快速凝固技术工艺方法

超声振动雾化器
• 超声振动雾化一般由换能器，聚能器和工具头等组 成。超声雾化器中的喷嘴，换能器主要作用于借助 压电晶体的压电作用。将高频电振荡转化为机械振 动，即将电能转化为声能。换能器大多采用螺栓夹 紧的纵向振子，材料主要采用压电陶瓷。超声聚能 器，又称超声变幅杆或称之为超声变速杆。其作用 是将机械振动的速度放大，或者将超声能量集中在 较大的面积上，即聚能作用。工具头是将金属液体 在超声振动下铺展成膜，再抛出成雾的装置。
u-气体射流速度；d-共振腔直径；d0-喷管出口直径； A、B-分别为喷管和共振腔的位置；
p-气体压力；p0-平均气体压力；S1、S2-超声波波谷。
超声雾化喷嘴 中的哈特曼管
超声波雾化生产粉末装置图
超声雾化与普通气体雾化相比，雾化效率有大幅度提 高，但也存在一些问题。如颗粒尺寸分布范围较宽， 设备庞大，消耗大量气体，粉末颗粒存在卫星组织， 生产成本较高。
• 瑞士也开发了一种新的超声雾化装置。这种雾化装 置将两种超声雾化方法（超声气体雾化和波雾化） 有机结合起来，克服了它们的各自局限性。装置分 两步击碎熔态金属，从而解决了熔体流直径不能过 大的问题。
• 熔化金属流并列导入由超声频率激发的管状共振腔 内壁，超声波雾化装置在很多方面与标准装置相似 ，但其气体压力更高，另外也不是采用连续气流来 破碎熔融金属液流。而是采用高速脉冲气流。当高 压气体加速通过共振器时，就形成了频率在超声范 围内的脉冲，这样实现了超音速气体速度。这种装 置声称能够制备纳米晶结构粉末，当液流直径为5mm 时，典型的产率为15Kg/min，随着液流直径增加， 雾化工艺的能量效率降低。
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构 优化：一是使气流的出口速度超过音速，从 而在较小的雾化压力下获得高速气流。如在 2.5MPa压力下，氩气的雾化出口速度可达到 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，为了 增加细粉的生产率，需要降低金属液流的质 量流率(小于0.5L/min)，在超声紧耦合雾化 技术中质量流率可以大于0.5L/min，在利于 工业化生产和降低生产成本。雾化高表面能 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速 度，可以产生快冷或非晶结构的粉末。
• 在20世纪80年代初，为了解决气体超声雾化所带来 的问题，Ruthard等人采用了静态毛细管张力波直 接雾化金属这种相对简单的方法，金属液体流至超 声聚能器辐射面形成一薄液层，金属薄液层在超声 振动下引起的毛细波作用下雾散成微小液粒。液粒 破碎的能量仅来自电能转化过来的声能。由于金属 液体与超声聚能器振动表面直接接触所需能量小。 不象超声气体雾化那样消耗大量气体。一般来说， 用电声换能器来进行超声雾化有两种形式，一种是 压电换能器在液体中辐射强超声，通过薄透声薄辐 射到溶液中，而在液面上产生喷泉雾化。另一种为 液体流至超声聚能器辐射表面并形成薄液层。薄液 层在超声振动作用下激活表面张力波。当振动面的 振幅达到一定值时，液粒从波峰上飞出成雾。
亚音速和音速气流雾化法
• 亚音速气流雾化法是粉末冶金最常用的制粉 方法之一。采用这种方法熔体冷凝速度可达 102-103K/s，并且能够大规模生产平均粒度 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雾 化方法。
传统气体雾化和紧耦合气体雾化的区别
(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凝制 备粉末方法。上喷法作为铝和铝合金的粉末制备方法很早就 开始应用在工业生产中。图（a）为上喷法制备铝和铝合金粉 末的工艺示意图。图（b）为上喷法的雾化喷嘴。上喷法原理 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（a ）所示装置，该装置可制得平均粒度为25mm粉末，粉末的冷 凝速度达到103-104K/s。
• 传统的气体雾化方法如图（a）所示，气体交汇处的焦点离导液管 出口有一段距离，金属液体首先分裂成粗的液滴，然后是不规则 的薄片，最后变成液粒。紧耦合气体雾化方法如图 (b)所示。金 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度 ≥ 105K/s，粉末平均粒度≤50mm。由于气流与液流较为接近。其 气体动能的保持率较高。同时气体动能被液体吸收率更高。
• 该装置第一个特点是开发出了“锤”型超声振子，比 传统的两个金属块三明治振子提高了频率、振幅与相 位调制。这说明，不管什么液态金属，只要选取适宜 的超声参数，都可进行高流速毛细张力波雾化。它的 另一大进步是采用了难熔合金管振子，一直到2000℃ 都可以保持良好的声学特性，满足润温要求，保持对 熔态金属的耐蚀力。
• 哈特曼管由一个喷气管和 一个可调节的共振腔组成 。气流通过喷管A时可能引 起伯努力(Bernocclli)效
应（流体速度加快时，物 体与流体接触的界面上的 压力会减小，反之压力会 增加。 ），达到超音速度
，在S1处压力降到最低， 超过此点则形成不稳定的 气体堆积，从而成为冲击 波前沿（虚线表示）。这 一现象将在等间距的S1 、 S2处重复产生。
快速凝固技术工艺方法
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• 快速凝固制取非晶和微晶粉末方法目前已开 发了大量方法，如旋转盘雾化法、旋转水雾 化法、超声雾化法、双辊、三辊淬冷法、电 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有 很多种，根据这些方法的特征可大致分为五类，即 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化 和高压水雾化；离心雾化主要包括旋转盘、旋转水 、和旋转电极雾化法和激光自旋雾化等；机械等作 用力雾化主要指真空雾化、电动力学雾化和固体雾 化等。多级雾化的典型方法有组合喷嘴雾化及陈振 华教授所发明的一系列多级快冷装置。熔体自旋法 有急冷熔体自旋法、离心熔体自旋法、平面流铸造 法、水自旋法、熔体提取法、熔体拖拉法和溢流法 等。
1.双流雾化法
• 所谓双流雾化法主要是通过雾化喷嘴产生高 速高压的工作介质流体，将熔体流粉碎成很 细的液滴，并主要通过对流方式散热而迅速 冷凝。工作介质有气体和液体等。熔体凝固 冷速取决于工作介质的密度、熔体和工作介 质的传热能力及熔滴的直径。而溶滴的直径 又受熔体的过热温度、熔体流直径、雾化压 力和喷嘴形式等雾化参数控制。
（a）超声雾化喷嘴示意图
拉瓦尔喷嘴原理图
• 拉瓦尔喷嘴属于先收缩后扩张型喷嘴，根据流体力学原理， 对于直线型喷管，气体进口速度V1和气体出口速度V2是相等 的，气流速度虽然随进气压力升高而增大，但提高是有限度 的。对于收缩型喷管，在所谓临界断面上的气流速度是以该 条件下的音速为限度。对于拉瓦尔喷嘴，是先收缩后扩张， 在临界断面上，气流临界速度达音速，压缩气体经临界断面 后继续向大气中作绝热膨胀。然后气体出口速度（V2）可超 过音速。
高压水雾化法
高压水雾化法也是粉末冶金中常用的制粉 方法之一。这种方法主要制备低合金钢和高 合金钢粉。也可以用来制备铜、青铜、钴、 镍、铅、锌，锡，铝粉等多种粉末。由于采 用了密度较高的水作雾化介质，冷却速率比 一般亚音速气流的冷速高出一个数量级，达 103-104K/s，当水流压力为8-20MPa时，制 得粉末平均粒度为75-200mm。高压水雾化只 限于在不会过度氧化或在雾化后氧化物能被 还原的合金，这种雾化法能量利用率较低， 约≤4％。
• 层状气流雾化法主要特点是气体不再以某一 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挤 压变形。使液流直径不断减小，发生层状纤 维化。这种雾化方法效率高。粉末冷速达到 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，具有 很大经济性。
• 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，平均粒度最细 可达20mm左右。一般来说，在限制式喷嘴中，增加 气压可以减少粉末的粒径，但由于气体速度与压力 接近线性关系，当气压超过5MPa后，其速度增加很 少。而且增加气体还明显增加气体消耗量，因此在 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实验室的 Anderson等人将紧耦合喷嘴的环缝改为环孔（2024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，克服了紧耦合喷嘴中 存在的气流激波，使气流呈现超声速层流状态并在 导液管出口处形成有效的负压，这一改进可以显著 提高雾化效率。
管块共振器中使用毛细波雾化作为第一阶段雾化，液滴被由入 口气体介质产生的冲击波振动后原子尺寸进一步减小类似的 一种超声音波气体雾化方法
• 超声波气体雾化（USGA）粉末为球形粉末，并具有光 滑表面，尺寸细小以及快速凝固的特点，质量平均颗 粒尺寸在25um以下。冷速在104-105℃/s之间。超声波 雾化可以通过毛细波雾化而加强，当薄层液流粘附在 固态共振器表面，共振器垂直于表面振动时，将形成 固定的板状毛细波，当振幅超过某一临界时就会出现 这一现象。随振幅的进一步增加，液流紧接着出现带 状破碎，液滴在波峰位置处受到猛烈碰撞被破碎。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 该装置是采用等离子枪熔化液体用水冷 铜坩埚装盛液体。同样也可采用其它加 热方式和相应坩埚来进行熔炼。常用的 紧耦合喷嘴一般都采用紧耦合环缝式、 对称式气体喷嘴。还可以使用非轴对称 式气体喷嘴和非轴对称式导液管。非轴 对称气体喷嘴也是制备细粉末的一种方 法。一般来说，实现非轴对称气流的方 法有很多种。如采用非轴形环缝的喷嘴 、或非等尺寸气体喷嘴的组合。非正锥 形的液流导管端部。非同心轴气流、分 隔气流束都能产生非轴对称气流。紧耦 合雾化采用非轴对称雾化系统后比采用 轴对称雾化系统生产的粉末细小很多， 其主要原因是由于雾化液流羽毛状伸展 ，非轴对称雾化可以减小雾化气体和雾 化液流在焦点处收缩。从而改善导液管 出口处液膜的形成。当非轴对称雾化系 统能够生成多个羽毛状液流时，细粉末
• 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2一起通过 LAVAL喷嘴4。在LAVAL喷嘴入口与狭小通道 区域3之间很短的范围内，气体从几m/s加 速到音速。因为在LAVAL喷嘴中的急剧加速 ，气体可以保持小流量并自己保持稳定。 金属熔液由气体平行的拔出，经过剪切应 力变成细丝。在气体通过狭小区域的过程 中，气体把能量传递给溶液。径向放射气 体可以稳定熔体使其不发生分离或波峰剥 离。因此，在狭小区域形成了厚度不变的 细丝，在熔体自由流动的情况下甚至可以 得到更细的细丝。与稳定推动同时作用， 可以得到非常稳定及高精确度的气体参数 ，因此可以得到均匀，细小的粉末。通过 狭小区域以后，气体迅速减压并加速到超 音速。在不断增加的速度下，由气体和液 体接触面的剪切应力溶液流变为纤维状， 并随着外部气体压力下降变得不稳定然后 分成许多更细的细丝。因为流体力学的不 稳定，又碎裂成小片状，在表面张力的影 响下形成球形液滴并冷却凝固成粉末。
（a）上喷法制备粉末的工艺示意图 （b）上喷法的雾化喷嘴
超声雾化法
• 超声雾化(USGA)法是目前一种著名的快冷制 粉方法。这种方法最初是瑞典人所发明的， 后经美MIT的Grant教授改进而成。超声雾化 器是拉瓦尔喷嘴和哈特曼（Hartman）振动 波管组合在一起，既能产生2-2.5马赫的超 音速又能产生80-199KHz的超声波气流。该 法生产低熔点合金已达工业生产规模，对于 高熔点合金仍处于实验阶段。装置的冷速达 104-105K/s，雾化气体为氩气和氦气等，雾 化气体压力为8.3MPa。制备Al粉最小平均粒 度为22mm。