真空氣霧化金屬粉末“衛(wèi)星球”形成機(jī)理的研究

陳珊珊，曾克里，宋信強(qiáng)，朱 杰

廣東省材料與加工研究所， 廣東 廣州 510650

真空氣霧化技術(shù)是在氣霧化的基礎(chǔ)之上結(jié)合真空熔煉技術(shù)以及惰性氣體霧化技術(shù)發(fā)展而來的一項(xiàng)新技術(shù).惰性氣體霧化技術(shù)可以起到細(xì)化合金組織、改善合金性能的效果，尤其適用于合金化程度較高、對組織形態(tài)依賴性較高的工具鋼、高溫合金等金屬材料.真空熔煉技術(shù)可以有效地控制各種合金元素的氧化燒損，減少有害氧化物雜質(zhì)的摻雜.真空氣霧化技術(shù)具有改善合金元素的固溶度，減少成分偏析，細(xì)化晶粒，改善第二相的形狀、尺寸及分布等優(yōu)點(diǎn)[1]，這是傳統(tǒng)鑄造技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的.與普通氣霧化技術(shù)相比，采用真空熔煉惰性氣體霧化法生產(chǎn)的金屬粉末，還具有氧含量低、細(xì)粉收得率高、球形度好等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種粒度需求、高性能粉末材料的制備，特別適用于金屬3D打印、粉末冶金、注射成型、冷噴涂等超細(xì)粉末的生產(chǎn).但是，隨著粉末粒度的不斷減小，在粒徑較粗的粉末表面會形成不同程度的“衛(wèi)星球”，從而導(dǎo)致粉末流動過程中的阻力增加，影響粉末的使用性能.

目前，國內(nèi)外對霧化技術(shù)進(jìn)行了大量的研究[2-7]，但是關(guān)于真空氣霧化技術(shù)方面的研究較少.尤其是關(guān)于真空氣霧化制備金屬粉末的過程中，金屬粉末表面的衛(wèi)星球的形成機(jī)理以及過程研究較少.本文著重研究了影響真空氣霧化金屬粉末性能的因素以及粉末表面“衛(wèi)星球”的形成機(jī)理和過程.

1 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)用材料的純度均大于99.5%，在國內(nèi)自主研發(fā)的真空-惰性氣體保護(hù)氣霧化設(shè)備中進(jìn)行熔煉及霧化.熔煉坩堝為鎂鋁尖晶石預(yù)燒結(jié)坩堝，裝爐量為100 kg.采用“鉑銠30-鉑銠6”熱電偶監(jiān)控測量熔煉爐中鋼液以及氧化鋁坩堝的溫度.霧化室壓力以及霧化氣體壓力均由自動系統(tǒng)采集.

熔煉前先抽真空至1.0 Pa，然后充入惰性氣體以保護(hù)熔煉，當(dāng)鋼液溫度達(dá)到要求后采用壓力3.0 MPa惰性氣體進(jìn)行霧化.粉末的形貌通過調(diào)整霧化率(即每分鐘霧化的鋼液質(zhì)量)及霧化過程中霧化室壓力來控制，待粉末充分冷卻后進(jìn)行篩分處理.用紅外吸收氧氮儀測量粉末的氧含量，采用Hall流速計(jì)測定粉末的流動性以及松裝密度，采用ZEISS EVO18掃面電子顯微鏡觀察粉末的微觀形貌.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 霧化率對粉末形貌的影響

在霧化壓力為3.0 MPa，霧化室壓力為8 kPa，熔液過熱度為150℃，1號和2號粉末的霧化率分別為8.5 kg/min和6.0 kg/min的條件下，制備的1號和2號粉末的形貌如圖1所示.從圖1可看出， 2號粉末表面的衛(wèi)星球比1號粉末少，光潔度高； 1號粉末含有部分不規(guī)則形狀粉末.經(jīng)檢測1號粉末的Hall流速為18.2 s/50g，松裝密度為3.64 g/cm3；2號粉末的Hall流速為16.85 s/50g，松裝密度為3.85 g/cm3.這表明隨著霧化率的減小，增加了氣液比(GMR)，使粉末的冷卻速度增加，減少了粉末的凝固時間，從而減少了粉末表面的“衛(wèi)星球”數(shù)量，使粉末的流動性增加，松裝密度也隨之增加.

圖1 不同霧化率下粉末的形貌Fig.1 The morphology of powder at different atomizing rate

2.2 霧化室壓力對粉末形貌的影響

在霧化壓力為3.0 MPa，粉末的霧化率為6.0 kg/min，熔液過熱度為150℃，2號粉末的霧化室壓力為8 kPa，3號粉末的霧化室壓力低于-3 kPa的條件下，制備的2號和3號粉末的形貌如圖2所示.從圖2可看出， 3號粉末表面的衛(wèi)星球比2號粉末少，光潔度高.經(jīng)檢測2號粉末的Hall流速為16.85 s/50g，松裝密度為3.85 g/cm3; 3號粉末的Hall流速為14.52 s/50g，松裝密度為4.21 g/cm3.這表明隨著霧化室壓力的減小，霧化室內(nèi)微細(xì)粉末的濃度減少，粉末之間相互撞擊的幾率減小，增加了粉末的球形度與光潔度，使粉末的流動性增加，提高了粉末的松裝密度.

圖2 不同霧化室壓力下粉末的形貌Fig.2 The morphology of powder at chamber pressure

2.3 衛(wèi)星球的形成機(jī)理

在氣霧化的過程中，不同粒徑粉末之間的撞擊和粘附會在粉末表面形成大量的“衛(wèi)星球”. “衛(wèi)星球”的形成與金屬粉末的濃度、尺寸、冷卻時間以及飛行速度等因素有著密切的關(guān)系.

2.3.1 粉末撞擊概率

假設(shè)粉末為光滑均勻的球體，粉末平均粒徑為D(μm)，球的密度為P1(g/cm3，該粉末理論密度為7.8 g/cm3)，霧化室體積為V(m3)，鋼液的霧化率為M(kg/min)，那么每分鐘產(chǎn)生的粉末數(shù)量為N=M/[P1(4/3π(D/2)3)]，霧化室內(nèi)粉末的濃度為P2=N/V.假設(shè)新生成粉末與冷卻后粉末撞擊的概率與霧化室內(nèi)粉末的濃度P2的大小為線性關(guān)系，即p=kP2，那么，粉末之間的撞擊概率如式(1).

p=kN/V=KM/(VP1D3) ，

(1)

式(1)中k=πK/6表示粉末之間的撞擊系數(shù)，與粉末的大小和速度有關(guān).

由式(1)可以得出，粉末之間相互撞擊的概率與鋼液的霧化率呈線性關(guān)系.霧化率越快，撞擊的幾率越大；粉末之間的撞擊概率與最終形成粉末直徑指數(shù)成倒數(shù)關(guān)系，粉末粒度越小，粉末之間的撞擊概率越大.

2.3.2 粉末凝固時間

在二流介質(zhì)霧化過程中，鋼液被高速介質(zhì)破碎成不同粒徑的小金屬液滴，然后在介質(zhì)的冷卻作用下逐漸凝固，其凝固時間與熔滴直徑、金屬傳熱系數(shù)、霧化介質(zhì)溫度、金屬熔點(diǎn)等因素的關(guān)系式如式(2)：

t凝固=[Dρm/(6h)]Cpln[(Tm-To)/(Ts-T0)]+H/(Ts-T0),

(2)

式(2)中D—熔滴直徑，h—傳熱系數(shù)，To—霧化介質(zhì)溫度，Cp—金屬的定壓熱容，Tm—金屬的起始溫度，ρm—金屬溶液密度，Ts—金屬凝固溫度，H—金屬的熔化潛熱.

從式(2)可看出，在其它工藝參數(shù)不變的情況下，粉末的凝固時間與粉末的粒徑呈線性正比關(guān)系，顆粒直徑越大，凝固時間越長.

2.3.3 衛(wèi)星球的形成機(jī)理

氣霧化金屬粉末表面的衛(wèi)星球主要是由液態(tài)顆?；蛘甙胍簯B(tài)顆粒與已經(jīng)凝固的顆粒之間相互撞擊而形成的[2].金屬鋼液在霧化過程中由于霧化室內(nèi)有一定濃度的微細(xì)粉末，導(dǎo)致較粗粉末表面會不同程度地粘附微細(xì)粉末.根據(jù)微細(xì)粉末的溫度以及自身狀態(tài)不同，衛(wèi)星球的種類分為包覆型、面接觸型以及點(diǎn)接觸型，如圖3、4所示.其中包覆型多見于鋼液滴尚未凝固且溫度很高，快速撞擊到已經(jīng)凝固的粉末表面形成，形成于霧化區(qū)域上部；面接觸型多見于鋼液滴將要凝固且溫度較高，快速撞擊到與之類似或已經(jīng)凝固的粉末表面形成，形成于霧化區(qū)域中部；點(diǎn)接觸型多見于鋼液滴快要凝固且溫度較低，快速撞擊到與之類似或已經(jīng)凝固的小顆粒表面形成，形成于霧化區(qū)域底部.

從圖1可以看出，2號粉末表面的衛(wèi)星球(面接觸型、點(diǎn)接觸型)明顯減少.說明在相同的霧化壓力下，減小單位時間內(nèi)的霧化率，可以增加粉末的冷卻速度，縮短粉末的凝固時間，從而減少與其他粉末撞擊的概率.從圖2可以看出，3號粉末的表面光滑，衛(wèi)星球大幅度減少，說明減小霧化室壓力，可以減少霧化室粉末濃度，并明顯減少在霧化區(qū)域中部以下區(qū)域的粉末之間的撞擊頻率.

圖3 三種不同類型衛(wèi)星球的形貌Fig.3 The different kinds of “satellite” on the surface of powder

圖4 三種不同類型衛(wèi)星球的示意圖Fig.4 The sketch map of different kinds “satellite”

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)其他霧化參數(shù)相同時，霧化率從8.5 kg/min減少到6.0 kg/min時，粉末的Hall流速從18.2 s/50g減小到16.85 s/50g，粉末的松裝密度從3.64 g/cm3增加到3.85 g/cm3.

(2)當(dāng)其他霧化參數(shù)相同時，將霧化室壓力從8 kPa降到 -3 kPa以下，粉末的Hall流速從16.85 s/50g減小到14.52 s/50g，粉末的松裝密度從3.85 g/cm3增加到4.21 g/cm3.

(3)真空氣霧化金屬粉末表面的衛(wèi)星球主要是由于金屬鋼液在霧化過程中，霧化室內(nèi)存在一定濃度的液態(tài)顆?；蛘甙胍簯B(tài)顆粒與已經(jīng)凝固的顆粒之間相互撞擊而形成的.通過減小霧化率和霧化室壓力可以控制霧化室內(nèi)各種狀態(tài)顆粒的濃度，減少“衛(wèi)星球”的形成概率，提高粉末的流動性以及松裝密度.