金属雾化是一种用于生产各种用途的精细金属粉末的工艺。它包括熔化金属，然后利用气体或离心力将其破碎成细小的液滴。液滴迅速凝固成粉末颗粒。 金属雾化系统 是用于在工业规模上有效实施这一工艺的设备。
金属雾化系统概述
金属雾化系统由金属熔化装置、雾化机构和粉末收集系统组成。主要部件包括
金属熔化装置
- 熔化坩埚
- 感应线圈或电极
- 温度传感器
- 惰性气体密封
雾化机制
- 气体雾化喷嘴
- 用于离心雾化的旋转盘或旋转杯
粉末收集系统
- 旋风分离器
- 袋式除尘器
- 洗涤器和冷凝器
首先利用感应加热或电阻加热将金属装料在坩埚中熔化。然后将熔化的金属导入雾化部分。
在气体雾化中，高压气体喷射到金属流中，将其分解成细小的液滴。在离心雾化中，熔融金属被浇注到一个旋转的圆盘/杯上，在离心力的作用下，熔融金属被径向喷射成液滴。
由于液滴的表面积与体积比很高，因此液滴在通过冷却室时迅速凝固。惰性气体可防止氧化。凝固的粉末颗粒被收集到分离器、过滤器和冷凝器中。
金属雾化系统的类型
使用的雾化机制主要有两种：
气体雾化
- 使用高压惰性气体喷射器
- 可制造细至 10 微米的粉末
- 氮气、氩气用作雾化气体
离心雾化
- 使用旋转杯或旋转盘
- 可制造 20 微米以上的较粗粉末
- 设计简单，无需处理气体
真空雾化
- 在真空而非惰性气体环境下进行
- 减少粉末对气体的吸收
超声波雾化
- 利用超声波振动产生液滴
- 用于研究规模生产
静电雾化
- 利用电场分解金属流
- 实验技术
金属雾化系统设计
典型气体雾化系统的主要组件包括
表 1：气体雾化系统设计
| 组件 | 详细信息 |
|---|---|
| 熔化装置 | 感应熔化坩埚，容量 50-2000 公斤 |
| 喷嘴组件 | 多个紧密耦合喷嘴，直径 2-5 毫米 |
| 熔体过热 | 注入氮气/氩气使熔体过热 |
| 雾化室 | 水冷式，高度 3-5 米 |
| 燃气供应 | 氮气/氩气，50-100 巴压力 |
| 旋风分离器 | 多个串联旋风分离器用于收集粉末 |
| 最终过滤器 | 袋式除尘器、筒式过滤器 |
喷嘴的设计和数量对于实现所需的细粉粒度分布非常重要。雾化室的高度可使液滴在收集前有足够的时间凝固。
氮气或氩气等高级工业气体由压缩气瓶或现场发生器提供。它们的压力和流量决定了液滴的大小。
金属雾化系统规格
工业规模气体雾化系统的典型规格为
表 2：金属雾化系统规格
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 生产能力 | 10 公斤/小时至 5000 公斤/小时 |
| 颗粒大小 | 10 - 150 微米 |
| 金属类型 | 镍、铁、钴、铜合金 |
| 熔化温度 | 最高温度 1600 °C |
| 气体压力 | 10 - 100 巴 |
| 冷却率 | 104 - 106 K/s |
| 粉末纯度 | 99.5% |
| 喷嘴设计 | 环形狭缝，离散射流 |
| 雾化气体 | 氮气、氩气 |
生产能力取决于坩埚的大小，从实验室/中试规模的 10 公斤/小时到大规模的 5000 公斤/小时系统不等。雾化的主要是镍、铁和钴合金，但也加工铝、铜合金等其他金属。
气体压力高，冷却速度快，确保了 10-150 微米范围内的微细粉末颗粒。可获得纯度为 99.5% 的粉末。
金属雾化器系统应用
雾化生产的金属粉末的一些主要应用包括
表 3：金属粉末的应用
| 行业 | 应用 |
|---|---|
| 航空航天 | 涡轮叶片、圆盘 |
| 汽车 | 烧结部件、过滤器 |
| 电子产品 | 片式电阻器、导体 |
| 快速成型制造 | 3D 打印粉末 |
| 化学 | 催化剂、颜料 |
| 生物医学 | 植入物、假肢 |
在航空航天工业中，镍和钛合金粉末被用于通过粉末冶金技术生产形状复杂的涡轮叶片和圆盘。汽车工业使用雾化铁粉和钢粉制造齿轮等烧结零件。
在微电子应用中，细铜粉和银粉可用作导体和电阻器。金属粉末是 3D 打印等增材制造方法的原料。
特种合金粉可用作化学催化剂和颜料。多孔不锈钢粉末可用于生物医学领域的骨科植入物。
金属雾化系统的优势
使用金属雾化技术生产粉末的一些好处：
表 4：金属雾化的优势
| 益处 | 详细信息 |
|---|---|
| 更细的粉末 | 微米到纳米尺寸 |
| 尺寸分布窄 | 精确控制颗粒大小 |
| 高纯度 | 避免铣削污染 |
| 降低成本 | 比机械研磨便宜 |
| 成分控制 | 可在熔体中进行合金化 |
| 球形颗粒 | 良好的流动性 |
| 多用途 | 雾化多种合金 |
与机械研磨相比，气体雾化和离心雾化可以生产出更细的金属粉末，最小可达 10 微米。粒度分布更窄，控制效果更好。
由于不涉及研磨介质，粉末纯度更高。资本和运营成本均低于机械研磨。
合金元素可在坩埚中添加，从而使粉末成分具有灵活性。球形粉末颗粒具有良好的流动性，对模具填充非常重要。
只要工艺参数控制得当，从镍钛诺到铬镍铁合金，几乎所有合金都可以雾化。
金属雾化的局限性
金属雾化系统的一些缺点是
表 5：金属雾化的局限性
| 缺点 | 详细信息 |
|---|---|
| 高熔点 | 仅限于低熔点金属 |
| 反应金属 | 难以雾化钛、铝等活性金属 |
| 气体拾取 | 吸收的气体影响粉末质量 |
| 卫星粒子 | 形成了一些较大的不规则颗粒 |
| 资本成本高 | 大型系统需要大量投资 |
由于坩埚的限制，钨、钼等熔点超过 1800°C 的金属很难雾化。钛、铝等反应性金属需要真空或惰性气氛。
雾化过程中吸收的气体会影响粉末的特性。雾化过程中还会形成一些不规则形状的卫星颗粒和球形颗粒。
大型金属雾化系统需要超过 $2 百万美元的重大资本投资。运行成本也相对较高。
金属雾化系统供应商
全球领先的金属雾化设备供应商有
表 6：金属雾化系统供应商
| 公司名称 | 地点 | 规模 |
|---|---|---|
| 凤凰科学 | 美国洛克伍德 | 实验室到工业 |
| 制作金属粉末 | 英国曼彻斯特 | 实验室到工业 |
| ASK 化学品公司 | 德国希尔登 | 实验室到工业 |
| ZenniZ | 俄罗斯莫斯科 | 工业 |
| ALD 真空 | 德国哈瑙 | 工业 |
这些公司提供气体、离心、真空雾化系统，从实验室/中试规模的 5 公斤/小时到大规模的 2000 公斤/小时不等。还提供带有熔化、雾化和粉末处理装置的交钥匙系统。
根据容量和功能，雾化系统的价格从实验室设备的 $100,000 到工业设备的超过 $200 万不等。地点、税收、运输等因素也会影响价格。
安装金属雾化系统
安装金属雾化系统的关键步骤有
表 7：金属雾化器的安装
| 舞台 | 行动 |
|---|---|
| 场地准备 | 平整混凝土地面，安装公用设施 |
| 装配 | 组装坩埚、喷嘴部分等子单元 |
| 连接 | 连接气管、冷却水和管道 |
| 调试 | 空载试运行、泄漏检查、低容量试运行 |
| 安全检查 | 安装紧急停止装置、灭火装置和警报器 |
| 人员培训 | 对员工进行系统操作和维护培训 |
设备很重，因此场地需要有平整、无振动的混凝土地面。还需要连接冷却水、惰性气体和排气管道等公用设施。
然后，在实际热调试之前，对系统进行组装、校准、泄漏测试和初始空运行。用于紧急停机、防火或熔体泄漏的安全系统必须正常运行。
供应商对操作人员进行全面培训对顺利运行至关重要。
操作和维护金属雾化器
操作金属雾化系统的主要方面包括
表 8：金属雾化器的操作
| 活动 | 详细信息 |
|---|---|
| 原材料处理 | 使用适当的手套和金属装料容器 |
| 坩埚清洗 | 通过研磨、酸洗去除残渣和熔渣 |
| 坩埚内衬 | 检查衬里，根据需要重涂/更换 |
| 工艺参数 | 保持适当的温度、压力和流量 |
| 喷嘴状态 | 检查喷嘴是否磨损、堵塞 |
| 粉末处理 | 确保有适当的容器和转移程序 |
| 设备检查 | 检查密封件、连接器和安全系统 |
| 维护 | 安排预防性维护和维修 |
在处理未加工的金属块时应使用适当的防护装备，以避免污染。熔化坩埚需要定期清洁和内衬耐火材料维护。
对温度、压力和气体流量等工艺参数进行仔细监控非常重要。喷嘴，尤其是用于气体雾化的喷嘴，需要定期检查和更换。
生产出的细粉末需要小心处理，以防暴露风险。定期检查有助于发现泄漏和损坏，并确保所有安全系统正常工作。应安排预防性维护，以避免发生故障。
选择金属粉末雾化器供应商
选择金属雾化系统供应商的关键因素：
表 9：选择金属雾化器供应商
| 标准 | 考虑因素 |
|---|---|
| 技术专长 | 经验丰富的专家人员 |
| 设备范围 | 实验室、试验、工业规模系统 |
| 业绩记录 | 相关案例研究、客户名单 |
| 定制 | 灵活满足具体要求 |
| 售后服务 | 安装支持、维护合同 |
| 价格 | 适合预算的引语 |
| 可靠性 | 制造质量和经过验证的性能 |
| 安全 | 符合所有行业安全规范 |
| 认证 | ISO 或其他质量认证 |
寻找在热喷涂或粉末冶金行业拥有专业知识的老牌公司。他们应提供从实验室原型到大规模生产的全系列雾化器。
索取与您的具体应用相关的客户参考资料和案例研究。针对您的产能需求和粉末特性寻求定制解决方案。
评估售后服务支持，如安装监督、操作员培训、维护合同等。考虑价格，但优先考虑性能、安全性和可靠性。
结论
金属雾化是利用各种合金生产清洁球形精细金属粉末的高效工艺，可用于航空航天、汽车、快速成型制造和其他行业的先进应用。
气体和离心雾化系统由金属熔化、液滴形成和粉末收集子单元组成。要获得所需的颗粒尺寸和粉末特性，必须进行精心设计。
领先的供应商可提供从小型到大型的标准和定制雾化系统，并提供适当的售后支持。选择合适的供应商并遵循良好的操作规范，可确保系统顺利运行并最大限度地提高粉末产量。
常见问题
问：金属雾化系统的典型容量范围是多少？
答：金属雾化系统的生产能力从实验室/中试规模的 10 公斤/小时到大批量工业生产的 5000 公斤/小时不等。也可提供高达 10,000 公斤/小时的更大产能。
问：哪些行业通常使用金属雾化技术？
答：使用金属雾化技术的主要行业包括航空航天、汽车、快速成型制造、粉末冶金、电子和化工行业。精细的球形粉末用于制造关键部件。
问：粉末粒度可以做到多细？
答：在气体雾化中，通过对喷嘴、气体压力和流速的优化设计，可实现小至 10 微米的粉末粒度。离心雾化通常能制造出 20 微米以上的较粗粉末。
问：哪些金属可以雾化？
答：熔点低于 1800°C 的大多数工程金属都可以雾化。常见的例子有镍、铁、钴和钛合金。铝和镁等一些活性金属也可以在受控条件下进行雾化。
问：气体雾化中使用哪些气体？
答：氮气和氩气因其惰性和可用性而被广泛使用。有时也使用氧气或空气，但会污染粉末。
问：雾化系统的运行成本如何？
答：运行成本高于机械研磨，因为需要持续供应高压气体。此外，感应加热和坩埚/喷嘴维护所需的电能也增加了成本。
问：需要注意哪些安全方面？
答： 高温金属熔体、压力下的惰性气体、细小的可燃粉末都需要小心处理，并配备防火、防爆安全系统。必须对操作人员进行适当的培训。
问：设备需要哪些维护？
答：喷嘴检查和更换、坩埚修理/更换、泄漏检查、清洁空气过滤器是典型的维护任务。定期的预防性维护可最大限度地减少故障。
问：金属合金可以雾化吗？
答：是的，只要在熔化坩埚中按精确比例加入铬、铝、钛等合金元素，就能轻松雾化金属合金，从而获得所需的成分。
问：金属雾化可以小规模进行吗？
答：是的，供应商可提供实验室规模的雾化器，熔化坩埚容量为 1-5 公斤，用于研发等小批量粉末生产。但每公斤的操作成本较高。