现代粉末冶金技术雾化制粉

• 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))
现代粉末冶金技术雾化制粉
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
D: 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
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•颗粒形状：
多为球形： 例如149~420um粉末: 球形化时间：小于210-5s 比凝固时间小几个数量级
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水喷射速度
dm = (5500/Vm)
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•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，约现代2粉末0冶金0技u术雾s化时制粉 间
X=0.07 液滴直接形成转为液带破碎 X=1.33 液带破碎转为液膜破碎
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3rew
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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（Freezeup).
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喷嘴形状
喷射角越大，dm越小
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
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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, M2C
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Cu, Cu-Zr
粉末组织结 构与成分关 系
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Al-Fe-Ni: (TEM)
1~70
0.5~9 20~超音速
75~150
粉末粒度：50~300um
Ni 基合金
20 2 100 150
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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。
• H2
2H(dissolved in M)
• H含量0.0001~0.001w/o; 气体压力：1~3MPa;
的合金。
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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
料等用途。
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•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。
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粉末颗粒表面形貌和内部结构
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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.
高压水雾化
• 水压：100~150MPa；粉末粒度：15um
dm=114P-0.58 (conical) d现m代粉=末68冶P金-技0.术56雾(化V制-s粉haped)
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
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粉末成分及纯度
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粉末雾化模型及机制
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水雾化
1
dm149001 3 Vw n
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气雾化
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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
Dmax
k2max
2.95
d
Hale Waihona Puke Baidu
L
gU
2 s
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离心雾化
液滴直接形成 机制
液带破碎机制
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随着电极末端液滴量的增加，雾化机制 从液滴直接形成 向液带破碎和液膜破碎 机制转化。
Q 0 .60 D 0 .68
X
0 .88 0 .17 0 .71
LL
Q:液滴供给量，m3/s :电极角速度，r/s D:电极直径，m :表面张力，N/m L:液流动力学粘度，Pa.s L:液流密度，kg/m3
末粒度：10~20um；
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喷嘴口压力vs 气体压力
喷嘴口压力越 小，粉末越细
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雾化粉末特性
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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
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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
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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
• 水雾化工艺条件
工艺参数
熔体流量/kg/min 水流量/kg/min
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
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自由落体式（ Free-fall mode)水雾化
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雾化喷嘴
分离式喷嘴（discrete multiple
nozzles)
环缝式喷嘴
（annular ring nozzle)
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水雾化影响参数
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工艺特性：
• 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。
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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
油雾化
• 1980’s Sumitomo Metals 发明，主 要用来制备低氧含量粉末。
• 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
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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
• 粉末粒度：40~70um(1~500um);
• 冷却速度：~102C/s
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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
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
现代粉末冶金技术
第二章 粉末雾化技术
现代粉末冶金技术雾化制粉
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
现代粉末冶金技术雾化制粉
• 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
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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
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水、金属液流量
dm = f(Vm/VL) Vm: 金属液流量； VL : 水流量；
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水压
dm = ln(P/A)n; dm = KP-n;