金属雾化 是一种将金属合金制成细粉的制造工艺。它包括熔化金属，并利用气体或水雾化将其分解成液滴。液滴迅速凝固成具有定制尺寸范围的粉末颗粒。
金属雾化粉末具有独特的性能，广泛应用于汽车、航空航天、生物医学、3D 打印等行业。本文全面介绍了金属雾化设备。
金属雾化工艺概述
金属雾化利用物理过程生产精细金属粉末，可精确控制颗粒大小、形态和微观结构。以下是金属雾化工艺的主要方面：
表 1：金属雾化工艺概述
| 参数 | 详细信息 |
|---|---|
| 方法 | 气体雾化、水雾化 |
| 金属输入 | 铁、镍、钴、铜、铝合金等。 |
| 融化 | 感应熔化、电弧熔化、电子束熔化 |
| 雾化 | 高压气体或水将熔融金属破碎成液滴 |
| 固化 | 快速冷却产生细粉 |
| 颗粒大小 | 从 10 微米到 250 微米 |
| 粒子形状 | 球形、卫星形、不规则形 |
| 应用 | 金属注射成型、快速成型制造、热喷涂粉末 |
首先将金属丝或金属锭形式的金属合金送入熔化装置。然后将熔池置于高速气体或水射流中，使其破碎成金属液滴。随着液滴的快速冷却，它们凝固成细小的球形粉末颗粒。
通过控制气体压力、熔体流速和冷却速度等工艺参数，可以定制粉末的流动性、密度、尺寸范围、形态和微观结构。
金属雾化设备类型
使用的雾化设备主要有两种：气体雾化和水雾化。
表 2：气体雾化与水雾化的比较
| 参数 | 气体雾化 | 水雾化 |
|---|---|---|
| 雾化介质 | 氮气、氩气 | 水 |
| 压力范围 | 5 - 50 巴 | 2000 - 4000 巴 |
| 颗粒大小 | 10 - 150 微米 | 60 - 250 微米 |
| 粒子形状 | 更多球形 | 更多违规 |
| 生产率 | 较低 | 更高 |
| 合金 | 大多数合金 | 有限合金 |
| 费用 | 设备成本较高 | 降低设备成本 |
气体雾化
氮气或氩气等惰性气体的压力为 5-50 巴，可产生超音速射流，雾化熔点高达 3000°C 的合金。较低的气体流速可产生更多球形粉末。通过气体雾化，可以获得 10-150 微米的细小颗粒。
这是一种多功能工艺，适用于大多数合金，包括钛、铝、镁等活性合金和金属复合材料。不过，与水雾化相比，其生产率较低。
水雾化
在水雾化工艺中，使用 2000-4000 巴的压力形成高速水射流，可雾化熔点较低的金属。这是一种产量较高的工艺，每小时可生产数千磅粉末。
粉末的形状更不规则，氧气吸附性更高。更常见的粒度为 60-250 微米。这种工艺不适合活性合金。
金属雾化系统设计
一套完整的金属雾化系统由多个子系统组成，分别用于材料处理、熔化、雾化和粉末加工。
表 3：金属雾化设备中的子系统
| 子系统 | 角色 | 所用设备 |
|---|---|---|
| 材料处理 | 原料储存和供应 | 料斗、输送机、喂料机 |
| 融化 | 将金属合金熔化成均匀液体 | 感应炉、电弧熔化炉、电子束熔化 |
| 雾化 | 将熔体分解成细小的液滴 | 雾化室，气体/水喷嘴 |
| 粉末处理 | 分离、冷却、收集和储存 | 旋风分离器、筛分机、输送机、料仓 |
设计金属雾化系统的关键因素包括
- 控制温度、气体/水压力、流速等工艺参数
- 雾化前尽量减少熔体湍流
- 喷嘴设计和气体/水射流的均匀分布
- 控制冷却速度以获得理想的粉末微观结构
- 从雾化介质中高效分离粉末
- 控制细小粉末并将危害降至最低
- 通过实验室测试和取样点进行质量控制
金属雾化设备规格
从实验室规模到高产量模型，不同容量系统的技术规格各不相同。
表 4：金属雾化设备的典型规格
| 参数 | 典型范围 |
|---|---|
| 容量 | 1 公斤/小时至 5000 公斤/小时 |
| 熔化装置功率 | 10 千瓦至 1 兆瓦 |
| 温度 | 500°C 至 2000°C |
| 压力 | 5 巴至 4000 巴 |
| 喷嘴尺寸 | 0.5 毫米至 5 毫米 |
| 喷嘴材料 | 碳化钨、碳化硅 |
| 粉末大小 | 10 μm 至 250 μm |
| 附文 | 不锈钢、合金钢 |
| 高度 | 2 米至 10 米 |
| 足迹 | 2 米 x 2 米至 10 米 x 4 米 |
| 控制系统 | PLC, SCADA |
从实验室模型到工业生产系统，容量、额定压力、温度范围和占地面积都在增加。需要高精度控制装置来监控和调节关键工艺参数。
金属雾化设备设计标准
设备制造商遵循关键部件的设计规范和标准，以确保运行安全可靠。
表 5：金属雾化设备的相关标准
| 组件 | 适用标准 |
|---|---|
| 压力容器 | ASME SEC VIII Div 1、EN 13445、PD 5500 |
| 管道 | ASME B31.3、ANSI B16.5 |
| 粉末处理 | NFPA 654、EN 14460 |
| 喷嘴 | ASME MFC-7M |
| 控制装置 | IEC 61131、NFPA 79 |
| 结构 | AISC 360, EN 1993 |
| 材料构成 | ASTM、DIN、BS、USN、EN |
必须遵守与压力设备、可燃粉尘、控制、材料和结构制造相关的标准。供应商需要有质量体系和规范印章，如 ASME U 或 CE 标志。
金属雾化粉的应用
金属雾化粉末的独特性能使其适用于一些关键应用领域：
表 6：金属雾化粉的主要应用
| 应用 | 所用合金 | 益处 |
|---|---|---|
| 金属注射成型 | 不锈钢、工具钢、铜 | 高精度复杂部件 |
| 快速成型制造 | 钛、铝、镍合金 | 定制合金，减少浪费 |
| 热喷涂涂层 | 钼、铜、铁合金 | 磨损和腐蚀防护 |
| 粉末冶金 | 铁、钨重合金 | 多孔部件、磁铁 |
| 航空航天 | 镍超合金 | 高强度发动机部件 |
| 生物医学 | 钛、钴铬 | 关节置换植入物 |
微观结构和颗粒形状会影响零件制造过程中的可压缩性、流动性、致密性和烧结反应。具有球形形态的气体雾化粉末性能最佳。
金属雾化设备制造商
全球领先的大中小型金属雾化设备制造商有
表 7：著名的金属雾化设备制造商
| 公司名称 | 地点 | 能力 |
|---|---|---|
| PSI | 德国 | 实验室、中试、生产规模 |
| EIG | 美国 | 小容量到大容量 |
| ALD 真空技术 | 德国 | 小型实验室单元 |
| TLS 技术有限公司 | 德国 | 中等容量 |
| 山特维克材料技术 | 瑞典 | 大型生产系统 |
声誉卓著的制造商在为不同合金组和粉末要求设计定制系统方面拥有数十年的经验。他们还提供筛子、磨机、金相测试仪等辅助设备。
表 8：标准金属雾化设备型号的价格范围
| 容量 | 价格范围 |
|---|---|
| 实验室刻度（1-5 公斤/小时） | $100,000 至 $250,000 |
| 中试规模（10-50 公斤/小时） | 1TP450万至1TP450万 |
| 生产规模（200 公斤/小时以上） | $2 百万至 $5 百万 |
具有多雾化流、更大的熔化/加热装置、高端控制和粉末处理系统的大型生产能力成本更高。地点和具体要求也会影响价格。
如何选择金属雾化设备供应商
选择金属雾化设备供应商时应考虑的重要因素：
表 9：金属雾化设备供应商的选择标准
| 参数 | 详细信息 |
|---|---|
| 经验 | 经营年限，已交付的设备数量 |
| 能力 | 员工专长、技术组合、研发设施 |
| 灵活性 | 根据产品要求进行定制 |
| 符合标准 | ISO 等认证、行业标准 |
| 售后服务 | 安装支持、培训、维护合同 |
| 费用 | 定价模式、总体拥有成本 |
| 送货 | 准备时间、运输、场地准备 |
| 地点 | 就近提供支持 |
寻找在不同金属、鳞片和粉末规格方面拥有成熟专业知识的企业。确保他们能根据您的需求提供灵活的解决方案。在购买前审查维护成本、备件供应和保修。
安装金属雾化系统
金属雾化设备需要精心的现场规划和安装。以下是一些关键准则：
表 10：金属雾化设备安装检查表
| 活动 | 详细信息 |
|---|---|
| 场地规划 | 确保有足够的空间、公用设施和二级安全壳 |
| 土木工程 | 混凝土地基、墙壁、排水工程 |
| 装配 | 按照图纸组装子系统 |
| 公用设施 | 电气、工艺用水和惰性气体管道 |
| 通风 | 排烟、HEPA 过滤 |
| 调试 | 干湿测试、粉末试运行 |
| 安全 | 集成安全联锁、警报器 |
| 文件 | 操作手册、P&ID 图纸、检验报告 |
| 操作员培训 | 课堂和实践培训 |
适当的公用设施、安全系统、密封结构和操作员培训有助于确保顺利启动和安全运行。供应商在安装和调试期间提供技术支持。
如何操作金属雾化系统
稳定的粉末质量取决于按照标准程序稳定运行：
表 11：金属雾化设备操作指南
| 活动 | 说明 |
|---|---|
| 启动 | 启动公用设施，运行清洗循环，预热喷嘴 |
| 融化 | 给原料加料，留出足够的熔体浸泡时间 |
| 雾化 | 将燃气/水阀打开至额定压力 |
| 监测 | 观察喷嘴喷雾模式，调整参数 |
| 关闭 | 停止雾化，待熔体凝固后再排出 |
| 粉末处理 | 小心处理热粉末，避免空气进入 |
| 维护 | 检查易损件，维护备件库存 |
| 安全 | 确保联锁和通风系统正常工作 |
| 质量检查 | 取样进行粒度分析、形态分析和化学分析 |
需要对温度、压力、水流/气流等工艺变量进行持续监控。需要严格遵守维护计划和标准操作程序。
金属雾化设备的维护要求
日常维护对于最大限度地延长设备寿命和提高设备性能至关重要。
表 12：金属雾化设备维护检查表
| 子系统 | 维护活动 | 频率 |
|---|---|---|
| 熔化装置 | 检查感应线圈、充电材料、绝缘材料 | 每月 |
| 喷嘴 | 检查喷嘴状况，更换喷嘴 | 500 个循环 |
| 雾化室 | 检查耐火材料状况 | 6 个月 |
| 煤气管道 | 检查泄漏、流量校准 | 3 个月 |
| 水管 | 检查密封件、阀门和泵 | 每月 |
| 控制装置 | 校准传感器，测试联锁装置 | 3 个月 |
| 排烟 | 检查过滤器、管道 | 每周 |
| 粉末处理 | 检查料箱、密封件和垫圈 | 每周 |
感应线圈、喷嘴、垫圈等关键消耗品备件需要进行库存规划，以避免停机。最好与供应商签订年度维护合同。
金属雾化的优势和局限性
表 13：金属雾化工艺的优势和局限性
| 优势 | 局限性 |
|---|---|
| 精确控制颗粒大小和形态 | 更高的资本和运营成本 |
| 可定制合金和微结构 | 小型设备的生产率有限 |
| 所需熔体过热度最低 | 反应合金需要惰性气体 |
| 与气体雾化相比，氧化程度更低 | 水雾化不规则粉末形状 |
| 适用于使用惰性气体的活性合金 | 需要辅助粉末处理设备 |
| 用粉末制造近净成型零件 | 细微发火粉末的安全隐患需要采取预防措施 |
尽管成本较高，但该工艺最适用于小批量的专用粉末。处理活性精细金属粉末的安全程序至关重要。较大型的生产模式可为大批量应用提供更好的规模经济效益。
常见问题
问：气体雾化和水雾化有什么区别？
答：与水雾化相比，气体雾化使用惰性气体，压力较低，生产出的粉末颗粒更细、更呈球形，而水雾化使用超高压水，产量较高，但粉末形状不规则。
问：金属雾化可实现多大的粒度？
答：根据不同的方法和操作参数，可生产出 10 微米到 250 微米的粉末。气体雾化可产生 10-100 微米范围内的更细粉末。
问：哪些金属可以雾化成粉末？
答：大多数合金系统，包括钢、铝、钛、镍、钴、铜合金都可以雾化。熔点很高的难熔金属很难雾化。
问：金属雾化设备系统的成本是多少？
答：实验室设备的成本约为 $100,000 美元，大型工业系统的成本则高达几百万美元，具体取决于容量、自动化程度和定制要求。
问：金属雾化需要采取哪些安全预防措施？
答： 主要要求包括通风外壳、惰性气体吹扫循环、安全联锁、用于细微发火金属粉末的适当密封系统以及人员防护设备。
问：是什么决定了雾化粉末的粒度分布？
答：颗粒大小受熔体流速、雾化气体/水压力、喷嘴设计、熔体温度和冷却速度等因素的影响。优化这些参数是获得理想粒度分布的关键。
问：金属雾化粉的主要用途是什么？
答：主要应用领域包括金属注射成型、增材制造（包括三维打印）、热喷涂涂层、粉末冶金压制和烧结、航空航天部件、生物医学植入物。
问：金属雾化设备需要多久维护一次？
答： 建议每隔几个月对气路、水路、喷嘴、感应线圈和安全联锁等子系统进行例行预防性维护，以最大限度地提高性能。消耗品可能需要根据使用情况每几百次更换一次。
结论
金属雾化可将合金转化为细小的球形或不规则粉末，这些粉末具有独特的性能，可满足各行各业苛刻的应用要求。与更大体积的水雾化相比，气体雾化可对颗粒大小和形状进行更精细的控制。
为实现最佳性能，需要对材料处理、熔化、雾化和粉末收集等子系统进行精心设计。信誉良好的供应商可提供从小型研发系统到大型工业设备的定制设备。
在操作金属雾化设备时，正确的安装、安全装置、操作员培训和日常维护对于最大限度地提高产量、效率和安全性至关重要。通过雾化金属粉末，可以制造出高性能部件，而传统的冶金方法很难制造出这种部件。
