气体雾化法制备粉体技术研究概述

气体雾化法制备的粉体粒度小，球形度高，氧含量低，流动性好，能够进行大规模的工业化生产。经过不断的发展后，气雾化制粉技术已经成为了生产高性能球形金属及合金粉体的主要方法。^[1-2]

气雾化技术起源于20世纪20年代，美国人Hall.E.J首先使用空气雾化铜合金粉体。早期的雾化技术使用的是非限制式（也称自由落体式）雾化喷嘴，这种雾化喷嘴的特点是气体出口距离金属液有一段较长的距离，自由落体式喷嘴设计简单，但雾化能力较差，只适合粒度较大的合金粉体生产。对于化学活性高的金属及合金，自由落体式雾化喷嘴仍然是很好的选择，因为雾化过程中金属液自由落下，避免了与中间包及导流管的直接接触，使得熔融态金属的合金成分不会受到影响。

在非限制喷嘴的基础上，随后发展出限制式雾化喷嘴，这种喷嘴的最大特点是结构紧凑，大大缩短了气体与熔体之间的作用距离，减小了气体动能损失，能够得到更为细小的粉体，使得雾化效率显著提高。但是这种喷嘴设计较为复杂，存在反喷及导流管堵塞等问题，所以之后一段时间的研究主要集中在改进限制式喷嘴的问题上。

图1 自由落体式喷嘴与限制式喷嘴^[3]

在20世纪50年代以前，人们普遍使用空气作为雾化介质来雾化合金粉体。所以早期的得到的合金粉体的含氧量比较高，随后发展出的惰性气体雾化的工艺，采用氮气和氩气等惰性气体作为雾化介质，降低了含氧量。为了改进雾化中存在的问题，提升雾化效率，随后人们又发展出一系列的气雾化技术，如超声气雾化、高压气雾化、层流气雾化、热气体雾化技术、离心压力雾化和电极感应气雾化等。气雾化技术在不断发展，方法越来越多样化。^[4]

气雾化的原理是利用高速气流将液态金属流粉碎为小液滴并快速冷凝成金属粉体的过程见图2。

图2 气雾化制粉原理示意图^[5]

气雾化制粉技术中决定粉体综合性能（粒度及分布特征、形貌、含氧量及产率等）的技术关键是要严格控制雾化器结构、雾化介质和金属液特性等环节的工艺参数，见图3。对雾化器结构必须重点控制喷嘴结构、导液管结构及位置，以利于雾化气流获得最大动能，并最大限度将其转变为粉体表面能；针对某一特定的喷嘴时，重点改进雾化介质和金属液的工艺参数，得到该类型喷嘴的最佳雾化工艺参数与粉体特性的关系，用以对粉体的生产进行优化和维护。

图3 气雾化制粉关键技术示意图^[6]

按照设备加热元件不同，气雾化法可分为以下几种：真空感应熔炼惰性气体雾化法（VIGA法）、等离子熔炼感应气体雾化法（PIGA法）、无坩埚电极感应熔化气体雾化法（EIGA法）和等离子火炬雾化法（PA法）。^[7]

真空感应熔炼由于硬件设备和坩埚的限制，加热温度往往最高只能达到1500～1600℃。并且由于使用陶瓷坩埚和导流嘴的影响，会在合金熔体中代入杂质，影响制备金属粉体的纯净度。

PIGA法和传统雾化法的区别有两点：第一，不同类型加热源；第二，采用水冷铜坩埚取代了传统的陶瓷坩埚，1985年发现并将水冷铜坩埚技术引入球形钛粉的制取领域。^[8]

首先，PIGA法采用等离子热源从而提高了加热源的稳定性和效能，尤其对于高温金属。其次，PIGA法采用水冷铜坩埚，金属液流在与水冷铜坩埚接触时，在坩埚表面形成一层母体金属层，隔绝后续金属液流和铜坩埚壁的直接接触，提高了制备金属粉体的纯净度。^[9]

PA法是由加拿大AP＆C公司独有的金属粉体制备技术。原理是通过将金属丝材通过矫直机按照一定的速率加入等离子热源熔化，之后熔融金属液滴通过高压气体进行雾化。使用PA法制备粉体有球形度高、纯度高、含氧量低的特点。但是由于其原料为原料丝，所以提高了原料成本，并且局限了其制备金属粉体的种类。

EIGA法是将预制合金棒作为电极，通过感应熔炼线圈和控制垂直送料速度的参数将旋转的棒料电极熔化并雾化的过程。

从其工作原理模式可以得出EIGA法优点在于不使用陶瓷坩埚，减少母合金中的杂质，大大提高了雾化粉体的纯净度。同样EIGA法缺点也很明显，合金预制棒材相较于合金锭料成本较高，并且棒材合金均匀性对雾化后粉体化学成分有较大影响；控制金属棒材熔化速率的方式难以把握，容易造成液流断流和“断棒”使得导流管阻塞。

图6 无坩埚电极感应熔化气体雾化法示意图^[13]

作为金属及合金粉体的主要制备手段，气雾化制粉是一个包含复杂物理化学变化的过程，雾化机理仍未彻底明晰，对应的系统性理论指导仍未建立，所以存在着雾化器设计困难，设备标准不统一，设备研发、生产成本高等问题。近年来，随着金属增材制造产业的发展，气雾化技术的发展已经无法满足金属粉体生产行业的需求^[15]。

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