现代粉末冶金技术雾化制粉
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现代粉末冶金技术
第二章 粉末雾化技术
精品课件
粉末雾化技术
• 概况 • 商业化的粉末雾化技术 • 雾化粉末特性 • 粉末雾化模型及机制
精品课件
• 概况
• 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
水速/m/s 水压/ MPa
过热度
通常范围 4.5~90 110~380 70~230 5.5~21
75~150C
316L 22 200 110 9 80
粒度分布：10~300um；冷却速度：103~105 C
精品课件
油雾化
• 1980’s Sumitomo Metals 发明，主 要用来制备低氧含量粉末。
精品课件
自由落体式（ Free-fall mode)水雾化
精品课件
雾化喷嘴
分离式喷嘴（discrete multiple
nozzles)
环缝式喷嘴
（annular ring nozzle)
精品课件
水雾化影响参数
精品课件
工艺特性：
• 水雾化工艺条件
工艺参数
熔体流量/kg/min 水流量/kg/min
• 优点：杂质含量低：O (<0.01%) • 缺点：C含量不易控制；
多生产高碳钢粉末 粉末粒度：~70um
精品课件
气雾化
• 1920’s 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
• 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 可采用环缝式和分离式。
精品课件
精品课件
精品课件
气雾化制粉的基本工艺条件
工艺参数
气体流量/m3/s 熔体流量 kg/min
气体压力/Mpa 气体流速/m/s
过热度/C
通常条件 0.02~0.24
1~70
0.5~9 20~超音速
75~150
Ni 基合金
20 2 100 150
粉末粒度：50~300um
精品课件
真空雾化
• 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。
料ຫໍສະໝຸດ Baidu用途。
精品课件
高压水雾化
• 水压：100~150MPa；粉末粒度： 15um
dm=114P-0.58 (conical) dm=6精8品P课件-0.56 (V-shaped)
高压气雾化
• 层流雾化：
=0；利用气体的纯剪切 作用破碎金属熔体；粉末 粒度可达10um以下
• 紧耦合式雾化喷嘴：
– 充分利用气体能量； – 气体压力：10~20MPa; 粉
末粒度：10~20um；
精品课件
精品课件
喷嘴口压力vs 气体压力
喷嘴口压力越 小，粉末越细
精品课件
雾化粉末特性
精品课件
粉末颗粒特性的表征
•颗粒形状 •粉末粒度 •粉末粒度分布、中位径dm •粉末颗粒表面粗糙度
精品课件
精品课件
水雾化粉末颗粒特性
A. 粉末粒度与粒度分布
影响因素：水速、金属液流量、水 压、熔体过热度、喷嘴形状等
• 分类：
– 按破碎方式：双流雾化（气、水、 油）；真空雾化；旋转电极雾化、机 械力雾化（旋转盘、轧辊（roller)、 旋转杯（spinning cup))
精品课件
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；1950’s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
精品课件
喷嘴形状
喷射角越大，dm越小
精品课件
水喷射速度
dm = (5500/Vm)
精品课件
•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：0.1~10us for 100um 金属液滴凝固的时间： 100~1000us
实际影响因素很多：如颗粒球化 前须经过液滴形成、加速、穿过 紊流区等，约20精品0课u件 s时间
末，如Ti合金粉； • 粉末粒度：200um (50~400um); • 冷却速度：< 102 C/s； • 转速：1570~2100rps • 局限：过热度小，不宜生产熔点范围宽
的合金。
精品课件
精品课件
细粉末雾化制备技术：
• 细粉末定义：<20um; • 细粉末的意义：
• 快速凝固粉末的研究与商业化需要； • 粉末注射成形需要（5~15um)； • 细粉末改善烧结性能； • 热喷涂用； • 复合材料、电磁、催化剂、医药、导电塑
精品课件
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): 气体与金属液流的质量比， F，m3/kg;
dm = KF-1/2
精品课件
精品课件
气雾化粉末中位径的预测
Lubanska方程：
dm/D = K[(m /g(w))·(1+M/A)]1/2
•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。
精品课件
粉末颗粒表面形貌和内部结构
精品课件
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: 1000~4000ppm; Ag-28Cu: 285ppm; Au-Ni: 57ppm; 304L: 2000ppm.
精品课件
水、金属液流量
dm = f(Vm/VL) Vm: 金属液流量； VL : 水流量；
精品课件
水压
dm = ln(P/A)n; dm = KP-n;
精品课件
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300°C, 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).
• H2 M)
2H(dissolved in
• H含量0.0001~0.001w/o; 气体压力： 1~3MPa;
• 粉末粒度：40~70um(1~500um);
• 冷却速度：~102C/s
精品课件
精品课件
旋转电极雾化
• 1963年Nuclear Metals Inc.发明； • 主要用来生产球形、高活性、无污染粉
第二章 粉末雾化技术
精品课件
粉末雾化技术
• 概况 • 商业化的粉末雾化技术 • 雾化粉末特性 • 粉末雾化模型及机制
精品课件
• 概况
• 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
水速/m/s 水压/ MPa
过热度
通常范围 4.5~90 110~380 70~230 5.5~21
75~150C
316L 22 200 110 9 80
粒度分布：10~300um；冷却速度：103~105 C
精品课件
油雾化
• 1980’s Sumitomo Metals 发明，主 要用来制备低氧含量粉末。
精品课件
自由落体式（ Free-fall mode)水雾化
精品课件
雾化喷嘴
分离式喷嘴（discrete multiple
nozzles)
环缝式喷嘴
（annular ring nozzle)
精品课件
水雾化影响参数
精品课件
工艺特性：
• 水雾化工艺条件
工艺参数
熔体流量/kg/min 水流量/kg/min
• 优点：杂质含量低：O (<0.01%) • 缺点：C含量不易控制；
多生产高碳钢粉末 粉末粒度：~70um
精品课件
气雾化
• 1920’s 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
• 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 可采用环缝式和分离式。
精品课件
精品课件
精品课件
气雾化制粉的基本工艺条件
工艺参数
气体流量/m3/s 熔体流量 kg/min
气体压力/Mpa 气体流速/m/s
过热度/C
通常条件 0.02~0.24
1~70
0.5~9 20~超音速
75~150
Ni 基合金
20 2 100 150
粉末粒度：50~300um
精品课件
真空雾化
• 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。
料ຫໍສະໝຸດ Baidu用途。
精品课件
高压水雾化
• 水压：100~150MPa；粉末粒度： 15um
dm=114P-0.58 (conical) dm=6精8品P课件-0.56 (V-shaped)
高压气雾化
• 层流雾化：
=0；利用气体的纯剪切 作用破碎金属熔体；粉末 粒度可达10um以下
• 紧耦合式雾化喷嘴：
– 充分利用气体能量； – 气体压力：10~20MPa; 粉
末粒度：10~20um；
精品课件
精品课件
喷嘴口压力vs 气体压力
喷嘴口压力越 小，粉末越细
精品课件
雾化粉末特性
精品课件
粉末颗粒特性的表征
•颗粒形状 •粉末粒度 •粉末粒度分布、中位径dm •粉末颗粒表面粗糙度
精品课件
精品课件
水雾化粉末颗粒特性
A. 粉末粒度与粒度分布
影响因素：水速、金属液流量、水 压、熔体过热度、喷嘴形状等
• 分类：
– 按破碎方式：双流雾化（气、水、 油）；真空雾化；旋转电极雾化、机 械力雾化（旋转盘、轧辊（roller)、 旋转杯（spinning cup))
精品课件
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；1950’s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
精品课件
喷嘴形状
喷射角越大，dm越小
精品课件
水喷射速度
dm = (5500/Vm)
精品课件
•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：0.1~10us for 100um 金属液滴凝固的时间： 100~1000us
实际影响因素很多：如颗粒球化 前须经过液滴形成、加速、穿过 紊流区等，约20精品0课u件 s时间
末，如Ti合金粉； • 粉末粒度：200um (50~400um); • 冷却速度：< 102 C/s； • 转速：1570~2100rps • 局限：过热度小，不宜生产熔点范围宽
的合金。
精品课件
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细粉末雾化制备技术：
• 细粉末定义：<20um; • 细粉末的意义：
• 快速凝固粉末的研究与商业化需要； • 粉末注射成形需要（5~15um)； • 细粉末改善烧结性能； • 热喷涂用； • 复合材料、电磁、催化剂、医药、导电塑
精品课件
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): 气体与金属液流的质量比， F，m3/kg;
dm = KF-1/2
精品课件
精品课件
气雾化粉末中位径的预测
Lubanska方程：
dm/D = K[(m /g(w))·(1+M/A)]1/2
•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。
精品课件
粉末颗粒表面形貌和内部结构
精品课件
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: 1000~4000ppm; Ag-28Cu: 285ppm; Au-Ni: 57ppm; 304L: 2000ppm.
精品课件
水、金属液流量
dm = f(Vm/VL) Vm: 金属液流量； VL : 水流量；
精品课件
水压
dm = ln(P/A)n; dm = KP-n;
精品课件
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300°C, 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).
• H2 M)
2H(dissolved in
• H含量0.0001~0.001w/o; 气体压力： 1~3MPa;
• 粉末粒度：40~70um(1~500um);
• 冷却速度：~102C/s
精品课件
精品课件
旋转电极雾化
• 1963年Nuclear Metals Inc.发明； • 主要用来生产球形、高活性、无污染粉