快速凝固技术工艺方法

传统气体雾化和紧耦合气体雾化的区别
• 传统的气体雾化方法如图（a）所示，气体交汇处的焦点离导 出口有一段距离，金属液体首先分裂成粗的液滴，然后是不规 的薄片，最后变成液粒。紧耦合气体雾化方法如图 (b)所示。 属熔体被高压气体直接雾化为液粒。紧耦合法中熔体的冷凝速 ≥ 105K/s，粉末平均粒度≤50mm。由于气流与液流较为接近 气体动能的保持率较高。同时气体动能被液体吸收率更高。
(a)高压Ⅰ型
（b）高压Ⅱ型
高压雾化喷嘴结构图
• 由伦敦帝国工学院所研制的上喷法也是一种新的快速冷 备粉末方法。上喷法作为铝和铝合金的粉末制备方法很早 开始应用在工业生产中。图（a）为上喷法制备铝和铝合 末的工艺示意图。图（b）为上喷法的雾化喷嘴。上喷法 为：喷嘴向上喷射气体，使得中心的导液管前端形成负压 虹吸熔体向上并且将其雾化成粉。伦敦帝国学院采用了图 ）所示装置，该装置可制得平均粒度为25mm粉末，粉末的 凝速度达到103-104K/s。
• 层状气流雾化法主要特点是气体不再以某 高度冲击液态金属流。而是平行于金属流 金属液流依靠气流在液流表面产生剪切和 压变形。使液流直径不断减小，发生层状 维化。这种雾化方法效率高。粉末冷速达 106－107K/s。Nanoval工艺的气体消耗量仅 为紧耦合的1/3，为自由落体式的1/7，具 很大经济性。
快速凝固技术工艺
• 快速凝固制取非晶和微晶粉末方法目前已 发了大量方法，如旋转盘雾化法、旋转水 化法、超声雾化法、双辊、三辊淬冷法、 动力雾化法、等离子雾化法、溶液提取法 激光快速凝固法、多级快淬法。
快速凝固工艺
• 通过快速冷凝制备非晶、准晶和微晶粉末的方法 很多种，根据这些方法的特征可大致分为五类， 双流雾化、离心雾化、机械电气等到作用力雾化 多级雾化和熔体自旋法。双流雾化主要有气体雾 和高压水雾化；离心雾化主要包括旋转盘、旋转 、和旋转电极雾化法和激光自旋雾化等；机械等 用力雾化主要指真空雾化、电动力学雾化和固体 化等。多级雾化的典型方法有组合喷嘴雾化及陈 华教授所发明的一系列多级快冷装置。熔体自旋 有急冷熔体自旋法、离心熔体自旋法、平面流铸 法、水自旋法、熔体提取法、熔体拖拉法和溢流 等。
• 高压气流雾化制备细粉末也是一种快速冷凝方法 。Ricks等人采用高压气流雾化（4-8MPa）金属熔 体，粉末冷速可以达到103-104K/s，平均粒度最 可达20mm左右。一般来说，在限制式喷嘴中，增 气压可以减少粉末的粒径，但由于气体速度与压 接近线性关系，当气压超过5MPa后，其速度增加 少。而且增加气体还明显增加气体消耗量，因此 限制式喷嘴中雾化气压一般不超过5.5MPa,限制了 雾化效率的提高。美国Iowa州立大学Ames实验室 Anderson等人将紧耦合喷嘴的环缝改为环孔（20 24个），通过提高气压（最高可达17MPs）和改变 导体液管出口处的形状设计，克服了紧耦合喷嘴 存在的气流激波，使气流呈现超声速层流状态并 导液管出口处形成有效的负压，这一改进可以显 提高雾化效率。
的生产率就会大大提高。
紧耦合喷嘴制备金属粉末的示意图
• 英国PSI公司对紧耦合环缝式喷嘴进行结 优化：一是使气流的出口速度超过音速， 而在较小的雾化压力下获得高速气流。如 2.5MPa压力下，氩气的雾化出口速度可达 540m/s，气体消耗量小于5Kg/min；二是增 加金属的质量流率。在紧耦合雾化中，为 增加细粉的生产率，需要降低金属液流的 量流率(小于0.5L/min)，在超声紧耦合雾 技术中质量流率可以大于0.5L/min，在利 工业化生产和降低生产成本。雾化高表面 的金属如不锈钢，平均粒度可达20um左右 粉末的标准偏差最低可以降至1.5。而该技 术的另一个优点是大大提高了粉末的冷却 度，可以产生快冷或非晶结构的粉末。
• 该装置是采用等离子枪熔化液体用 铜坩埚装盛液体。同样也可采用其 热方式和相应坩埚来进行熔炼。常 紧耦合喷嘴一般都采用紧耦合环缝 对称式气体喷嘴。还可以使用非轴 式气体喷嘴和非轴对称式导液管。 对称气体喷嘴也是制备细粉末的一 法。一般来说，实现非轴对称气流 法有很多种。如采用非轴形环缝的 、或非等尺寸气体喷嘴的组合。非 形的液流导管端部。非同心轴气流 隔气流束都能产生非轴对称气流。 合雾化采用非轴对称雾化系统后比 轴对称雾化系统生产的粉末细小很 其主要原因是由于雾化液流羽毛状 ，非轴对称雾化可以减小雾化气体 化液流在焦点处收缩。从而改善导 出口处液膜的形成。当非轴对称雾 统能够生成多个羽毛状液流时，细
1.双流雾化法
• 所谓双流雾化法主要是通过雾化喷嘴产生 速高压的工作介质流体，将熔体流粉碎成 细的液滴，并主要通过对流方式散热而迅 冷凝。工作介质有气体和液体等。熔体凝 冷速取决于工作介质的密度、熔体和工作 质的传热能力及熔滴的直径。而溶滴的直 又受熔体的过热温度、熔体流直径、雾化 力和喷嘴形式等雾化参数控制。
• 德国柏林NANOVAL GMBH公司发明了一种层状气流雾
化技术。
层流气体雾化原理图
• 在一定压力下气体1与金属液流2一起 LAVAL喷嘴4。在LAVAL喷嘴入口与狭小 区域3之间很短的范围内，气体从几m 速到音速。因为在LAVAL喷嘴中的急剧 ，气体可以保持小流量并自己保持稳 金属熔液由气体平行的拔出，经过剪 力变成细丝。在气体通过狭小区域的 中，气体把能量传递给溶液。径向放 体可以稳定熔体使其不发生分离或波 离。因此，在狭小区域形成了厚度不 细丝，在熔体自由流动的情况下甚至 得到更细的细丝。与稳定推动同时作 可以得到非常稳定及高精确度的气体 ，因此可以得到均匀，细小的粉末。 狭小区域以后，气体迅速减压并加速 音速。在不断增加的速度下，由气体 体接触面的剪切应力溶液流变为纤维 并随着外部气体压力下降变得不稳定 分成许多更细的细丝。因为流体力学 稳定，又碎裂成小片状，在表面张力 响下形成球形液滴并冷却凝固成粉末
亚音速和音速气流雾化法
• 亚音速气流雾wenku.baidu.com法是粉末冶金最常用的制 方法之一。采用这种方法熔体冷凝速度可 102-103K/s ， 并 且 能 够 大 规 模 生 产 平 均 粒 50-100mm的各种金属和合金粉末。
• 紧耦合方法是指喷嘴的漏嘴交汇非常紧凑 高压气体出口就与液流相撞击的一种气体 化方法。