气体雾化技术制备金属粉末分析

田景明

（鞍钢实业微细铝粉有限公司辽宁鞍山114000）

摘要：气体雾化技术制备金属粉末是此次研究的中心，首先对气体雾化粉末制备方法进行了介绍，了解不同气体雾化技术的应用优势与不足;其次分析了氣体雾化喷嘴，作为气体雾化处理关键设备，喷嘴的选择与应用直接关系到金属粉末雾化处理效果;最后对气体雾化技术操作详细介绍，了解处理细节的同时，梳理其中的影响条件，在此基础上，打造优化金属粉末处理过程，放大气体雾化技术应用作用的目的。

关键词：气体雾化技术;金属粉末;金属液流;雾化喷嘴

气体雾化技术制备金属粉末的研究，主要基于科学技术发展与气体雾化技术创新。金属粉末在实际应用中具有突出优势，借助雾化处理，将球形度、氧含量与粉末粒度等优势凸显出来，同时还能够降低生产成本。当前气体雾化技术在金属粉末制备中的应用越来越成熟，逐渐应用到各种工业生产中，为粉末雾化的升级提供了助力。气体雾化技术其主要以高速气流作用及时粉碎金属流的原理，获得金属粉末。技术关键在于气体的控制与金属液流的调整，充分放大气流动能，随后通过有效控制将其过渡到粉末表面能，最终得到理想的制作成品，期间会应用到喷嘴关键控制部件，金属粉末雾化的效率与实际性能都受到喷嘴结构影响。我国对气体雾化技术的研究相对比较少，通过近年不断提高重视，特别是科学技术升级背景下，得到越来越多的支持。基于此，加大对气体雾化技术制备金属粉末的研究粒度成为必然趋势。

1 气体雾化粉末制备方法介绍

气体雾化技术制备金属粉末，已经成为工业生产研究的热点内容，尤其是金属粉末的制备，气体雾化技术已经成为主要方法，目前在常见的气体雾化技术的范围内，制备方法受到设备加热元件差异的影响，主要包括以下几种类型。

（1）VIGA法，即真空感应熔炼惰性气体雾化法。该方法的应用涉及坩埚的影响，加上硬件设备不到位，因此加热温度最大值为1500～1600℃之间。气体雾化处理中，导流嘴同样产生干扰，合金熔体会出现一些杂质，降低金属粉体制备的最终纯净度。

（2）PICA法，即等离子熔炼感应气体雾化法。该方法对传统雾化法为技术进行了升级，首先是加热源的优化，其次是将陶瓷坩埚调整为水冷铜坩埚。冷水铜坩埚的首次应用是制备球形钛粉中，借助等离子热源，打破传统加热源稳定性差的限制，科学调整高温金属，继而创造更理想的雾化条件。随后经过不断应用探索，水冷铜坩埚开始涉猎金属液流，利用母体金属层的设置，对金属液流有效隔绝，如此一来，纯净度得到有效提高。

（3）PA法，即等离子火炬雾化法。该方法以较直接的方式应用，调整好速率后，将金属丝材逐步融化，同步收集金属液，按照雾化标准调整其他，随后完成雾化处理。等离子火炬物化法应用中具有纯度高的优势，还可以保证球形度，并且降低了金属粉末的含氧量。当然实际应用中，原料丝为雾化处理主要原料，在原料方面增加了处理成本，对金属粉体类别要求高，这方面在实际应用中还需进一步改善。

（4）EIGA法，即无坩埚电极感应熔化气体物化法。首先电极选择预制合金棒，随后搭配雾化所需的感应熔炼线圈，结合雾化要求对垂直送料参数严格控制，及时熔化棒料电极，迅速完成雾化处理。该技术的首次应用在德国，为解决母合金雾化杂质问题，放弃陶瓷坩埚的使用，选择无坩埚电极感应熔化的方式，及时规避杂质问题，纯净度得到显著提高。此方法应用不足体现在以下几方面：一是合金预制棒材方面，成本明显高于合金锭料;二是雾化所应用的棒材合金均匀性方面，会影响到金属粉体的化学成分;三是棒材熔化速度方面，控制难度比较大，一旦控制不到位，就会出现液流断流的情况，不仅会阻塞导流管，还会影响金属粉体性能。

2 全方面分析气体雾化喷嘴

气体雾化技术应用中，喷嘴类型比较多。作为气体雾化技术的基本载体，雾化喷嘴直接关系到雾化介质能量，目前所应用的气体雾化喷嘴主要包括两种，其一为自由降落类型，其二是限制式类型。

自由降落类型实际应用，不会约束漏包金属液流的速度，特别是气流交汇关键环节，金属液流都能够做到自由降落。气体雾化处理期间，液流与气流之间的交汇，液流至少达到90mm，由此可以看出，金属液流不会受到气流过大的冲击，液流雾化破碎存在一些限制，主要为粉体粒度粗。限制式类型实际应用，导流管充分发挥其引流功能，顺利输送金属液流，这样就可以对金属液流自降环节做出改善，还能够将气体能量有效转化，调整液流破碎后的粉体粒度。当然是操作期间，因为雾化的主要点在于喷嘴出口位置，所以若不能及时处理，必然会出现喷嘴堵塞或者雾化反喷情况。喷嘴类型的不同，应用的气体雾化形式也会出现变化。

2.1 紧耦合雾化法

紧耦合雾化法主要选择限制性喷嘴类型，气体雾化期间迅速调整压力，待达到雾化临界值，观察雾化气体速度变化，若不会随着气体压力明显变化，则表示雾化操作理想。限制性喷嘴类型结构在应用过程中也在不断改进，从喷嘴出气口为基点，适当调整液流间与其间距，随后在气体动能的带动下，将雾化材料充分破碎。气体动能的充分放大，需对传输效率适当调整，这样就可以将熔体迅速雾化，并取得理想的熔滴效果。紧耦合雾化法应用参数标准为：熔体冷却速度必须≥1×10K/s;粉末平均粒度必须达到≤50μm标准。

2.2 超声雾化法

该方法对雾化喷嘴做出明显改造，借助超声波的方式，提高雾化破碎率。超声波的产生需依靠振动管实现，并且超音速需达到2～2.5MPa，并且注意脉冲频率的控制，必须达到80～100kHz，这样冷凝速度才可以达到104～105K/s的条件，同时满足雾化要求。

2.3 层流雾化法

层流雾化法改变了常见喷嘴形式，以特殊喷枪的方式进行了升级。雾化的主要原理是利用气流的控制，将其打造成流状态，这样金属液流就会受到气体剪切力的全面作用，同时还可以实现充分的挤压变形，进而呈现出层流纤维化，及时克服雾化期间气流对其的干扰，将雾化气体能量损失降到最低，如此既可以改善粉末粒度，又可以将雾化效率提高。

2.4 热气雾化法

热气雾化法的研究主要从气体能量、雾化效率关系方面着手，雾化效率受到气体能量的影响。气体雾化处理中，气体性能、气流速度等是关键，必须保证气体速度、动能为成比例关系，这样才能更好地激发出雾化效能。气流进出口速度的变化，需参考气体动力学原理，紧密联系喷嘴结构，同时还要对压力类型与气流速度比较，观察气体雾化处理期间的温度变化。参考气体温度变化，从25℃升至500℃，气体雾化处理中的气流速度必然会出现变化，从原始速度翻倍，如此一来，雾化介质同样会随之温度上升，从而气体雾化的动能明显增加。气体雾化的动能增加，金属液流破碎冲击力加大，喷嘴的有效辅助下，得到理想的金属粉末。热气雾化法在实际应用中，打破了传统雾化处理中气体性能及各方面因素的限制，借助温度调整，迅速调整气体雾化状态，随即为雾化处理提供更多动能。当然温度是关键因素，雾化操作中必须做好温度控制，否则必然会影响到最终的气体雾化处理效果。

3 气体雾化技术制备金属粉末的具体过程

气体雾化技术制备金属粉末，主要涉及到两方面，其一是雾化过程，其二是雾化条件。

3.1 雾化过程

金属粉末制备期间，气体雾化技术的基本机理体现在几方面，首先是金属液滴处理环节，该环节的处理以自由落体为中心，借助挤压的方式，改变金属液流状态;同时有效的气体剪切，细化金属液流，逐渐将其纤维化处理。其次是雾化区与液滴分离后，观察液滴外压变化，持续减小基础上，对内外压力不平衡条件充分利用，随后实现液滴的自激破碎。金属液流被气流从双向作用，到达气压紊流区后，液流开始出现变化，从而形成原始液滴区域。待气压加大，液滴进入到有效雾化环节，此环节之前，所有液滴均聚集在有效雾化区，最后为冷却凝固区。喷嘴接触到雾化气体后，在出口位置同样会出现气压紊流区，这时需要喷嘴适当“抽吸”，将金属液流及时分散，从而产生纤维束。纤维束受到金属表面张力的作用，加上双重气流的推进，开始同步分散，随后转变为小颗粒。高压气流将小颗粒全面击碎，击碎后的金属粉末开始自由沉降，最终达到工业应用金属粉末处理的要求。

3.2 雾化条件

雾化条件的整理，主要是保证雾化过程顺利进行，提高金属粉末雾化效果。第一是导流嘴，金属粉末雾化中粉体粒度会受到导流嘴内控直径的干扰而出现变化。此影响分析主要依据能量守恒定律展开，金属粉末气体雾化操作中，气体动能是重要动力，雾化过程中动能会逐渐转变为表面能，其中会应用到粉末平均粒径公式，详见式（1）。

（1）

计算公式中主要包括以下参数：粉体平均粒径为;金属熔体质量流量为;金属熔体表面张力为;常数为;气体质量流量为;金属熔体密度为;雾化氣流速度为。结合公式内容进行梳理，其中金属种类相同条件下雾化处理，还需要对温度、雾化压力进行调整，上述条件一致基础上，金属熔体表面张力、气体质量流量、金属熔体密度、雾化气流速度并不会出现变化，继而总结出金属熔体质量流量与导流管孔径之间为正比例变化关系，由此看出，若导流嘴孔径过大，金属粉末的粒径必然会变大，熔体得不到充分破碎。导流嘴孔径的变化，还会干扰到气体雾化处理效率，导致金属粉末雾化制备效率降低，甚至发生堵嘴或者其他现象，这方面必须注意。

其次是熔炼温度影响条件，气体雾化中，相同材质情况下，熔体粘度会明显受到熔炼温度的影响，影响详见式（2）。

（2）

计算公式中涉及粘度系数参数（）、常熟（）、气体常熟（）、绝对温度（）、活化能（）。结合公式总结出，熔体粘度在熔炼温度变化下，雾化能耗会出现变化，若温度过高，必然会增加雾化能耗，这样一来熔体表面张力会明显变小，熔体粘度也会随之减小。

最后是气体雾化压力影响条件，影响干扰需通过气体动能公式研究，详见式（3）。

（3）

公式中包括3个参数，即气体动能（）、气体质量流量（）、雾化气流流速（）。根据计算公式可以总结出，气体质量流量的变化，气体动能会出现明显波动，其中气体雾化压力是气体动能的根本。雾化气流流速若适当提高，气体动能也会明显增加。参考气体雾化压力、气体动能及能量守恒定律可以看出，气体动能与雾化气流流速、气体质量流速同样为正比例变化关系。

4 结语

综上所述，气体雾化技术作为金属粉末制备的关键技术，关系到金属粉末的有效应用与制备性能。通过对气体雾化技术介绍可以发现，其在金属粉末制备中具有突出优势，降低金属粉末制备成本，优化金属粉末制备性能，拓展了金属粉末制备与应用的空间。气体雾化技术的应用，涉及到喷嘴、气流管等设备，必须从气体雾化整体角度出发，在每个雾化环节都进行优化处理，保证雾化流程顺利完成基础上，金属原料得到充分破碎，取得理想的金属粉末成品。当然必须详细了解气体雾化处理的影响条件，科学规避金属粉末雾化处理不理因素，由此达到提高金属粉末气体雾化制备水平的目的。

参考文献

[1] 黎兴刚，刘畅，朱强.面向金属增材制造的气体雾化制粉技术研究进展[J].航空制造技术，2019，62（22）：22-34.

[2] 汝娟坚.金属铅粉制备技术的研究现状与进展[J].世界有色金属，2018（17）：225-226.

[3] 唐超兰，张伟祥，陈志茹，等.3D打印用钛合金粉末制备技术分析[J].广东工业大学学报，2019，36（3）：91-98.

[4] 朱盼星，石生荷，杨剑，等.气体雾化技术制备金属粉末研究综述[J].粉末冶金工业，2021，31（4）：82-87.

[5] 徐金鑫，陈超越，沈鹭宇，等.层流气体雾化制粉工艺粉末形貌及雾化机理[J].物理学报，2021，70（14）：134-148.

[6] 陆亮亮，刘雪峰，张少明，等.高频感应熔化金属丝气雾化制备球形钛粉[J].材料导报，2018，32（8）：1267-1270，1288.

[7] 王长军，刘雨，曹呈祥，等.增材制造用气雾化制粉工艺数值模拟及机理分析[J].粉末冶金工业，2021，31（04）：22-28.

[8] 陈莹莹，肖志瑜，李上奎，等.3D打印用金属粉末的制备技术及其研究进展[J].粉末冶金工业，2018，28（4）：56-61.

[9] 刘畅，李欣，舒适，等.气体雾化制粉工艺中金属熔体在导流管内流动过程的数值研究（英文）[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2021，31（10）：3192-3204.