气雾化制粉技术发展历程及展望(2)

美国MIT的Grant教授在瑞典人发明的超声

雾化装置上进行了改进和完善，发展了超声气雾化制粉工艺（喷嘴结构见图4），并生产出了具有快速冷凝效果的微细粉末。超声雾化喷嘴由拉瓦尔喷嘴

和~artman振动管组合而成［20］。在获得2!2.5M的超音速气流的同时产生80!100k~z的脉冲频

率，粉末冷凝速率可以达到104!105K／s。雾化气体压力为8.3MPa时制得铝粉的平均粒径为22"m，粉末呈表面光滑的球形状，几乎没有“卫星”颗粒。用该工艺生产低熔点合金粉末已经达到工业规模，但对于高熔点合金粉末的生产仍处于试验阶段。

图4超声气雾化喷嘴

［20］Fig.4

Ultrasonicgasatomizationnozzle

美国Ames实验室Anderson等人在限制式环孔型喷嘴的基础上，开发了高压气雾化（~PGA）工艺，其特点是利用高压气体获得的超高音速气流来粉碎金属熔体，使用的气压高达17.3MPa［21］。研究

brow!50

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粉末冶金技术

2007年2

月

表明，导液管末端压力P的大小与雾化压力有关，粉末愈细，气体与熔体的能量交换并且，P值愈小，程度越大。

增加Miller等通过对限制式喷嘴的研究发现，

气体动能对金属液流表面能的传输效率，可以提高雾化效率。按照这一思路，他们设计出紧耦合雾化喷嘴，其要点是使气流出口到金属液流的距离最

［22］短，如图5所示。紧耦合雾化粉末的粒度小，粒

德国Nanoval公司对紧耦合喷嘴进行重大改

［24］进，提出了层流超声雾化的概念。该工艺的特点

是气体不再以某一角度冲击金属流，而是平行于金属流，如图6所示。雾化过程中，金属液流在气流剪切力和挤压作用下变形，液流直径不断减小，发生层流纤维化，当液流离开喷嘴时，外部压力骤然降低，内外压差瞬间加大，液流通过自激效应而破碎。由于气流和金属液流处于层流状态，它克服了常规气雾化过程中气流的扰动（湍流）导致的气体能量损失度分布窄，冷却速度高，有利于快速冷凝和非晶粉末的生产。紧耦合雾化技术已经成为工业应用中主流的气雾化制粉技术。

这一时期气雾化技术取得了长足的进步，几项成熟的雾化技术成功地应用于工业化生产，形成了气雾化制粉的“一亩三分地”。但从20世纪90年代初，基于高性能粉末的粉末冶金技术，即PM2技术开始兴起和跨越式的发展，对气雾化粉末的性能和产量提出了更高的要求。因此，气雾化制粉技术又获得了加速发展的契机。

图5

紧耦合气雾化喷嘴及原理示意图

［22］Fig.5Close-coupledatomizationnozzle

气雾化制粉技术的最新发展和展望

PM2技术需要大量粒径小于20!m或10!m以下的性能更优越的金属及合金粉末。如何制取更优的粉末性能（如粒度更细、分布更窄、球形度更高以及实现快速冷凝获得非晶和微晶组织等），进一步降低工艺整体成本（如气体消耗量等）成为气雾化制粉技术持续发展的当务之急。

英国PSI公司通过对紧耦合环缝式喷嘴进行结构优化，使气流的出口速度超过声速，从而在较小的雾化压力下获得高速气流，形成了超声紧耦合雾化

技术［23］。该技术的特点是质量流率可以大于

5L／min，

有利于工业化生产和降低成本；粉末冷却速度较高，可以快冷成非晶结构的粉末。该设备和技术能够更广泛应用于制取多种合金粉末。

大的问题，雾化效率非常高。层流超声雾化得到的粉末粒度分布非常窄，冷却速率达到106"107K／

s。而且Nanoval工艺的气体消耗量仅为紧耦合的1／3，自由落体式的1／7。最初该雾化技术控制难度较大，雾化过程不稳定，产量较小，不适于工业化生产。但经过不断改进，在2002年，Nanoval公司已经实现小批量生产，金属质量流率达到2kg／min以上，取得了实质性的突破。

图6层流雾化喷嘴流场示意图

［24］Fig.6

Nanovalatomizationnozzle

Strauss在紧耦合气雾化的基础上，

根据气体状态方程：PVIHRT（在同等气压条件下，提高气体温度将使气体在雾化室内膨胀，从而气体出口速度

得以提高），提出热气体雾化概念［25］。研究表明：在

相同的气体压力与耗气量下，提高雾化介质的温度显著增加气体动能，从而提高气雾化效率，有效降低粉末平均粒度。近年来，英国PSI公司和美国HJE公司分别研究了热气体雾化工艺，雾化效率大大提高，气体消耗量可以节约30%以上，但其受到气体加热系统和喷嘴的限制，仍处于实验室（小规模生产）阶段，实现工业化应用有待进一步的研究。

在提高粉末粒度均匀性方面取得了新的进展。美国MIT的两个硕士研究生Ali和Chris，他们另辟蹊径，提出了PPS（PreciseParticleSpray）的概念，并

于1997年成立UMT公司开始商业生产

［26］。PPS!0.

第25卷第1期

欧阳鸿武等：气雾化制粉技术发展历程及展望

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工艺的基本原理如图7所示，熔体破碎过程的控制方程为：

（!"!7）#

式中!为射流速度，!为波长，#为振动频率。金属熔液在强迫振动作用下被挤出（微细）喷嘴，射流在表面张力作用下破碎成均匀液滴，随后冷却成粉末。该工艺的特点是通过调节射流直径和喷射速度以及（受迫）振动频率，可以控制粉末粒度，并且粉末的平均粒径偏差可以控制在1.5%左右，粉末粒运动，当接近导液管口时，被迫改变流动方向，由内向外变为径向流动，当到达喷嘴的边缘时，与湍流边界层相遇并相互作用，被迫向下流动，并限制在回流区内，与超声速流场分开。关于紧耦合气雾化破碎

［30］机制逐步深入，提出了脉动雾化模型，探明了两

种不同的流动状况：开涡和闭涡，以及对应的雾化机

［31-32］制、金属熔滴的过冷形核行为和凝固规［33］。律

度范围为30!750"m，

可以对熔点高达1600C的材料进行雾化。目前UMT公司的PPS工艺能获得的最小粉末粒度为15"m。

图7PPS

工艺示意图

［26］Fig.7

PPSatomizationtechnology

熔体导管及出口是气雾化喷嘴的重要组成部分，不仅是熔体流动的咽喉，而且直接影响熔体与气流的接触状况，关于这一组件的研究最近有了新的突破。P.Mcguinness

等

［27］，利用数值模拟技术对雾化喷嘴进行三维模拟，研究了喷嘴末端压差与液滴体积及最终液滴直径的关系。发现表面张力限制了雾化液滴直径的减小；液滴形成过程中喷嘴末端压力与喷嘴形状有关（过去基本上都是圆管形，或称为环形）。当采用非环形喷嘴时，由于曲率半径的变化，液滴直径比相同压差下环形喷嘴获得的直径明显减小，尤其当采用一种Curvilinear-triangular喷嘴时，液滴直径比相同条件下（临界压差）环形喷嘴得到的液滴直径小33%。有理由相信这一发现能给气雾化技术研究带来新的思路，推动喷嘴结构设计的不断完善。

Ting和Anderson等人利用数值模拟方法，研究了在无金属液流、仅有气流条件下紧耦合喷嘴下

方的流场结构特征

［28-29］。结果表明，在喷嘴下方存在一个类似倒锥的回流区，如图8所示。锥顶处是气体的滞留点，此处气体速度为零，而压力最高。气体从滞留点前端进入回流区，以亚声速由下向上

图8

紧耦合喷嘴下方典型的流场（回流区）结构

［28］Fig.8gasrecirculationofclose-couplednozzle

自20世纪80年代初开始，气雾化制粉技术逐步在我国得到大量研究和广泛应用。中科院力学研

究所［34-35］从1984年就开始了气体雾化制粉工艺

和 …… 此处隐藏：3165字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……