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什么是霧化法
霧化法是指通過機(jī)械方法將熔融態(tài)金屬粉碎成尺寸小于150μm顆粒的方法。按照霧化介質(zhì)和霧化原理的不同可將其分為四類:水霧化法、氣霧化法、等離子霧化法和超聲霧化法。
霧化法分類及應(yīng)用
1 水霧化法
水霧化法制作金屬粉末的工藝，有著悠久的歷史。古時(shí)候，人們將熔化了的鐵水倒入水中，使其炸裂成細(xì)小的金屬粒子，作為煉制鋼鐵的原料；在民間還有人將熔化了的鉛水直接倒入水中制作鉛丸的。采用水霧化法制作粗合金粉末，其工藝原理與上面講到的讓水爆裂金屬液是一樣的，只是在粉碎的效率上有了很大的提高。其工藝流程如圖1。
圖1 水霧化制粉工藝流程
（圖片來源：粉末冶金技術(shù)）
應(yīng)用：水霧化法具備工藝流程短、成本低、工業(yè)三廢產(chǎn)生少等特點(diǎn)，適用于對(duì)成本比較敏感的中低端產(chǎn)品的生產(chǎn)。但是水霧化法粉末球形度差，含氧量高，且對(duì)于化學(xué)性質(zhì)較為活潑的金屬無法進(jìn)行霧化生產(chǎn)。
2 氣霧化法
氣霧化的過程大致描述為，金屬液滴在自由落體過程中，通過氣體剪切和擠壓作用，金屬液流細(xì)化并發(fā)生層流纖維化的過程。當(dāng)液滴離開有效霧化區(qū)后，液滴外壓極具減小，由于液滴內(nèi)外壓力不平衡導(dǎo)致自激破碎。
圖2 金屬液流霧化過程圖
（圖片來源：云南冶金）
在材料制粉眾多方法中，氣體霧化制粉生產(chǎn)粉體的比例已經(jīng)占整體的80%。氣霧化法按照設(shè)備加熱元件不同可分為以下幾種:
2.1 真空感應(yīng)熔煉惰性氣體霧化法(VIGA法)
真空感應(yīng)熔煉由于硬件設(shè)備和坩堝的限制，加熱溫度往往最高只能達(dá)到1500～1600℃。并且由于使用陶瓷坩堝和導(dǎo)流嘴的影響，會(huì)在合金熔體中代入雜質(zhì)，影響制備金屬粉體的純凈度。
2.2 等離子熔煉感應(yīng)氣體霧化法(PIGA法)
首先，PIGA法采用等離子熱源從而提高了加熱源的穩(wěn)定性和效能，尤其對(duì)于高溫金屬。其次，PIGA法采用水冷銅坩堝，金屬液流在與水冷銅坩堝接觸時(shí)，在坩堝表面形成一層母體金屬層，隔絕后續(xù)金屬液流和銅坩堝壁的直接接觸，提高了制備金屬粉體的純凈度。
2.3 等離子火炬霧化法(PA法)
PA法原理是通過將金屬絲材通過矯直機(jī)按照一定的速率加入等離子熱源熔化，之后熔融金屬液滴通過高壓氣體進(jìn)行霧化。使用PA法制備粉體有球形度高、純度高、含氧量低的特點(diǎn)。但是由于其原料為原料絲，所以提高了原料成本，并且局限了其制備金屬粉體的種類。
2.4 無坩堝電極感應(yīng)熔化氣體霧化法(EIGA法)
EIGA法是將預(yù)制合金棒作為電極，通過感應(yīng)熔煉線圈和控制垂直送料速度的參數(shù)將旋轉(zhuǎn)的棒料電極熔化并霧化的過程。從其工作原理模式可以得出EIGA法優(yōu)點(diǎn)在于不使用陶瓷坩堝，減少母合金中的雜質(zhì)，大大提高了霧化粉體的純凈度。同樣EIGA法缺點(diǎn)也很明顯，合金預(yù)制棒材相較于合金錠料成本較高，并且棒材合金均勻性對(duì)霧化后粉體化學(xué)成分有較大影響;控制金屬棒材熔化速率的方式難以把握，容易造成液流斷流和“斷棒”使得導(dǎo)流管阻塞。
3 等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法
等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉（PREP）技術(shù)是一種基于電極棒料高速旋轉(zhuǎn)離心霧化原理的金屬粉末制備方法，該方法可以制備出70～130μm的低含氧量、無粘連高球形度粉末，但是由于對(duì)電極的轉(zhuǎn)速要求較高，導(dǎo)致無法大量制備粒徑小于45μm的高性能球形微粉。該技術(shù)生產(chǎn)的粉末具有流動(dòng)性好、氣體夾雜少、少或無衛(wèi)星粉等優(yōu)點(diǎn)，在核工業(yè)、航天航空和生物醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了重要應(yīng)用。
工作原理：采用高溫等離子槍將高速旋轉(zhuǎn)的電極棒料端面熔化成液膜，液膜在高速旋轉(zhuǎn)離心力作用下破碎形成液滴，微小液滴在惰性氣氛中冷卻凝固，在表面張力作用下形成球形粉末，技術(shù)原理如圖3所示。
圖3 等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉技術(shù)原理圖
（圖片來源：粉末冶金工業(yè)）
應(yīng)用前景：PREP技術(shù)生產(chǎn)的金屬粉末已經(jīng)廣泛用于航天航空、船舶、能源化工、高端裝備制造和生物醫(yī)療等領(lǐng)域。近幾年，隨著金屬增材制造技術(shù)等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，PREP技術(shù)以其制備的優(yōu)良的金屬粉末特性，展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。我國PREP技術(shù)經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，在粉末品質(zhì)、設(shè)備產(chǎn)能等技術(shù)方面取得了長足的進(jìn)步，然而在細(xì)粉收得率、難熔金屬粉末制備等方面與國外先進(jìn)技術(shù)相比仍然存在較大差距。
4 超聲霧化法
超聲霧化法作為一種新型的霧化技術(shù)，通過與超聲工具頭直接或間接接觸的方式，將超聲波的能量傳遞給待霧化液體并進(jìn)行破碎。這種制粉技術(shù)能夠得到球形度較好且粒度分布較窄的球形金屬粉末，同時(shí)還具有設(shè)備和工藝簡單、可控性高、成本低的顯著優(yōu)勢，尤其在制備粒徑小于20μm的高性能球形金屬粉末方面極具優(yōu)勢。
4.1 接觸式超聲霧化技術(shù)
霧化原理：將待霧化的液體直接輸入至超聲換能器的工具頭表面，使其形成薄液層，薄液層在超聲振動(dòng)的作用下激起表面張力波，當(dāng)液體表層液滴振幅超過工具頭振幅時(shí)，液滴便會(huì)飛出，被霧化成小液滴，如圖4所示。霧化過程中，薄液層厚度的大小對(duì)霧化效果的影響很大，這就限制了待霧化液體的質(zhì)量流速，且限制了霧化速率的提高。
圖4 接觸式超聲霧化制粉工藝原理示意圖
（圖片來源：材料學(xué)報(bào)）
應(yīng)用前景：接觸式超聲霧化技術(shù)主要應(yīng)用于生產(chǎn)低熔點(diǎn)金屬粉末，較其他的霧化方法來說可以更高效地生產(chǎn)粒徑位于20μm左右的窄粒度球形粉末，但是該霧化方法在生產(chǎn)高熔點(diǎn)以及高腐蝕性金屬粉末方面有很大的限制。
4.2 非接觸式超聲霧化技術(shù)
非接觸式霧化主要是將待霧化液體輸入至超聲駐波場的聲壓節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行霧化，如圖5所示。
圖5 超聲駐波場示意圖
（圖片來源：材料學(xué)報(bào)）
非接觸式超聲霧化技術(shù)(USWA)的待霧化液體與工具頭無接觸的特點(diǎn)使得該技術(shù)在進(jìn)行熔融金屬或其他液體的霧化時(shí)存在更多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在制備粒徑位于10μm左右的金屬粉末時(shí)具有較高的粉末收得率和霧化效率。
應(yīng)用前景：
研究表明，從高粘度熔融體制備金屬粉末領(lǐng)域，非接觸式霧化技術(shù)具備了其他霧化技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，但是該技術(shù)尚不成熟，無法滿足工廠大批量生產(chǎn)。鑒于在生產(chǎn)高熔點(diǎn)、高粘度、細(xì)粒度金屬粉末領(lǐng)域的較高優(yōu)勢，未來這種技術(shù)的發(fā)展勢必會(huì)有廣闊的市場前景。
小結(jié)
鄧小平說：科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。隨著增材制造、粉末冶金工業(yè)、粉末注射成型、表面噴涂工藝、三維焊接技術(shù)等制造領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)霧化法的要求也會(huì)更加嚴(yán)苛，霧化法在不停的更新?lián)Q代中會(huì)迎來更廣闊的前景。
參考文獻(xiàn)：
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（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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