气雾化制粉技术发展历程及展望

第25卷第1期2007年2月

粉末冶金技术

PowdermetallurgyTechnology

Vol.25，No.1

Feb.

2007

气雾化制粉技术发展历程及展望!

欧阳鸿武!!

陈欣

余文焘

黄伯云

（中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙410083）

摘

要：气雾化制粉具有环境污染小、粉末球形度高、氧含量低以及冷却速率大等优点。经过多年的不断创

新和完善，气雾化制粉技术已发展为生产高性能金属及合金粉末的主要方法，成为支撑和推动新材料研究及新技术开发的先导因素。然而，气雾化制粉工艺本身是一个多相流相互耦合作用的复杂过程，人们对气雾化机理至今仍未能透彻认识；在大批量低成本制备均匀、微细粉末方面仍面临严峻的挑战。期待技术的改进，甚至雾化原理的突破。就此，本文简要回顾了气雾化制粉技术的发展历程，着重介绍了近年来的研究进展和技术创新成果，并对其发展前景进行了探讨和展望。关键词：气雾化；粉末；技术；发展；展望

Progressandprospectonthegasatomization

OuyangHongwu，Chenxin，Yuwentao，Huang!aiyun

（StatekeylabforPowderMetallurgy，CentralSouthernuniversity，Changsha410083，China）

Abstract：Invirtueofitshighcoolingrate，lowenvironmentalpollutionandnearlyfreeperfectspheredegree，

oxygen，izationhasbeenpracticedwidelyinmodernandnationaldefenseindustry.withgreatprogressingasatom

thepastmanyyears，itisgraduallybecomingtheprevalentmethodofproducinghighCualitymetalandalloy

2

andotherrelatedneweventheprereCuisiteandcrucialfoundationforpropellingthedevelopmentofPMpowders，

hightechniCues.~owever，izationitselfisanextremelycomplicatedprocesswithvariousinter-coupledgasatomfactorsandmulti-phasefluid，whichhasbeennotunderstoodthoroughly.therefore，technicalimprovementeven

breakthroughontheatomizationmechanismhavetoachievesoastomeettheurgentdemandsforproducinguniformandfinepowdersmassivelyatlowcost.asforthosementionedabove，abriefintroductiononthehistory，progressandpresentsituationofgasatomizationwasgiven，furthermore，thepotentialsforfuturestudyandapplicationwerealsoprospected.Keywords：ization；techniCue；gasatompowder；progress；prospect

先进的粉末制备技术是现代粉末冶金科学的基（PowderM础，是PM2tECetallurgyandParticulateMaterialstechnology）和相关新兴高技术产业的先导。高性能、低成本粉末的广泛应用不仅改变了粉末冶金工业的生产内容，而且促进了生产方式的变革。发展高性能粉末及其制备技术，已成为当今材料科学与工程研究中一个十分活跃的高科技前沿领

［1-7］域。气雾化制粉具有环境污染小、粉末球形度

的发展，目前已经成为生产高性能金属及合金粉末的主要方法。雾化方法制取的粉末已占到当今世界。然而，气雾化制粉工艺本粉末总产量的近80%［3］

身是一个多相流相互耦合作用的复杂过程，人们对气雾化机理至今仍未彻底认识清楚；在大批量低成本制备均匀、微细粉末方面仍存在一些难题。本文通过回顾气雾化制粉技术的发展历程，总结其经验与成就，展望其发展前景和动向，以期能更好地把握未来的发展趋势。

高、氧含量低以及冷却速率大等优点，经历近200年

（!国家自然科学基金资助项目10476034）

（，男，教授，博士。E!!欧阳鸿武1964-）-mail：oyxy163!

收稿日期：2006-01-10

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粉末冶金技术

2007年2

月

验研究得到发展。

!气雾化制粉技术起源及早期发展

气雾化方法制备粉末，即利用高速气流作用于熔融液流，使气体动能转化为熔体表面能，进而形成细小的液滴并凝固成粉末颗粒。其历史起源于19世纪20年代，那时人们利用空气雾化制取有色金属粉末。尽管气雾化技术比粉末冶金技术的起源滞后了近千年，但发展速度非常快，到19世纪30年代，就形成了至今仍普遍使用的两类喷嘴：自由落体和

［4］限制式喷嘴，如图1所示。自由落体喷嘴设计简

图2

fig.2

两种方法制得铁粉形貌

GasatomizedandReductivefepowders

单、不易堵嘴、控制过程也比较简单，但雾化效率不

气雾化工艺开始大规模20世纪50!60年代，

用于生产金属及合金粉末。20世纪70年代初关于雾化工艺的优化以及雾化机理的研究取得了显著的进展，推动了气雾化制粉技术的快速发展。要实现稳定Joyce通过超合金的雾化实验发现，雾化，需要“一定”的金属过热度，而且粉末随雾化顶

［6］角增大而变细。Lubanska提出了一个气雾化铁

水的模型，并得出了至今被广泛应用的Lubanska粉末粒度方程：

图1fig.1

［4］两种典型的气雾化喷嘴

12［（］=hD1+dmG!eoGW

2

We＝

#

（1）（2）

Twotypicalgasatomizationnozzles

高。限制式喷嘴结构紧凑，雾化效率显著提高，但设计复杂，工艺过程难于控制。因此，气雾化技术在随后一段时期里发展缓慢。随着二次世界大战的爆发，铁粉烧结零件需求量剧增，为此，人们开始寻求更理想的铁粉制备技术。Hanmitak发明了一种称

为DPG的气雾化制粉工艺，成功制取了铁粉，人们把这种铁粉叫做R.E粉。Mannesman利用锥形空气气流粉碎熔融铁水的方法同样制得了高性能的铁粉，这就是著名的曼内斯曼法，其基本原理一直沿用

［8］至今。雾化铁粉球形度高，表面光洁，适应于大

为气液质量流式中：（h40!50）D为常数mG

为导液管直径；、、和!分别为金属液的率；doL#L"密度、表面张力和黏度；!We为韦G为气体的黏度；伯数（雾化进程决定于熔滴在雾化气流中的We数，后来的研究表明：We数小于10.7熔滴就不能进一

。并且他还得出步破碎，e数）10.7被认为是临界W

［10］了平均粒径dm与几何标准差$之间的关系：

3（dm＝13$3）

批量生产。图2分别为气雾化铁粉和还原铁粉的SEM图片。

伴随气雾化制粉技术的迅速发展，关于气雾化制粉工艺和机理的研究也不断深入。Thompson研究了工艺参数对雾化铝粉粉末粒度的影响，发现粉末粒度随金属液流速提高、射流压力增加以及金属

［9］。W过热度加大而减小atkingson在曼内斯曼法

（外混合、限制型以Klar和Shafer对比分析了

及自由下落式）几种气体雾化方法的不同特点，认为限制型喷嘴比自由下落式更有效，但是使用更困难，因为存在粘结堵塞的问题；明确了雾化粉末的粒度

［8］。这个结论，引导着后来气分布越窄，产量越高

雾化技术发展方向。

关于雾化机理的研究在这一时期取得了丰硕的成果，当时已经形成了三阶段雾化理论。Hinze提出，在雾化过程中存在三种破碎方式：扁豆状、雪茄形和膨胀型，这差不多是后来Bag、Stretching、

［］

Catastrophic三机制的雏形7。Dombrowski和

基础上使用环形喷嘴，工艺过程更稳定，并发现使用空气雾化容易引起金属粉末氧化，降低了粉末纯

［8］。不久，采用惰性气体雾化（氮气和氩气）的实度

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