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超声雾化生产金属粉末技术的新动向
2014年12月31日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:4949
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      尽管人们对超声雾化技术的认识有近一百年的历史,但由于液滴的形成和雾化非常复杂,不仅在层状液体表面存在张力波效应,而且在液体与振动表面还产生强烈的超声空化效应,而二者的综合作用使超声雾化液滴尺寸无法简单用线性理论来预测和解释,因此到目前为止,对超声雾化仍没有一个公认的理论模型。近年来随着计算机模拟和超高速摄影等研究手段的不断完善,对高频、高速状态下的动态规律研究再次引起人们的关注,国外关于金属超声雾化理论与应用的研究一直在持续,开发出了一些新的粉体技术


      1、超声振动雾化-超声气雾化双重超声雾化技术


        为了进一步提高金属粉末产率,细化金属粉末粒度分布范围,研究人员在超声振动雾化基础上成功开发出一种新型振子系统双重超声雾化技术,可工业化生产微细和超微纳米结构金属粉末。新型雾化装置将两种超声雾化方法(超声气体雾化与超声振动雾化)有机结合起来,克服了它们各自的局限性。新装置分两步击碎熔态金属,从而解决了熔体流量不能过大的问题。熔态金属流首先导向由超声频率激发的管状共振器的内壁,熔态金属润湿这种振动基体,通过振动张力波雾化被击碎。同时,在进入同一管中的惰性气体中产生非稳态冲击波,这种压力脉冲进一步击碎张力波雾化的熔滴,从而使最终获得的金属粉末颗粒度细小均匀,大大提高了雾化效率,尤其适合于制备粒度在5微米 以下的微细粉末。它的优势之一是开发出了“锤”型超声振子,比传统的两金属块“三明治”振子提高了频率、振幅与相位调制。只要选取适宜的超声参数,对于大多数液态金属都可进行高流速张力波雾化。它的另一大优势是采用了难熔合金管振子,一直到2000℃都能保持良好的声学特性,满足润湿要求,保持对熔态金属的耐蚀力。双重超声雾化器在结构上突破了常规超声张力波雾化器振子系统的结构模式,超声雾化器换能器上置,变幅杆与管状共振器采取独特的“T”型对接方式,使得辐射面声强显著增加,减小了液滴粒度,超声脉冲气流可以进一步破碎雾化的液滴,从而得到更加细小的粉末颗粒,在减小粉末粒度和粒度分布区间的同时雾化效率得以显著提高。但是,新型振子双重超声雾化技术目前仍处于封锁阶段,有关其设备组成及关键部件结构设计等具体内容尚未见公开报道,特别是振子系统的材料选择和结构设计是开发该技术的难点、而超声气雾化喷嘴与管状辐射器的在空间上的布置和组装方式也是成功开发该技术的关键。


      2、离心-超声雾化技术


      根据张力波理论,液膜铺展厚度显著影响金属粉末颗粒尺寸,为促进金属熔体在振动面的铺展,研究人员采取了许多措施改善金属馈液方式,其中德国开发出了一种离心流嘴,并将其用于金属超声雾化。熔体以一定流量流经流嘴时,通过涡流离心腔的导流作用,使流出的金属液体形成空心锥结构,其螺旋形的流动轨迹加快了金属液体在振动面上的铺展,促进了液体沿周向的铺展和薄液膜的形成,提高了金属液体在整个振动面铺展的均匀性,同时采用高频、大功率压电换能器,可以显著减小雾化金属粉末的粒度,大大提高金属粉末雾化的产率与出粉率。


      3、非接触式驻波超声雾化

      针对高熔点、高活性金属粉末易氧化、污染的特点,德国发展了一种非接触式超声雾化,即超声抓波雾化,最突出的优点是可以将动能聚焦到一个很小的体积内,大大提高了能量密度,因而可进行高效雾化,制备窄粒度分布的球形微细粉末,在制备窄粒度分布的微细金属粉末尤其是10微米的金属粉末方面具有明显优势,并且液流与雾化器不接触,具有节能、低耗和纯净的优点。对于制备平均直径在10微米的锡粉,每公斤约耗电仅0.5度(不含熔炼)。超声驻波雾化起源于早期的声悬浮实验,利用一个换能器和一个反射壁产生超声驻波场,通过驻波声场中的高密度声能将液流雾化成细小液滴。随着大功率超声换能器的发展,并且将被动的反射壁换成另一个主动的超声换能器,大大提高了雾化效率。进一步的发展是提高雾化腔室的压力和增大换能器的振幅,可获得更细的颗粒。但是,超声驻波雾化的生产率低,为了获得微细金属粉末,需要1兆帕左右的围压以及50微米以上的振幅,这使得生产过程中金属熔体的供应变得复杂,而且大的振幅也加剧了换能器的损坏,因此超声驻波雾化尚处于实验室研究阶段。


       从国际范围来看金属超声雾化技术还是一项处于发展中的球形微粉制备技术,其雾化理论和雾化工艺还在探索过程中,关键技术仍处于严格保密状态。目前超声雾化技术还仅在中、低熔点金属的微粉制备上获得应用。随着金属粉末种类和需求量的快速增加,其适用领域还将进一步拓宽。

(粉体圈  作者:梧桐)


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