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
| 方法 | 说明 | 优势 | 局限性 |
|---|---|---|---|
| 近耦合雾化 | 喷嘴靠近熔体倾点 | 设计紧凑，减少气体用量 | 喷嘴可能造成熔体污染 |
| 自由落体雾化 | 喷嘴位于倾点以下 | 减少熔体污染 | 需要更高的雾化塔 |
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
| 喷嘴 | 说明 | 气体流动模式 | 液滴大小 |
|---|---|---|---|
| 德拉瓦尔 | 聚散喷嘴 | 超音速 | 规模大、分布广 |
| 锥形 | 简单的锥形孔 | 声波 | 中型 |
| 狭缝 | 拉长的狭缝孔口 | 声波 | 小型 |
| 多个 | 微型喷嘴阵列 | 音速/超音速 | 非常小，分布范围窄 |
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
| 参数 | 典型范围 | 对粉末的影响 |
|---|---|---|
| 气体压力 | 2-10 兆帕 | 增加压力可减小颗粒尺寸 |
| 气体流速 | 300-1200 米/秒 | 速度越快，颗粒越细 |
| 气体流速 | 0.5-4 立方米/分钟 | 增加流量，以提高产量和细化尺寸 |
| 熔体过热度 | 150-400°C | 更高的过热度可减少卫星并改善粉末流动性 |
| 熔体浇注率 | 10-150 公斤/分钟 | 降低浇注率可改善粒度分布 |
| 熔流直径 | 3-8 毫米 | 更大的数据流可实现更高的吞吐量 |
| 分离距离 | 0.3-1 m | 更远的距离可减少卫星内容 |
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
| 特征 | 说明 | 重要意义 |
|---|---|---|
| 颗粒形态 | 高度球形 | 优异的流动性和包装密度 |
| 粒径分布 | 可在 10-150 μm 范围内调节 | 控制压制密度和烧结行为 |
| 粒度范围 | 可实现紧密分布 | 提供统一的组件属性 |
| 化学纯度 | 通常>99.5%，不包括计划合金 | 避免喷嘴反应造成污染 |
| 氧气含量 | <1000 ppm | 对高性能合金至关重要 |
| 表观密度 | 理论功率高达 60% | 压力和处理的指标 |
| 内部孔隙率 | 非常低 | 良好的微观结构均匀性 |
| 表面形态 | 与一些卫星平稳连接 | 表示工艺稳定性 |
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
| 标准 | 材料 | 参数 | 测试方法 |
|---|---|---|---|
| ASTM B964 | 钛合金 | 粒度、化学、微观结构 | X 射线衍射、显微镜 |
| AMS 4992 | 航空航天钛合金 | 粒径、含氧量 | 筛分分析、惰性气体融合 |
| ASTM B823 | 工具钢粉末 | 表观密度、流速 | 霍尔流量计、斯科特体积流量计 |
| SAE AMS 5050 | 镍合金 | 颗粒大小、形态 | 激光衍射、扫描电子显微镜 |
| MPIF 04 | 许多标准合金 | 表观密度、流速 | 霍尔流量计，攻丝密度 |
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
| 公司名称 | 材料 | 能力 |
|---|---|---|
| ATI 粉末金属公司 | 钛、镍、工具钢合金 | 合金范围广，产量高 |
| 普莱克斯表面技术公司 | 钛、镍、钴合金 | 广泛的合金选择，收费加工 |
| 山特维克鹗 | 不锈钢、低合金钢 | 黑色金属材料专家 |
| 赫加纳斯 | 工具钢、不锈钢 | 定制合金、增材制造粉末 |
| 木匠添加剂 | 钛、镍、钴合金 | 定制合金、特殊粒度 |
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
| 优势 | 局限性 |
|---|---|
| 球形粉末形态 | 前期资本成本较高 |
| 可控粒度分布 | 需要高纯度惰性气体 |
| 适用于多种合金系统 | 难熔合金难以雾化 |
| 清洁粉末化学和微观结构 | 可能出现喷嘴侵蚀 |
| 快速粉末淬火可保留蜕变相 | 要求熔体过热度远高于液相温度 |
| 连续粉末生产工艺 | 粉末形状限制了绿色强度 |
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。