概述
雾化金属 是指通过雾化工艺生产的金属粉末，即熔融金属被分解成细小液滴并迅速冷却形成粉末的过程。雾化工艺可以精确控制粉末的粒度、形态和微观结构。
雾化金属粉末应用广泛，包括制造、3D 打印和表面涂层。雾化金属粉末具有纯度高、一致性好以及可开发特种合金等优点。最常见的雾化金属包括铝、铜、铁、镍和钛。
本指南详细介绍了雾化金属粉末的类型、特点、应用、规格、供应商、安装、操作、维护等内容。旨在帮助读者了解雾化金属粉末技术，并在选择雾化金属粉末时做出明智的选择。
雾化金属的类型
雾化金属粉末主要有两种类型：
空气雾化金属
在空气雾化中，熔融金属流被高压空气或惰性气体破碎成液滴。空气雾化粉末呈球形，表面光滑。它们适用于需要良好流动性的应用。
水雾化金属
在水雾化过程中，熔融金属被高压水射流分解。水雾化粉末形状不规则，表面质地粗糙。它们具有更高的可压缩性，是压制应用的首选。
下表总结了空气雾化金属粉末和水雾化金属粉末的主要区别：
| 参数 | 空气雾化 | 雾化水 |
|---|---|---|
| 粒子形状 | 球形 | 不规则、参差不齐 |
| 表面纹理 | 光滑 | 粗糙 |
| 流动性 | 优秀 | 中度 |
| 表观密度 | 2 - 3.5 克/立方厘米 | 3 - 4 克/立方厘米 |
| 压缩性 | 中度 | 高 |
| 生产率 | 较低 | 更高 |
| 费用 | 更高 | 较低 |
雾化金属粉末的特性
决定雾化金属粉末质量和性能的主要特征包括
颗粒大小 - 粒度分布决定了包装密度、流动性和表面积。严格控制粒度可提高产品的一致性。
形态学 - 颗粒形状会影响密度、压实和烧结。球形颗粒具有更好的流动性，而不规则形状的颗粒则具有更高的生坯强度。
纯净 - 高纯度对于关键应用至关重要。使用低污染的原材料可以最大限度地减少杂质。
氧气含量 - 较低的氧含量可降低粉末的反应性，改善最终材料的性能。水雾化粉末的含氧量往往较高。
表观密度 - 密度越高，流量和处理效率就越高。典型值为 25% 至 60% 的理论密度。
流动性 - 良好的粉末流动性可确保成型、填充和包装自动化流程的可靠性。这取决于粒度、形状和表面粗糙度等参数。
压缩性 - 可压缩性决定了压制部件在烧结前的生坯强度。不规则的颗粒形状可提高互锁性和生坯强度。
通过雾化过程仔细控制这些粉末特性对于实现可重复的高性能至关重要。
雾化金属粉末的应用
雾化金属粉末具有独特的优点，可广泛应用于各个行业和应用领域。一些主要应用领域包括
金属快速成型制造
这也被称为金属 3D 打印，它是用粉末材料逐层制造金属部件。最好使用粒度分布可控的细球形粉末，以便在铺展过程中顺畅流动和堆积。常见的材料包括钛、铝、镍合金和工具钢。
粉末冶金
雾化粉末在高压下压缩成 "绿色 "部件，然后烧结成成品部件。不规则形状的粉末颗粒具有更好的可压缩性。复杂几何形状的部件可以接近净形制造，最大限度地减少材料浪费。
表面涂层
等离子喷涂等热喷涂技术将熔融或半熔融粉末沉积到表面，形成保护性或功能性涂层。更细的球形粉末可提高涂层密度和结合强度。耐磨和耐腐蚀涂层是常用的涂层。
金属注射成型 (MIM)
该技术将注塑成型与粉末冶金相结合，制造出小型、复杂、网状的金属零件。为实现无缺陷的模具填充，需要具有特定粒度和粘合剂的平滑流动粉末。
钎焊和焊接
雾化粉末预型件可实现复杂部件的冶金连接。尺寸可控的光滑粉末可确保最佳的预型件制造效果。钎焊填充金属包括铝、银和铜。
摩擦材料
雾化金属粉末是刹车片和其他应用中的摩擦改进剂。与非石棉有机配方相比，添加铜、铁和黄铜粉末可提高摩擦和耐磨性。
雾化金属粉末的规格
雾化金属粉末必须符合根据制造工艺和最终用途要求定制的严格规格。典型的粉末规格概述如下：
粒径分布
| 参数 | 典型范围 |
|---|---|
| D10 | 10 - 45 μm |
| D50 | 20 - 75 μm |
| D90 | 40 - 150 μm |
D10、D50、D90 分别指样品中 10%、50% 和 90% 以下的粉末粒度。更紧密的分布可提高密度和性能。
形态学
- 形状 - 球形、不规则
- 表面纹理 - 平滑、粗糙
- 卫星 - 重量小于 5%
纯净
- 氧气 - <1000 ppm
- 氮 - <100 ppm
- 碳 - <1000 ppm
- 其他杂质 - 特定元素
表观密度
- 粉末抽头密度 - 通常为理论密度的 40-60%
- 浇注密度 - 理论密度的 25-40%
符合粉末规格对于重复加工和最终产品质量至关重要。信誉良好的供应商会提供全面的分析证书。
雾化金属粉末供应商
许多公司专门生产雾化金属粉末，以满足各种不同的应用需求。一些领先的全球供应商包括
雾化系统有限公司
- 总部 - 英国谢菲尔德
- 材料 - 铝、铜、铁、镍
- 产能 - 4000 吨/年
- 服务于 AM 和热喷涂市场
山特维克鹗
- 总部 - 英国尼思
- 材料 - 钛、铝、钢、超级合金
- 产能 - 每年 14,000 吨
- 面向 AM 行业的大型产品组合
Höganäs AB
- 总部 - 瑞典赫加纳斯
- 材料 - 铁、铜、铝合金
- 产能 - 300,000 吨/年
- 关注汽车行业
ATI 粉末金属公司
- 总部 - 美国匹兹堡
- 材料 - 钛、镍、铝、铁合金
- 产能 - 每年 15,000 吨
- 快速成型制造的领先供应商
三菱综合材料株式会社
- 总部 - 日本东京
- 材料 - 铜、镍、硬质合金
- 产能 - 8000 吨/年
- 在亚洲市场的强大影响力
价格因材料、纯度、粒度和购买量的不同而有很大差异。普通金属的价格为每公斤 $20-100，特种合金的价格为每公斤 $100-500。
雾化金属粉末系统的安装
安装处理雾化金属粉末的设备需要注意安全、清洁和可靠性。以下是一些主要考虑因素：
遏制
- 使用密封容器储存和运输
- 通过封闭式输送机和转运装置尽量减少露天搬运
- 集成手套箱、RTP 防护罩，用于人工操作
- 使用袋式除尘器或旋风除尘器进行除尘
防爆
- 确保电气设备正确接地和连接
- 安装火花探测和抑制系统
- 避免危险区域的潜在火源
清洁
- 系统内表面应光滑，便于清洁
- 包括必要时用惰性气体吹扫的规定
- 制定日常清洁和维护程序
材料处理
- 选择与粉末流动特性相适应的设备
- 考虑振动给料机、旋转阀、真空输送
- 确保最佳的粉末流动性，不会出现鼠结或架桥现象
按照供应商的建议进行正确安装是最大限度提高设备效率和安全性的关键。
雾化金属粉末系统的运行
金属粉末处理系统的高效运行需要对人员进行程序和安全操作方面的培训。主要内容包括
- 穿戴适当的个人防护设备 - 呼吸器、手套、安全眼镜
- 避免粉末溢出，尽量减少粉尘
- 请勿在负载情况下打开设备
- 在进行维护干预之前，要遵循清洗顺序
- 进行定期检查和泄漏检查
- 保持最佳流量和预设压力/真空度
- 必要时监测氧气和湿度水平
- 安全储存粉末样品，以便进行质量检查
- 保存处理参数的详细日志
- 遵守建议的预防性维护计划
制定 SOP 和检查表有助于工作人员始终如一地安全执行关键任务。对关键参数进行数字监控也能提高可靠性。
雾化金属粉末系统的维护
定期维护可保持粉末处理系统长期可靠运行。维护计划的主要方面包括
检查
- 定期检查软管、密封件是否有泄漏和裂缝
- 检查螺钉、电机、轴承和皮带是否损坏
- 检查仪表、传感器和探测器是否正常工作
清洁
- 按照计划对设备内部进行深度清洁
- 清除积粉，防止出现流动问题
- 清洁过滤器，以保持空气质量并避免产生火花
校准
- 按计划校准流量计和压力传感器
- 确认送粉器的设置与速率相匹配
- 检查料斗上的称重传感器，确保液位准确
更换
- 根据需要更换磨损的料斗衬垫和螺钉
- 大修或更换老化的给料机和阀门
- 常备易损件
文件
- 记录所有已进行的维护和修理
- 跟踪设备运行时间/周期
- 根据需要更新程序
有效的维护可确保粉末系统安全、高效地运行。
选择雾化金属粉末供应商
选择可靠的雾化金属粉末供应商对生产运营至关重要。以下是评估供应商时的主要考虑因素：
粉末质量
- 严格控制粒度分布
- 一致的球形形态
- 氧气/氮气含量低
- 严格的质量控制标准
技术专长
- 为应用量身定制的体验
- 雾化工艺知识
- 开发定制合金的能力
生产能力
- 有足够的能力满足需求
- 保证供应连续性的备用方案
- 适应增长的可扩展性
测试和认证
- 综合分析测试
- 详细的分析证书
- 符合行业标准的资格
客户服务
- 对询问的回应
- 关于最佳产品匹配的指导
- 灵活定制
在评估价格以外的因素时，可以选择最有能力提供长期绩效和合作伙伴关系的供应商。
雾化金属粉末的优缺点
优点
- 纯度高，氧化物含量低
- 一致的粒度分布
- 球形设计带来良好的流动性
- 可制作小于 100 μm 的小特征
- 近净成形能力，最大限度地减少浪费
- 与初级金属生产相比，减少能源消耗和排放
- 可回收利用，回收昂贵的合金
缺点
- 复杂的加工工艺导致生产成本高昂
- 尺寸和数量有限
- 需要封闭处理系统
- 粉末床的导热性较低
- 需要缓解粉尘爆炸等安全问题
- 通常需要进行后期处理才能实现特性
了解雾化金属粉末的优点和局限性有助于确定利用雾化金属粉末的最佳机会。
雾化金属粉末的未来展望
随着增材制造等应用的不断普及，雾化金属粉末市场预计将出现强劲增长。
塑造未来的主要趋势包括
- 利用雾化技术开发新型特种合金
- 更严格的粒度控制和定制分布
- 具有成分梯度的多金属粉末
- 粉末回收系统和服务获得认可
- 增强自动化和流程监控
- 供应商之间进行更多的行业整合
- 产量增加，价格下降
- 拓展生物医学等新兴应用领域
雾化技术的进步将使金属粉末的使用范围不断扩大，从而释放出新的几何形状和材料性能。
常见问题
问：雾化金属粉末和球形金属粉末有什么区别？
答：球形粉末是指颗粒形状接近完美的球体。雾化粉末可以是球形的，也可以是不规则的，这取决于生产方法。因此，所有雾化粉末都不是球形的，但球形粉末是通过雾化生产出来的。
问：预合金化粉末和母合金雾化粉末有何不同？
答：预合金粉末由合金熔体制成，因此每个颗粒的成分都是均匀一致的。母合金粉末含有高比例的合金元素，可与基粉混合，以获得最终的化学成分。
问：处理雾化金属粉末时需要采取哪些安全措施？
答： 处理雾化粉末时的主要预防措施包括配备适当的个人防护设备、尽量减少粉尘、适当接地、火源控制、惰性净化和防爆系统。人员的适当培训至关重要。
问：雾化粉末的晶粒尺寸与传统合金相比如何？
答：由于凝固速度快，雾化粉末的晶粒尺寸比传统合金细得多，通常只有几微米或更小。这就导致了不同的特性。
问：常见雾化金属粉末的保质期多长？
答：如果在湿度可控的情况下在密封容器中妥善存放，大多数雾化粉末可在 12-24 个月内不会发生明显氧化。对湿度敏感的粉末保质期较短，为 6-12 个月。
问：雾化粉末中颗粒的典型尺寸范围是多少？
答：雾化粉末的尺寸范围很广，从 1 微米到 1000 微米不等。但为了获得良好的流动性和包装特性，用于生产的主要部分通常为 10-150 微米。
问：如何回收雾化金属粉末？
答：雾化废料和粉末在受控气氛下重熔，以避免氧化。然后再利用回收的合金生产新的粉末原料。有些工艺允许直接重复使用粉末。
问：惰性气体雾化粉末与空气雾化粉末相比有何优势？
答：使用氩气或氮气进行惰性气体雾化可降低氧气吸入量。这可以提高粉末的反应性，从而获得更高的性能，因此是钛合金等活性材料的首选。
问：如何确定粉末是空气雾化的还是水雾化的？
答：空气雾化的粉末呈球形，表面光滑，而水雾化的颗粒形状更不规则，表面纹理更粗糙。此外，水雾化粉末往往含氧量较高。