾化喷嘴紧耦合式雾化喷嘴： 充分利用气体能量；充分利用气体能量； 气体压力：气体压力：101020MPa; 20MPa; 粉末粉末粒度：粒度：101020um20um；喷嘴口压力vs气体压力喷嘴口压力越小，粉末越细雾化粉末特性粉末颗粒特性的表征粉末颗粒特性的表征颗粒形状颗粒形状粉末粒度粉末粒度粉末粒度分布、中位径粉末粒度分布、中位径d dm m粉末颗粒表面粗糙度粉末颗粒表面粗糙度水雾化粉末颗粒特性水雾化粉末颗粒特性A. A. 粉末粒度与粒度分布粉末粒度与粒度分布影响因素：水速、金属液流量、水影响因素：水速、金属液流量、水压、熔体过热度、喷嘴形状

9、等压、熔体过热度、喷嘴形状等水、金属液流量水、金属液流量dm = f(Vm/VL)Vm: 金属液流量；VL : 水流量；水压dm = ln(P/A)n;dm = KP-n;熔体过热度影响金属熔体粘度和表面张力：Zn: 过热度从100增至300C, dm 从150降至100um;Co基合金：过热度增加150 C， dm 减少13.5%;提高过热度可防止喷嘴处堵嘴（Freeze-up).喷嘴形状喷射角越大，dm越小水喷射速度dm = (5500/Vm)粉末颗粒形状粉末颗粒形状主要决定于：金属液滴在表面张力作用下球化的时间：0.110us for 100um金属液滴凝固的时间：1001000us实际

10、影响因素很多：如颗粒球化前须经过液滴形成、加速、穿过紊流区等，约200us时间氧化膜的形成抵消表面张力，高熔点氧化膜的形成（Cr、Al、Ti、Mg）易得到不规则形状颗粒。金属、合金熔点高熔点金属液滴凝固时间长，易得到球形粉。粉末颗粒表面形貌和内部结构粉末纯度和杂质含量粉末氧含量与金属活性及氧化膜性质相关；与雾化条件相关：采用去离子水、添加酒精和表面活性剂等；Fe: 10004000ppm; Ag-28Cu: 285ppm; Au-Ni: 57ppm; 304L: 2000ppm.气雾化粉末特性粉末粒度与粒度分布影响因素与水雾化类似；气体比耗(specific gas consumption):

11、 气体与金属液流的质量比， F，m3/kg;dm = KF-1/2气雾化粉末中位径的预测 Lubanska方程： dm/D = K(m /g(w)(1+M/A)1/2D: 液流直径；g：气体动力学粘度；m: 液体动力学粘度；W: 气体的weber数；M/A:金属/气体质量流量比；K: 常数颗粒形状： 多为球形： 例如149420um粉末: 球形化时间：小于210-5s 比凝固时间小几个数量级粉末表面形貌和内部结构基本光滑、表面通常呈现胞状和树枝状结构、表面氧化痕迹内部显微组织快速凝固、与粒度相关的冷却速度的影响导致颗粒内部精细的显微结构MC, M2CCu, Cu-Zr粉末组织结构与成分关系Al-Fe-Ni: (TEM)粉末成分及纯度粉末雾化模型及机制水雾化31114900nVdmw气雾化气雾化的几个阶段：在液流上形成复杂的波波的分离，形成液带液带破碎、液滴的球化maxmax2kD295.2sgULd离心雾化离心雾化液滴直接形成液滴直接形成机制机制液带破