主流的几种金属粉末制备方法

发布时间 | 2023-11-16 10:15 分类 | 粉体加工技术 点击量 | 276
导读: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...

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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作者:粉体圈

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