金属粉末作为粉末冶金、注射成型、增材制造等先进制造的关键原料，随着制造技术的快速发展，高质量金属粉末的生产制造及其供应需求日益增加。金属粉末的制备方法较多，根据制备原理，主要可分为机械法和物理化学法两类。机械法主要包括机械研磨法、冷气体粉碎法等，物理化学法包括雾化法、还原法、沉积法、电解法。

其中机械法工艺简单、产量大，但是杂质含量高、能效利用率低且易产生团聚、偏聚现象。化学法可以制备直径均匀的细球形和低氧含量金属粉末，但不能应用于具有任意化学成分的合金粉末。与其他制粉方法相比，雾化法生产效率高，普适性好，可实现大规模、低成本的生产，可生产具有2种元素及以上的合金粉末，是制备金属粉末的主流生产方法之一。目前，采用雾化制粉技术生产的金属粉末约占世界金属粉末总产量的80%以上。

几种制备金属粉末的雾化法技术

主流制备金属粉末的雾化制粉技术主要有水雾化、气雾化、等离子旋转电极雾化和组合雾化等几种。

1.水雾化

水雾化是通过高压水流冲击金属熔体，将金属熔体打碎成熔滴，直接冷却成为金属粉末。在雾化过程中采用水作为雾化介质，冷却凝固所用的时间较短，金属熔滴在未充分球化的情况下，即开始冷却并凝固成不规则的金属粉末，因此，水雾化是一种高效生产金属粉末的方法。

水雾法制备金属粉末技术原理

水雾化冷却速率高，雾化介质成本较低，易获取，在工业生产中达到所需流速能耗较低，是成本最低的雾化制粉技术。其制备的粉末粒径细小均匀、成分无明显偏析而且具有良好的压制成型性能，生产效率可达到气雾化生产效率的数倍。采用水雾化制备的FeSiCr软磁材料具有出色的磁性能，因此制备有关磁性能材料所用金属粉末可以选用水雾化制备技术。

但是，水雾化粉末呈不规则的角状结构，表面粗糙，流动性差，含有大量孔隙，且氧含量高，限制了其大规模应用。

水雾化不锈钢粉

影响水雾化粉末特性的重要因素主要有：熔体温度、雾化水压力、雾化水流量。

水雾化制粉设备

2.气雾化

气雾化是通过高速气流冲击金属熔体，将气体动能转化为金属熔滴的表面能，熔滴随后快速冷却最终形成球形粉末。与传统的机械粉碎工艺相比，气雾化法具有简单、经济的特点。

气雾化制粉原理

相对于水雾化工艺，气雾化粉末具有较好的球形度、较平滑的表面以及较低的氧含量。气雾化制备的金属粉末具有粒径细小、球形度高、氧含量低、成分均匀、固溶度高和环境污染小等优点。采用气雾化技术制备的粉末占全球粉体产量的比例约为30%-50%。

气雾化制粉形貌

影响气雾化粉末特性的重要因素主要有：雾化介质、雾化压力、过热度。

气雾化制粉设备

3.等离子旋转电极雾化法

等离子旋转电极雾化法(PREP)是一种离心雾化法，主要将母合金加工成棒料，作为自耗电极，在惰性气体环境下，以等离子弧作为热源加热旋转的金属棒料，端面逐渐熔化形成金属熔体，在离心力的作用下，熔融的金属被破碎成熔滴，然后以极快的速度飞出，并在表面张力作用下冷却凝固成球形粉末。

等离子旋转电极雾化技术原理

PREP是真正能完全有效地避免氧化物夹杂污染的措施之一。PREP制备的粉末和其他方法相比，具有粉末球形度高、流动性好、杂质元素低、空心粉和卫星粉产量少的优点，适用于粉末冶金和金属增材制造。

PREP制备粉末形貌

但是，由于小于50 um粒径的细粉收粉率较低，导致生产成本较高，制约了其在粉末冶金及金属增材等方面的推广与应用。当前PREP粉末制备环境较为恶劣，生产智能化水平较低，许多环节都需要工人人工介入，操作人员的技术水平对粉末质量也有着很大的影响。

几种球形粉末制备技术对比

目前，PREP可用于镍基高温合金、钛合金、不锈钢、铝合金等多种金属粉末的制备，广泛应用于航空航天、生物医疗等领域。

影响PREP粉末特性的重要因素主要有：电极棒旋转速度、电流强度和进给速率。

等离子旋转电极雾化设备

4.新型雾化技术——组合雾化法

组合雾化是一种新的雾化技术，它是将两种或两种以上的雾化方法结合起来，以提高熔融金属的雾化效率。目前市场上常见的组合雾化法有：离心雾化与气体雾化组合和水气联合雾化两种。

例如，水气联合雾化结合了气雾化和水雾化的优势，是近几年兴起的一种新型组合雾化法，能一定程度上降低粉末粒径并改善粉末颗粒形貌，同时大大降低生产成本。其雾化机理是熔液在经保温中间包流下的过程中，超高压水及低压气体两种雾化介质由喷嘴射出，将熔液强力破碎成大量细小液滴，并快速冷却成金属粉末。水气联合雾化的冷却速率普遍高于气体雾化。采用水气联合雾化工艺制备的粉末具有粒径分布好、振实密度高、粉末组织均匀的特点，相比于气雾化粉末，细粉得率和组织均匀性得到了极大的提高。

水气联合雾化技术原理

这种组合雾化工艺不仅有助于解决众所周知的雾化类型的各种缺点，而且有助于提高金属粉末的质量和雾化效率，产生分布均匀的极细球形粉末，其平均粒径可减小到10 um或更小。目前，组合雾化仍处于初步发展阶段，并有望成为满足先进粉末冶金技术需求的新型粉末制备技术。

不同雾化方法制备粉末特性对比

总结

通过不同雾化技术的对比可以看出，组合雾化法是未来发展的重要方向，通过工艺调整，可制备出不同需求的金属粉末。以现有的制粉技术，通过不同的组合，可使制备出的粉末性能得到提升，例如超声技术和紧耦合技术结合出的超声紧耦合雾化技术，以及目前研究火热的气雾化和离心雾化结合的组合雾化。另一个具有潜力的方向是能够制备出无氧化物夹杂污染的技术（不使用雾化介质流破碎合金液流），这种技术是未来生产超高性能合金和金属器件的一个发展方向。

随着工业的不断发展、技术的不断革新，制粉行业需求不断提高，目前粉末制备的技术难题主要集中在如何提高细粉收得率，缩小粒径分布，降低氧含量以及降低成本等方面。

参考来源：

1.雾化法制备金属粉末及其研究进展，张朔、高阳、马佳俊、李霄亭、荣智峥、孙德建、高卡（郑州航空工业管理学院学报）；

2.水雾化条件对于金属粉末性能的影响，相樟祥（粉末冶金工业）；

3.增材制造用金属粉末研究进展，许德、高华兵、董―涛（中国有色金属学报）。

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