金屬粉末作為增材制造的關(guān)鍵原材料，其品質(zhì)很大程度上決定了產(chǎn)品最終質(zhì)量。隨著增材制造技術(shù)的快速發(fā)展及其工藝特殊性，對金屬粉末的質(zhì)量要求越來越高，如球形度高、流動(dòng)性好、氣體及雜質(zhì)含量低等要求。同時(shí)隨著增材制造應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，需要的金屬粉末種類也越來越多。金屬粉末制備方法有很多種，其中氣霧化法已經(jīng)成為制備高性能金屬及合金粉末的主要方法。

與其他制粉方法相比，氣霧化法具有以下優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用范圍廣，可生產(chǎn)多種金屬粉末及其他方法無法生產(chǎn)的預(yù)合金粉末；高的冷卻速度（10^4 ~10^6 ℃/s）和高的過冷度；所制備的粉末球形度高、粉末粒度可控等。

氣霧化的基本原理是用高速氣流沖擊金屬熔體，通過碰撞將氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為金屬熔體的表面能，使熔融金屬流被擊碎成細(xì)小液滴，然后在氣流氛圍中快速冷卻凝固形成粉末。

母合金原料在氣霧化制粉過程中經(jīng)歷三個(gè)主要過程：熔化、霧化和凝固。目前，主流的霧化過程都是在真空或惰性氣體環(huán)境下進(jìn)行的，以此降低粉末中的氧含量及雜質(zhì)含量，提高粉末的純度。有研究表明，粉末中的氧基本上是熔煉過程中帶入的。所以，不管是在母合金制備還是霧化過程中都要保持真空或惰性氣體環(huán)境。母合金熔化后被高壓高速氣流（惰性氣體）擊碎分散成小液滴，小液滴在下落過程中熱量迅速散失，在表面張力的作用下快速凝固為球形粉末。

氣霧化制粉原理

氣霧化粉體的形貌可分為規(guī)則的球形和不規(guī)則形狀，這與金屬熔體破碎后，形成的液滴球化時(shí)間和凝固時(shí)間的相對大小有關(guān)。當(dāng)金屬液滴的球化時(shí)間比凝固時(shí)間短，在凝固前液滴能夠充分球化，凝固后形成的粉末顆粒形狀較規(guī)則，表面比較光滑；若霧化液滴球化時(shí)間比凝固時(shí)間長，液滴在凝固前不能進(jìn)行充分球化，凝固后則形成不規(guī)則形狀的粉末顆粒。液滴的球化時(shí)間主要取決于液態(tài)

金屬粘度、表面張力和液滴尺寸；凝固時(shí)間主要取決于液滴的比熱熔、液滴的熱導(dǎo)率和金屬的過熱度。

1.熔體過熱度的影響

有研究認(rèn)為，隨著過熱度的增大，粉末由不規(guī)則的啞鈴狀、棒形變?yōu)榍蛐巍?/span>朱建勇等在用氣體霧化釬料粉末時(shí)，發(fā)現(xiàn)金屬液流的過熱度對粉末形貌有一定的影響，提高霧化溫度能提高粉末的成球率，并指出原因，霧化溫度提高在延長凝固時(shí)間的同時(shí)，還能使金屬液流的粘度降低從而使球化時(shí)間縮短。

2. 霧化介質(zhì)的影響

許天昊等采用空氣、氬氣、氮?dú)夂秃?種不同霧化介質(zhì)霧化SnAgCu粉末，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)的粉末球形度依次變好，以空氣為霧化介質(zhì)生產(chǎn)的粉末球形度最差，形貌極不規(guī)整。另外霧化介質(zhì)的純度直接影響粉末成球率的高低，這是因?yàn)殪F化介質(zhì)的純度過低會(huì)導(dǎo)致熔滴表面形成氧化膜使熔滴粘度增加。普友福等對比空氣、氦氣、氮?dú)?、氬氣、氮氦氣混合、氮?dú)鍤饣旌蠚夥障蚂F化焊錫粉的粒度分布也得出了類似結(jié)論。Nichiporenko通過改變霧化介質(zhì)來霧化鉛，發(fā)現(xiàn)采用空氣進(jìn)行霧化，所得粉末皆為非球形；而霧化介質(zhì)改為氬氣，則85%粉末為球形。

3. 霧化壓力的影響

霧化壓力對粉末形貌也有一定的影響。霧化壓力高時(shí)，金屬粉末的粒度較細(xì)，許多細(xì)粉末之間發(fā)生粘連。這是因?yàn)殪F化氣體壓力較高時(shí)，霧化氣體與金屬液滴的能量較多，氣體提供給金屬液流更多的能量使之破碎成細(xì)小液滴，使粉末越細(xì)；同時(shí)，霧化氣體與金屬液流的熱交換更多，導(dǎo)致金屬粉末凝固速度更快，使得微細(xì)粉末之間發(fā)生粘連形成團(tuán)聚。

空心粉形成機(jī)理及控制方法

空心粉是氣霧化粉末中常見的一類缺陷，孔洞在粉體中一般以兩種形式存在：一種是霧化氣體被包裹在粉體內(nèi)部形成的封閉孔隙，其尺寸一般為粉體的10%～90%，一般在較粗粒徑（＞70 μm）的粉體中最為常見；另一種是枝晶間凝固收縮形成的孔隙，其尺寸一般小于粉體尺寸的5%，在粉體內(nèi)部和表面均有分布。一般來說隨著粉末粒度的增加，粉末中的孔隙數(shù)量、大小、氣體含量都會(huì)相應(yīng)增加。空心粉的形成與霧化過程中液滴破碎機(jī)制有關(guān)。在氣霧化過程中，根據(jù)霧化氣體與熔融金屬相互作用的能量不同，有多種不同類型的液滴破碎機(jī)制同時(shí)發(fā)生。當(dāng)能量最大的機(jī)制之一袋式破碎發(fā)生時(shí)，大液滴會(huì)在氣流作用下形成袋狀薄片，沿垂直于氣體流動(dòng)的方向擴(kuò)散。當(dāng)液體粘度較小時(shí)，液膜外側(cè)破碎形成細(xì)小液滴；但在氣霧化過程中液滴冷卻速度非?？?，隨著液滴溫度快速下降，粘度急劇升高。當(dāng)液滴粘度足夠高時(shí)，袋裝薄膜的破碎被抑制，液膜兩側(cè)的端口結(jié)合，形成一個(gè)包裹著霧化氣體的空心液滴，如下圖所示。因此，要想抑制空心粉的產(chǎn)生，必須降低破碎過程的能量，以避免袋式破碎的發(fā)生，但如果沒有對霧化過程的精確控制，就很難做到這一點(diǎn)。

袋式破碎機(jī)制及空心粉形成機(jī)理

衛(wèi)星粉形成機(jī)理及控制方法

衛(wèi)星粉指小尺寸粉末粘附在大尺寸粉末表面，形成衛(wèi)星狀的粉末結(jié)構(gòu)，如下圖所示。衛(wèi)星粉會(huì)降低粉末的球形度、流動(dòng)性和松裝密度等，是氣霧化制粉中常見的另一種缺陷。目前有兩種不同理論來解釋衛(wèi)星粉的出現(xiàn)。一種經(jīng)典的理論將衛(wèi)星粉的出現(xiàn)歸因于細(xì)粉和粗粉在霧化室向下飛行過程中的碰撞粘連。研究

表明，在霧化過程中，細(xì)小液滴在較大液滴凝固之前冷卻和凝固，在高速氣流中加速，最終撞擊并焊接到較大的熔滴上，從而形成衛(wèi)星粉。Ozbilen研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)霧化粉末粒度分布較寬，且大顆粒粉末表面粗糙時(shí)，出現(xiàn)衛(wèi)星粉的幾率變大。

Anderson等在霧化實(shí)驗(yàn)中觀察到，沿著霧化室的壁面可以看到垂直向上的細(xì)粉流，氣流將這些細(xì)粉送入噴嘴下方的流場中，由此提出了另外一種理論：認(rèn)為已經(jīng)凝固的細(xì)小粉末被回旋氣流卷吸到噴嘴下方的噴射區(qū)內(nèi)，并與還未完全凝固的液滴發(fā)生碰撞，最終形成衛(wèi)星粉。由此開發(fā)出一種直徑30 cm的霧化室，并通過實(shí)驗(yàn)證明降低了衛(wèi)星粉出現(xiàn)的概率。但這種方法會(huì)導(dǎo)致液滴過早地與霧化室內(nèi)壁碰撞，降低粉末收得率。

衛(wèi)星粉形貌特征

綜上，目前的研究主要通過兩種方法減少衛(wèi)星粉的出現(xiàn)。首先，通過控制霧化過程和熔體特性，減小霧化粉末的粒度分布寬度，即減小粉末的粒度差異，原則上可以減少粉體間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的差異，從而降低粉末和液滴之間的碰撞頻率；其次，通過向霧化室引入輔助氣流或優(yōu)化霧化室的結(jié)構(gòu)，抑制霧化室內(nèi)的氣流回旋，從而降低粉末與液滴之間的碰撞幾率。

影響粉末粒度的因素

文獻(xiàn)來源：

1.《氣霧化制備金屬粉末的研究進(jìn)展及展望》，關(guān)書文 等，沈陽鑄造研究所有限公司

2.《氣體霧化技術(shù)制備金屬粉末研究綜述》，朱盼星 等，寶武環(huán)科武漢金屬資源有限責(zé)任公司

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