气体雾化工艺的工作原理

概述

气体雾化是一种金属粉末生产方法，利用高速惰性气体喷射将熔融金属流分解成细小的球形粉末颗粒。气体雾化 气体雾化过程 实现了对粉末粒度分布、形态、纯度和微观结构的出色控制。

气体雾化粉末的主要特性包括球形颗粒形状、高纯度、小至 10 微米的精细尺寸和均匀的成分。气体雾化可促进先进的粉末制造技术，如金属注射成型、快速成型、粉末冶金压制和烧结。

本指南全面介绍了气体雾化工艺和粉末。内容包括雾化方法、颗粒形成、工艺参数、设备、适用合金、粉末特性、产品规格、应用和供应商。本指南还附有有用的对照表，用于总结技术细节。

如何 气体雾化工艺 作品

气体雾化通过以下基本步骤将熔融合金转化为粉末：

气体雾化工艺阶段

• 融化 - 合金在感应炉中熔化并过热至高于其液相温度
• 浇注 - 倒入雾化室的熔融金属流
• 雾化 - 高速惰性气体喷射将金属分解成细小的液滴
• 固化 - 金属液滴在通过腔室时迅速凝固成粉末颗粒
• 收藏品 - 塔底旋风分离器收集的粉末颗粒

当气体射流的动能克服金属的表面张力，将液流剪切成液滴时，就会出现关键现象。这些液滴冻结成具有球形形态的粉末颗粒。

精心的工艺控制可实现量身定制的粉末粒度、纯度和微观结构。

气体雾化方法

工业中使用的气体雾化方法主要有两种：

气体雾化方法

闭合耦合设计可回收雾化气体，但存在熔体氧化的风险。自由落体式可提供更清洁的气氛，减少喷嘴反应的风险。

其他变体包括多气体喷嘴、超声波雾化、离心雾化以及用于特殊应用的同轴喷嘴设计。

气体雾化喷嘴设计

各种喷嘴设计可产生雾化所需的高速气体射流：

气体雾化喷嘴类型

德拉瓦尔喷嘴利用气体加速达到超音速，但几何形状复杂。形状简化的声波喷嘴具有更大的灵活性。

通过使用多个微型喷嘴或狭缝配置，可实现更小的液滴和严格控制的粒度分布。

粉末形成和凝固

熔融金属被剪切成液滴以及随后的凝固遵循不同的机制：

粉末形成阶段

• 分手 - 瑞利射流不稳定性导致扰动和液滴形成
• 失真 - 由于空气阻力，液滴拉长成为韧带
• 破裂 - 韧带分解成接近最终尺寸的液滴
• 固化 - 通过气体接触和辐射快速冷却，形成固体颗粒
• 减速 - 颗粒在雾化室中向下运动时速度降低

表面张力、湍流和空气阻力的共同作用决定了最终的颗粒尺寸和形态。超过 1,000,000 °C/秒的最大颗粒冷却速率可淬灭蜕变相。

工艺参数

关键的气体雾化工艺参数包括

气体雾化工艺 参数

平衡这些参数可以控制粉末的粒度、形状、生产率和其他特性。

气体雾化合金系统

气体雾化几乎可以将任何合金加工成粉末状，包括

适合气体雾化的合金

• 钛合金
• 镍超合金
• 钴超合金
• 不锈钢
• 工具钢
• 低合金钢
• 铁和镍基合金
• 贵金属
• 金属间化合物

气体雾化要求熔化温度低于雾化气体的分解点。典型的气体包括氩气、氮气和氦气。

像钨这样熔点极高的难熔合金在雾化时可能会遇到困难，通常需要专门的加工工艺。

大多数合金要求熔体过热温度远高于液相温度，以保持足够的流动性，雾化成细微分散的液滴。

气体雾化粉末的特性

气体雾化粉末的典型特征：

气体雾化粉末特性

球形和可调节的尺寸分布便于在二次粉末固结工艺中使用。对氧气和化学成分的严格控制实现了高性能合金。

气体雾化粉末的规格

国际标准规范有助于确定

• 粒径分布
• 表观密度范围
• 霍尔流量
• 可接受的氧气和氮气含量
• 允许的微观结构和孔隙率
• 化学成分限制
• 取样程序

这有助于质量控制和粉末性能的再现。

气体雾化粉末的规格

规格是根据航空航天、汽车、医疗和其他质量驱动型行业的关键应用要求定制的。

气体雾化粉末的应用

气体雾化粉末可通过以下方式制造高性能部件：

• 金属注射成型 (MIM)
• 快速成型制造（AM）
• 热等静压（HIP）
• 粉末锻造
• 热喷涂和冷喷涂
• 粉末冶金压制和烧结

与锻造材料相比的优势

• 具有精细特征的复杂几何图形
• 卓越的机械性能
• 接近全密度固化
• 新型合金和定制合金
• 材料选择范围

气体雾化技术擅长生产球形流动粉末，最适合自动化加工各行各业高质量标准的复杂部件。

气体雾化粉末全球供应商

全球著名的气体雾化粉末供应商包括

气体雾化粉末制造商

较小的地区性供应商也提供气体雾化粉末，通常服务于特殊合金或应用。

许多供应商还承担筛分、混合、涂层和其他粉末后处理作业。

气体雾化的优势与局限性

气体雾化 - 优点和缺点

气体雾化粉末的球形和细小尺寸具有明显的优势，但与简单的机械粉碎工艺相比，运行成本较高。

选择气体雾化粉末

选择气体雾化粉末的关键因素：

• 所需的化学成分和合金成分
• 目标粒度分布
• 合适的表观密度和分接密度范围
• 氧气和氮气的限制由应用决定
• 自动粉末处理的流动特性
• 确保代表性的抽样程序
• 供应商的技术专长和客户服务
• 总成本考虑

测试原型有助于鉴定新合金和气体雾化粉末的应用质量。与粉末生产商密切合作可实现优化。

常见问题

气体雾化能产生的最小粒径是多少？

专用喷嘴可生产个位数微米至 1-5 微米的粉末。不过，超细粉末的表观密度很低，颗粒间的范德华力很强，需要小心处理。

气体雾化过程中产生粉末卫星的原因是什么？

当液滴过大或发生碰撞，并在完全凝固前部分重合时，就会形成卫星。提高过热度、降低浇注率和增加分离距离都有助于减少卫星。

为什么气体雾化需要高纯度惰性气体？

高速气体喷射会长期侵蚀喷嘴上的金属并污染粉末。氮气和氧气等反应性气体也会对粉末纯度和合金性能产生负面影响。

气体雾化与水雾化相比有何不同？

水雾化通常能生产出 50-150 微米大的不规则粉末。气体雾化可使粉末细化到 10 微米，其球形形态更适用于压制和烧结应用。

什么是离心雾化？

在离心雾化法中，熔融金属被倒入一个旋转的圆盘中，圆盘会抛出细小的熔融金属液滴，然后凝固成粉末。与气体雾化相比，这种方法的生产率更高，但对粉末大小和形状的控制能力较差。

能否在气体雾化过程中快速切换合金？

是的，使用专用设备可以快速改变熔体流以生产复合粉末和合金粉末。不过，应通过炉室吹扫尽量减少合金之间的交叉污染。

结论

气体雾化工艺生产的球形流动金属粉末具有严格控制的粒度分布、纯度和微观结构特征，是各种关键应用中先进粉末固结工艺的最佳选择。通过对工艺参数和专用喷嘴设计的精心操作，可对最终粉末特性进行广泛控制。随着技术的不断发展，气体雾化技术将为工程师提供更强的能力，以创新的方式制造高性能部件。

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