金属粉末雾化 是一种粒度减小技术，用于生产具有最佳特性的精细金属粉末，以满足工业应用的需要。该工艺是将熔融金属通过喷嘴分解成均匀的液滴，然后迅速凝固成粉末颗粒。
雾化可以控制粉末粒度分布、形态、纯度以及对金属三维打印、粉末冶金零件制造、金属涂层工艺等高性能至关重要的其他特性。本文全面概述了各种类型的雾化设备、工作原理、设计注意事项、应用、优势和局限性。
金属粉末雾化工艺概述
金属粉末雾化可将散装液态金属转化为具有可控特性的细球形粉末。这是通过气体或液体喷射冲击将熔融金属流分解成细小液滴来实现的。液滴冷却后迅速凝固成粉末颗粒。
这一过程的关键步骤包括
- 金属熔化 - 使用感应炉、电弧熔化或其他技术熔化金属原料。常见的雾化金属包括铝、钛、镍、铁、钴、铜等。
- 熔融金属供应公司 - 液态金属保持在最佳温度，并通过坩埚或泵输送到雾化区。
- 雾化 - 熔融金属流通过与高速气体或液体的相互作用分解成液滴。雾化方法多种多样。
- 粉末系列 - 雾化后的金属粉末冷却后收集起来，用于下游操作。可采用筛分、磁选和退火工艺。
- 粉末表征 - 对粉末的粒度分布、形态、密度、流动性和微观结构进行了分析。
正确控制工艺参数，如金属成分、温度、雾化液速度、雾化器设计等，对于获得理想的粉末特性至关重要。
雾化设备类型
雾化系统可根据用于将熔融金属分解成液滴的介质进行分类：
气体雾化
在气体雾化过程中，高压气体的动能迅速加速金属液流并将其分散成细小的液滴。根据气体输送设计，可将其进一步分为以下几类：
- 压力气体雾化 - 使用近耦合喷嘴将压缩空气或惰性气体侧向输送到液态金属流中。
- 双流体喷嘴气体雾化 - 同轴喷嘴将高速雾化气体引入内部金属输送管周围。
- 多喷嘴气体雾化 - 使用汇聚-发散喷嘴阵列向熔体流喷射超音速气体。
与水雾化粉末相比，气体雾化粉末的粒度更小、形态更均匀、纯度更高。但该工艺能耗高、成本高。
水雾化
在水雾化过程中，熔融金属流受到高压水射流的冲击而分解。形成的液滴尺寸分布更广。与气体雾化相比，水雾化的投资和运行成本更低。
根据设计，可以使用水雾化：
- 近耦合水雾化 - 水射流直接冲击从中间包流出的液态金属。
- 自由落体水雾化 - 熔融金属流由中间包下方的喷水孔拦截。
水雾化粉末的颗粒形状更不规则，分布更广泛，非常适合压制和烧结。但水会带来污染。
离心雾化
在离心雾化过程中，熔融金属被倒入或泵入一个高速旋转的圆盘或杯子中。金属在周边形成一层薄膜，在离心力的作用下分解成细小的液滴。
其优点是设计简单、耗气量低、易于扩大规模。但尺寸范围相对高于气体雾化。用于生产锡、铅、锌等低熔点金属的球形粉末。
超声波气体雾化
将气体雾化与耦合到喷嘴的超声波发生器相结合。高频振动可将金属分解和分散成更细小的液滴，从而获得亚微米级的粉末。
对生成纳米结晶和无定形粉末形态非常有效。但价格昂贵，维护成本高。用于特殊应用。
火花侵蚀雾化
在这种电雾化技术中，熔融金属和电极尖端之间会产生脉冲高电流火花放电，从而产生等离子体，将金属分解成超细球形粉末。
可生产非常精细的高球形金属粉末。但产量低，成本高。主要用于生产金、铂、钯等贵金属。
雾化器组件和设计
雾化器由各种组件组成，可有效地熔化、浇注、雾化、冷却和收集金属粉末。
金属熔化和浇注系统
- 感应炉 - 最常用于熔化钢等金属。可实现良好的温度控制和较低的熔体污染。
- 坩埚 - 用于盛装金属料的耐火陶瓷罐。可在单独的熔炉中加热并手动浇注，或直接装入雾化系统。
- 通迪什 - 中间熔融金属贮槽，用于控制进入雾化部分的浇注速度。
- 落水管 - 精确引导熔融金属流向雾化区。由钨等难熔金属制成，可承受高温。
- 水泵 - 用于控制某些雾化器配置中的压送熔融金属。
雾化部分
- 雾化喷嘴 - 专用的耐高温高压喷嘴，用于产生雾化气体或水柱。
- 喷嘴阵列 - 多个专用喷嘴经过战略定位，可优化液滴形成。
- 纺纱组件 - 离心雾化中使用的盘和杯在电动机的驱动下以非常高的速度旋转 - 10,000 至 50,000 RPM。
- 超声波发生器 - 将电信号转换为喷嘴区域的高频机械振动。用于超声波雾化。
- 电源 - 提供大电流以产生电弧，用于电火花侵蚀雾化。
粉末处理系统
- 旋风分离器 - 利用离心力将细粉从工艺气流或水流中分离出来。
- 袋式过滤器 - 收集旋风分离器无法分离的极细粉末。需要经常更换。
- 筛分分级机 - 使用筛网将粉末分成不同的颗粒。
- 磁性分离器 - 清除粉末中的杂质。
- 输送机 - 在设备之间输送粉末。使用螺旋、皮带和振动输送机。
- 料斗 - 储存粉末，以备进一步加工或包装。
- 真空清洁 - 可清除设备和表面溢出的粉末。
仪表和控制
- 温度传感器 - 监测和控制熔炉/熔体、喷嘴温度以获得最佳雾化效果至关重要。
- 压力传感器 - 监控进入喷嘴的气体和水压力，以保持适当的雾化。
- 流量计 - 测量并控制雾化液和熔体的流速。
- 转速计 - 监控离心雾化盘的转速。
- 液位传感器 - 在关键容器中保持最佳熔化水平。防止溢出。
- 紧急停止 - 在出现任何问题时，需要快速安全地关闭机器。
- 控制系统 - 自动计算机控制优化了参数协调，提高了可重复性。
金属粉末雾化工艺参数
正确选择工艺参数是获得所需特性粉末的关键。下表总结了关键变量及其对粉末特性的影响：
| 参数 | 对粉末性能的影响 |
|---|---|
| 熔融金属的温度 | 温度越高，粘度越低，雾化效果越好。但会增加氧化和蒸发损失。 |
| 雾化气体压力 | 更高的气体压力可改善粒度分布，降低平均粒度。但会增加气体消耗量。 |
| 雾化气体流速 | 流速越高，颗粒尺寸越小。但会增加气体用量。 |
| 雾化流体速度 | 速度越快，颗粒尺寸越小。取决于喷嘴设计。 |
| 喷嘴设计 | 专用喷嘴可产生更细的液滴和粉末。 |
| 熔体浇注率 | 较高的浇注率可提高连续运行的产量，但会减小颗粒尺寸。 |
| 熔体过热 | 随着浇注温度升至熔点以上而增加。提高流动性。 |
| 熔体过滤 | 去除夹杂物和污染物。提高粉末纯度。 |
| 雾化距离 | 自由落体距离更长，液滴形成的时间更长。减少卫星的形成。 |
| 熔体成分 | 合金元素可改变粘度和表面张力，影响雾化行为和粉末特性。 |
雾化金属粉末的表征
雾化粉末的特性和质量决定了其在下游应用中的性能。评估的主要特征包括
粒径分布
不同粒度的粉末颗粒分布，通常表示为 D10、D50 和 D90 百分位数。气体雾化可产生 20 微米以下的粉末，而水雾化可产生更粗的粉末。
粒子形状和形态
气体雾化粉末的颗粒呈高度球形，而水雾化粉末的颗粒则更不规则。卫星状颗粒表明雾化效果不理想。圆形粉末具有更好的流动性和堆积密度。
化学成分
通过化验得出元素和相组成。确定合金等级。气体雾化产生的纯度高，而水会污染钛、铝等活性金属。
表观密度和抽头密度
粉末包装效率的指标。密度越高，产品在压制和烧结时的性能越好。但会影响粉末流动。数值通常为材料密度的 40-65%。
流量特性
对处理和下游加工非常重要。受颗粒形状、大小分布、表面结构等因素的影响。退火、表面处理可改善效果。
微观结构
显微镜显示的粉末内部结构。气体雾化的粉末颗粒较细，并因快速凝固而产生缺陷，而水雾化的粉末则较粗。决定烧结行为。
金属粉末雾化的应用
雾化金属粉末在先进制造业中用途广泛，与传统金属加工相比，可提高产品质量和性能：
快速成型制造
- 3D 打印 - 具有可控尺寸分布的雾化球形粉末是粉末床熔融技术的理想选择。常用的有铝、钛、镍超合金。
- 金属注射成型 - 更细的不锈钢、钛和铝粉可改善烧结工艺和部件密度。
粉末冶金
- 压制和烧结 - 不规则、较粗的水雾化铁粉，用于生产具有良好机械性能的高产量 P/M 零件。
- 软硬磁铁 - 精细结晶的钕铁硼和钐钴粉末可生产高性能的粘结磁铁和热压磁铁。
- 摩擦材料 - 水雾化铜粉可提高刹车片和离合器衬片的性能。
表面涂层
- 热喷涂 - 通过等离子或 HVOF 喷射，球形、尺寸分布可控的粉末对均匀致密的涂层非常重要。使用 WC-Co、镍合金粉末。
- 气相沉积 - 用于电子束物理气相沉积的超细超耐热合金粉末原料，可增强涡轮机涂层的保护性能。
其他
- 金属注射成型--精细的不锈钢、钛和铝粉原料可生产小型复杂部件。
- 钎膏 - 用于制造高温钎焊接头的雾化银、金、铜合金。
- 火花腐蚀 - 超细球形粉末用作电介质，可提高电火花加工的精度和速度。
金属粉末雾化的优势
与传统的金属加工工艺相比，使用雾化粉末的主要优势包括
- 改善机械性能 - 快速凝固产生的精细、均匀的微观结构可提高屈服强度、疲劳寿命和延展性。
- 精确的尺寸控制 - 稳定的球形粉末可实现高密度和精确的网状制造。减少机加工。
- 更高的生产率 - 与减法相比，金属粉末加工可以更快地批量生产部件。
- 更大的设计自由度 - 可以制造铸造或机械加工无法实现的复杂几何形状。
- 最大限度减少浪费 - 与铸锭冶金相比，近净成形能力可减少废料损失。未使用的粉末可回收利用。
- 降低能源消耗 - 与使用块状金属生产相比，粉末工艺所需的温度和能量更低。
- 定制合金 - 可以雾化难以通过铸锭生产的特殊成分。
- 高纯度 - 与传统方法相比，钛等反应性元素的雾化污染更低。
金属粉末雾化的局限性
- 与散装金属加工相比，雾化设备和粉末处理系统所需的资本投资较高。
- 利用粉末制造产品还需要额外的下游工序，如压实、烧结等。整个生产路线非常复杂。
- 实现超细纳米级粉末具有挑战性，而且成本高、产量低。
- 使用水雾化时可能会造成污染，特别是对活性金属。
- 粉末会吸附氧气和湿气，需要保护性储存和处理。
- 某些粉末成分和形态存在粉尘爆炸、火灾危险和毒性等安全问题。
- 与锻造产品相比，最终部件的性能存在差异。与粉末有关的缺陷可能在固结后显现。
- 与散装金属相比，金属粉末的回收和再利用非常有限。材料在重复使用 1-2 次后就会被丢弃。
- 新型金属粉末在特性、测试方法、质量控制和认证方面缺乏行业标准，这为采用新型金属粉末制造了障碍。
选择金属粉末雾化系统
为应用选择合适的雾化设备取决于以下因素，如
生产量
- 低产量 - 实验室和中试规模的雾化器。离心或压力气体雾化系统。
- 中等产量 - 连续雾化器的额定粉末产量高达 3 吨/小时。
- 高产量 - 定制大型系统，产能超过 10 吨/小时。
粉末材料
- 钢和镍合金等非活性金属可以使用水雾化。
- 铝、钛等对水敏感的合金需要惰性气体雾化。
- 钨等难熔金属需要专门的雾化介质和保护措施。
粉末特性
- 气体雾化技术可生产 30 微米以下的球形细粉。
- 水雾化用于压制较粗的不规则粉末。
- 用于纳米晶或无定形金属粉末的专业雾化。
产品应用
- 快速成型制造使用的是气体雾化产生的非常精细、颗粒分布受控的粉末。
- 粉末注射成型需要流动性良好的细球形粉末。
- 热喷涂涂层需要致密的球形粉末，且包装良好。
资本成本和运营成本
- 水雾化的设备成本和运行成本较低，但会影响粉末质量。
- 气体雾化技术的投资成本要高出 10 倍，但生产的粉末质量更好。运营成本也更高。
- 离心雾化经济实惠，但在尺寸和形状上有限制。
工厂整合
- 需要足够的熔体制备、粉末处理、储存和运输基础设施。
- 用于活性金属的保护系统，如惰性气体环境。
- 自动控制和数据监测提高了工艺的稳定性。
领先的金属粉末雾化器制造商
多家公司提供标准化和定制的金属粉末雾化系统和组件：
气体雾化系统
- Praxair - 高压气体雾化设备的市场领导者。提供实验室、中试和生产规模的系统。
- AP&C - 专业生产用于活性金属和难熔金属的紧密耦合喷嘴气体雾化器。广泛用于钛粉和铝粉。
- ALD Vacuum Technologies - 为中高产量设计多喷嘴气体雾化器。隶属于 Oerlikon Metco。
水雾化
- Gasbarre - 提供用于中高容量的近耦合和自由落体水雾化。
- Sheffield Atomising Systems - 50 多年来一直专注于自由落体水雾化技术。
离心雾化
- ABB - 全球主要设备供应商。提供从实验室到全面生产规模的离心雾化系统。
- Ferrum AG - 位于瑞士的卧式和立式离心雾化器领先供应商。
超声波雾化
- Tekna - 提供基于其专利耦合双线感应导轨技术的超声波气体雾化器系统
- Ultramet - 提供采用高温液化器技术的特种超声波雾化设备
火花侵蚀雾化
- PyroGenesis - 提供用于生产超细球形金属粉末的等离子体雾化系统 (PAS)。
- Plasma Innovations - 提供旋转电极工艺 (REP) 火花侵蚀雾化系统。
金属粉末雾化器的成本分析
雾化器成本取决于规模、生产率、自动化程度和加工的粉末材料。典型的资本成本估算：
| 大型气体雾化器 | 定制建筑 | 1000 | 一千万 |
|---|---|---|---|
| 小型水雾化器 | 拖车/集装箱系统 | 100 | 750,000 |
| 中等产量水雾化器 | 庇护所系统 | 500 | 200 万 |
| 大型水雾化器 | 定制建筑 | 2000 | 500 万 |
| 先导离心雾化器 | 撬装式 | 50 | 400,000 |
| 中型离心雾化器 | 庇护所系统 | 500 | 150 万 |
| 实验室超声波雾化器 | 台式 | 5 | 250,000 |
| Pilot 超声波雾化器 | 撬装式 | 20 | 100 万 |
| 火花腐蚀雾化器 | 集装箱系统 | 10 | 200 万 |
运营成本
- 主要成本包括能源、人工、维护和惰性气体的使用。
- 每吨粉末的气体雾化耗电量约为 500-800 kWh。每公斤粉末的气体用量为 5-10 立方米。
- 水雾化耗电量较低，每吨粉约为 200-400 千瓦时。但人工和维护成本较高。
- 每吨粉末的离心雾化耗电量 ~300-500 kWh。惰性气体用量更少。
- 喷嘴、过滤袋等易损件需要经常更换。
降低成本的机会
- 扩大生产规模和提高粉末产量可降低每公斤粉末的资本成本。
- 更高的自动化和监控程度可提高劳动生产率。
- 回收和再利用工艺气体、水和废热可降低运营成本。
- 预防性维护计划可最大限度地减少停机时间和维护成本。
- 当地的能源、气体、水和辅助服务供应可降低物流成本。
- 购买重建/使用过的雾化系统可减少小型生产商的资本支出。
金属粉末雾化设备 - 常见问题
问：气体雾化的典型粒度范围是多少？
答：气体雾化可生产粒度从 1 微米到 100 微米以上的粉末。大多数合金的典型 D50 值为 10-45 微米。通过优化喷嘴和提高气速，可以生产出 10 微米以下的细粉。
问：小型气体雾化器系统的年产量是多少？
答：一个中试规模的气体雾化器，产量为 10 公斤/小时，每年运行 5000 小时，每年可生产 ~50,000 公斤粉末。在满负荷生产的情况下，每小时 50 公斤的小型生产系统每年可生产 ~250,000 公斤。
问：哪些类型的金属可以雾化成粉末？
答：大多数商用合金系统都已雾化，包括不锈钢、工具钢、镍合金、钛合金、铝合金、超级合金、钴合金等。钨、钼等难熔金属具有挑战性，需要专门的雾化系统。
问：对于钛等活性金属，最佳雾化方法是什么？
答：对于钛、铝等活性金属，最好使用氩气或氮气等惰性气体进行气体雾化。与水雾化相比，这样可以防止氧化和污染。
问：超声波雾化能实现多细的粒度？
答：超声波气体雾化器经优化后可产生平均粒度小于 100 纳米的亚微米和纳米级金属粉末。但粉末产出率较低。
问：金属粉末用于增材制造后能否回收利用？
答：是的，未使用过的粉末可以在 AM 工艺中重复使用。但粉末只能循环使用 1-2 次，然后性能才会下降。然后，需要对粉末进行重新雾化处理才能继续使用。
问：处理精细活性粉末的最佳方法是什么？
答：使用惰性手套箱，密封粉末容器，避免暴露在空气/湿气中。某些活性材料可能需要进行表面处理。水雾化铝粉一般都有涂层，以防止氧化。
问：为什么高纯度惰性气体对气体雾化非常重要？
答：高纯度可最大限度地减少污染。水分和氧气会在雾化过程中氧化活性合金。残余气体会夹杂在粉末中，造成最终零件性能的缺陷。
问：保养和维修气体雾化器有多容易？
答：日常维护很简单。但像更换喷嘴这样的大修可能需要几天时间，而且需要受过专门培训的人员。应保留额外的喷嘴组件作为备件，以便快速更换。
问：金属粉末生产存在哪些安全问题？
答：精细粉末处理始终存在粉尘爆炸的危险。其他问题包括高压气体危险、高压电、高温、需要防护设备和培训的熔融金属处理。