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快速凝固制取金属粉末技术的发展状况
原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-02 原文发表:2007-07-02 人气:6
本文章共8028字，分5页，当前第1页，快速翻页：
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摘要：分别从工艺原理、工艺过程和工艺适用范围等方面对国内外采用快速凝固技术制取金属粉末的方法进行了分析，并着重比较了不同方法间的技术特点和所获得粉末的特性。
关键词：快速凝固；金属粉末；方法；进展
制取金属粉末的方法大体可以分为物理化学法和机械法两大类，其中机械法主要是机械粉碎法和金属熔体直接雾化法，前者采用机械研磨、旋涡研磨、冷气流粉碎和离心粉碎等技术，后者又分为普通雾化法和快速凝固雾化法两种，其中采用快速凝固工艺从金属熔体直接雾化获得金属粉末的方法在粉末冶金和材料科学领域已引起人们的关注。双流雾化法是目前工业生产金属粉末的主要方法。
1.1 高压水雾化和高压气体雾化法
这两种雾化方法分别利用高压水流和高压气体作为雾化介质来破碎连续的熔融金属细流，它们是生产金属粉末的最主要方法。雾化机理包括流体薄层的形成，薄层破碎成金属液流丝线和金属液流丝线收缩形成微液滴三个阶段。高压气体雾化获得直径50-100μm的金属粉末，高压水雾化粉末粒径在75-200μm之间；气体雾化粉末为光滑圆球形，冷却速度约为102-103℃/s，水雾化粉末常具有不规则形态和表面，冷却速度为102-104℃/s。高压气体雾化和水雾化被广泛用来大吨位生产铝、工具钢、超合金、铜、铁、锡和低合金粉末[1]。
高压水雾化法用水作雾化介质，价格低廉，淬冷效果好，但所得粉末成品的含氧量高达1000～4000ppm，而且高压水雾化法能量的有效利用率低。通过采用惰性气体保护，水中加添加剂(如酒精)，或用去离子水雾化，粉末产品含氧量可降低至50ppm。现在还可以用油来代替水制造较纯净的粉末[2]。70年代以来，发展最快、最活跃的是高压气体雾化法，它是大批量生产快速凝固粉末最有前途的工艺之一。气体雾化喷嘴在不断改进[3]，常用紧耦合环缝式对称气体喷嘴，还能用非对称式气体喷嘴，可提高粉末的收得率，现已成功应用于生产镍基超合金粉末[4]。
在雾化过程中，能应用实时图象技术(如暗线摄影、全息摄影、高速摄影)、激光散射、激光衍射及激光多普勒技术等对雾化区温度分布、金属粉末粒度及速度分布进行在线测量，从而控制成品粉末的粒度、形状和组织[5]。对于金属液流在雾化过程中的破碎机理研究现有四种方法：微扰法、似有理法、量纲分析法和能量法。
1.2 超声气体雾化法(USGA)
超声气体雾化法是高速气流以80-100KHz的频率和2-2.5马赫的高速度冲击液态金属流，使其雾化成小液滴，随后凝固成粉末。高速气流冲击由多个哈曼振动波管产生，哈曼管同心分布在金属液流的四周。每个哈曼管由一个可调节的共振腔组成，当气体通过喷管流出时，气流能引起伯努利(Bernoulli)效应，达到超音速度，并具有超声频率[6]。另外，超声驻波雾化法也可以产生超声雾化[7]。跟普通高压气体雾化和水雾化的三阶段过程相比，超声气体雾化金属液在一个阶段就被多个细小射流冲击剪碎成金属雾滴，所得粉末尺寸比较集中，平均尺寸小于20μm，粉末收得率超过90％，由枝晶臂间距估算冷却速度超过106℃/s。超声气体雾化能量消耗低，比普通气体雾化节能约1/4。目前生产铝、纯钴、镍和铁、镍基和钴基合金等已达工业生产规模，而对于钛等高熔点合金仍在进一步实验研究之中。已有报导采用超声速层状气流由2000℃的金属和陶瓷熔液制粉获得成功[8]。
1.3 快速旋转杯法(RSC)
快速旋转杯法也称为旋转水法。金属液在氩气加压下挤入旋转杯的淬火介质(可以是水溶液、碳氢化合物、低温流体等)中，金属液流被破碎、淬冷，在离心力作用下快速穿过淬火介质到达旋转杯杯壁，最后获得粉末[9]。分析表明，增加旋转杯转速，减小金属液喷嘴尺寸，提高金属液的过热度均可以细化粉末粒度；增大气体喷射压力能减小金属液在淬火介质液面上的喷溅，进而提高粉末的收得率。金属熔液可以先由气体雾化、离心雾化和冲击雾化，然后再进入旋转杯的淬火介质中，这可以避免坩埚喷嘴的堵塞和腐蚀，还可提高雾化效率。采用旋转杯法可生产各种钢、高温合金、铝、铜、镍和其他合金系的金属粉末，粉末呈球形或不规则形状。对于铁基合金，直径小于50μm的粉末粒子其冷却速度至少为106℃/s[10]。与其他快速凝固及普通雾化粉末相比，用快速旋转杯法生产的粉末粒度分布狭窄，细粉的收得率高，但快速旋转杯法目前仍处于实验室研究阶段。
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