CN107262730B - 一种微细球形金属粉末的气体雾化制备方法及其设备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属粉末材料的制备技术领域的一种微细球形金属粉末的气体雾化制备方法及其设备。该制备方法包括物料熔炼、正压驱动金属熔体射流、气体雾化、冷却及粉末收集、性能检测、筛分、封装等工艺流程，通过缩小导流嘴出口孔径，向熔炼室内反充惰性气体至一定正压，将气体雾化设备中熔炼室设计为压力容器、炉盖与炉体连接处采用锁紧密封装置、熔炼室与雾化罐体设计成相互隔离仅通过导流嘴相通的腔体等方式，有效提高金属粉末细粉收得率；与现有的气体雾化金属粉末制备技术相比，利用该方法制得的金属粉末细粉收得率高，粒径分布窄，球形度良好，氧含量低，雾化气体消耗量低，且工艺设备简单、连续性强，适于工业化生产并可广泛应用。

Description

一种微细球形金属粉末的气体雾化制备方法及其设备
技术领域
本发明属于金属粉末材料的制备技术领域，特别涉及一种微细球形金属粉末的气体雾化制备方法及其设备。
背景技术
微细球形金属粉末是3D打印、注射成型等先进制造技术的原材料。气体雾化是制备微细球形金属粉末的重要方法。
传统的气体雾化制粉设备可以用于制备铝合金、铜合金、不锈钢、镍基高温合金等惰性金属粉末，该处“惰性”指金属在熔融状态下与耐火材料接触不发生化学反应；但是，传统的气体雾化制粉设备和普遍采用的制备微细球形金属粉末工艺流程普遍存在细粉收得率偏低的问题。激光选区熔化工艺用金属粉末的粒径区间一般<53微米，采用超音速真空气体雾化技术制备铝合金粉末，该粒径区间的粉末收得率一般低于35％，不锈钢、镍基高温合金等高熔点金属粉末的收得率更低。故提高金属粉末的细粉收得率可以有效地降低激光选区熔化工艺的生产成本。因此，提高细粉收得率一直是气体雾化制粉技术产业化关注的首要问题。
为了提高金属粉末的细粉收得率，一般会通过增加雾化气体的压强进而提高雾化气流撞击熔体射流的动能来实现。例如在超音速真空气体雾化工艺中，雾化气体的压强可以增加到6MPa以上，但当雾化气体的压强>2.5MPa后，细粉收得率随着雾化气体压强的升高并不明显，而且由于冷凝速度的加快，粉体的球形度会下降。另外，在极端工况下的雾化过程不仅耗能极大，而且会对设备造成损害，降低设备的使用寿命，对设备提出了更高的安全设计指标。
优化雾化器气体喷嘴结构也可以提高雾化气流撞击熔体射流的动能，进而提高细粉收得率。在超音速雾化气流中，尤其是在较高的雾化气体压强下，经常会形成激波，这些激波会使雾化气体的势能以热能的形式消散掉，从而减少了用于击碎熔体的雾化气体的动能，进而降低了雾化效率。大量的研究工作已经致力于通过优化雾化器喷孔或者喷缝的腔体结构来抑制或减少超音速雾化气流中的激波，提高雾化气体势能向雾化气体动能的转化率。例如，基于拉瓦尔(Laval)喷管的型线结构，专利号为US 6142382的美国专利设计了收缩-扩张型超音速气流喷嘴；为了保证气流的均匀一致，公开号为CN102581291A和公开号为CN101406862A的中国专利分别设计了稳定-收缩-喉部-扩张型的环缝和环孔喷嘴。原则上，具有上述型线结构的气体喷嘴能够有效地抑制超音速气流中激波的形成，但由于加工技术的限制，尤其是环孔喷嘴，腔体中的曲线型型线多被加工成直线型型线，导致气流中的紊流度增大，对激波的抑制效果大幅降低。
一般认为通过优化熔体射流的形态增加雾化前流体的特征表面能(J/kg)可以提高后续气体雾化效率，进而提高细粉收得率。专利号为DE10237213.6的德国专利开发出压力旋流-气体雾化制粉技术。金属熔体首先通过压力旋流导流管形成锥形中空旋转液膜，极大地提高了熔体的特征表面能，随后液膜及其主雾化产物扩展至环孔或环缝气体喷嘴附近被高速气流二次雾化。一般导流管出口处的液膜厚度要远低于导流管的出口孔径，因此与传统的气体雾化工艺相比，压力旋流-气体雾化工艺具有更高的细粉收得率。但压力旋流导流管的设计较复杂，制造成本较高。目前，该技术主要用于制备锡及锡合金等低熔点金属合金粉末。
多能源耦合能够有效地提高熔体雾化效率。日本国立材料科学研究所的Minagawa等人(载于Sci.Technol.Adv.Mater.，6卷，325-329页，2005)以及公开号为CN105397100A的中国专利开发了气体-旋转雾化制粉技术。该工艺耦合了气体雾化(气体动能)与旋转盘(机械能)雾化两种工艺，熔体射流首先被低压雾化气流击碎，形成液滴喷射，碰撞到旋转盘并在盘面上均匀铺展，随后被进一步离心雾化，产生细小的液滴。相比单一的气体雾化或旋转盘雾化，气体-旋转雾化工艺具有更高的雾化效率，且使用的雾化气体压强较低，旋转盘的转速亦较低，避免了单一雾化方式的极端工作状态，但雾化设备的整体设计较复杂。
发明内容
本发明的目的是提供了一种微细球形金属粉末的气体雾化制备方法及其设备，其特征在于，所述制备方法包括如下工艺步骤：
(1)熔炼－在惰性气氛中用熔炼炉将物料熔化成液态金属；
(2)导流－将金属熔体从熔炼坩埚4转移至保温坩埚5，在正压驱动下金属熔体通过保温坩埚5底部的导流嘴9形成射流；
(3)雾化－金属熔体射流与环绕导流嘴的超音速气体射流相遇，在超音速气流的撞击下，雾散成金属液滴；
(4)冷却－金属液滴在雾化罐体中飞行时与高速气流发生剧烈的热量交换，快速凝固冷却成粉，在粉末收集器14与15中进一步冷却至室温；
(5)筛分与封装－利用振动筛等筛分设备将粉末分级后即为产品，并封装储存。
所述步骤(1)中物料熔化是使物料处于10-2～100Pa的真空状态下，再向熔炼室和雾化罐体内充入氮气或氩气，气体压力为1atm，用电阻加热或感应加热方式将物料熔化，为防止熔体在导流过程中凝固，熔体需达到100-300K的过热度。
所述步骤2中正压驱动是在熔体上方施加稳定正压，熔体在压力推动下通过保温坩埚5底部的导流嘴9形成射流。
所述稳定正压是通过向熔炼室内反充氮气或氩气，从而在金属熔体上方建立的。
所述在熔体上方施加的稳定正压，即熔炼室与雾化罐体内的压力差，调节范围为0.01～0.8MPa。
所述保温坩埚5底部的导流嘴9的出口孔径为0.1～3mm。
在向熔炼室内反充氮气或氩气的同时，开启旋风分离器13，使雾化罐体内气压保持在一个大气压上，当熔炼室与雾化罐体之间的压力差达到设定值，将金属熔体转移至保温坩埚5，同时停止向熔炼室内充气，金属熔体在正压驱动下流出保温坩埚底部的导流嘴9形成射流。
该制备方法主要通过调节施加在金属熔体上方的正压与导流嘴9的出口孔径控制金属熔体的流量；
所述步骤(3)雾化中，喷出超音速气体射流的雾化器10内的雾化气体压力为0.2-6MPa。
一种用于生产微细球形金属粉末的气体雾化设备，其特征在于，熔炼室内设置有熔炼炉，在熔炼炉偏下部为保温炉，该保温炉底部有导流嘴9，导流嘴9下端被一环缝或环孔雾化器10环绕，导流嘴9和雾化器10同轴，熔炼室下部连接雾化罐体，该雾化罐体与熔炼室分别与真空管道连接，该真空管道连接真空泵组12，雾化罐体下端与旋风分离器13连接，在雾化罐体与旋风分离器的底部分别设置有粉末收集器14、15，其中熔炼室是一个压力容器，能够承受真空和正压两种负荷，能够承受的内压最低为1MPa。
熔炼室上炉盖1与炉体3通过锁紧密封装置连接，该装置由金属压圈2和橡胶密封圈16构成，橡胶密封圈16在承受真空和正压载荷时均起到密封作用，金属压圈2在熔炼室内为正压状态时锁紧炉盖和炉体。
熔炼室与雾化罐体相互隔离，仅通过保温坩埚底部的导流嘴9连通。
导流嘴9的材料为常见的石墨、氮化硼、氧化锆、氧化铝等耐火材料。
本发明的有益效果为：
1)通过正压驱动使金属熔体通过出口孔径较小的导流嘴，形成低维度的熔体射流，增加了熔体的特征表面能，提高了后续的雾化效率，进而提高了金属粉末的细粉收得率。
2)由于金属熔体射流的维度很低，在较低的雾化气体压强下便可雾化，因而降低了雾化气体的消耗量。另外，向熔炼室内反充惰性气体至正压所消耗的气体量很小，假设熔炼室的内径为1m，高度为1m，向熔炼室内反充氮气至正压0.8MPa，所消耗的气体量仅约为一个标准气瓶的气体量(型号：wma219-40-15，GB5099标准，容积：40L)。
3)通过调节施加在熔体上方的正压和导流嘴的出口孔径，可以实现金属熔体流量的大范围调控。
4)设备结构简单，与传统气体雾化设备相比，主要是将熔炼室部分改为压力容器，且工作压力不高于0.8MPa，为第一类低压容器，成本较低，炉盖和炉体连接处增加了锁紧和正压密封装置，安全易控。
5)通过本发明制备方法制得的金属粉末细粉球形度良好、粒度分布窄，而且工艺设备简单、连续性强，适于工业化生产并可广泛应用。
附图说明
图1为一种微细球形金属粉末的气体雾化设备示意图。
附图1标记说明：
1、炉盖，2、金属压圈，3、炉体，4、熔炼坩埚，5、保温坩埚，6、熔炼坩埚加热线圈，7、保温坩埚加热线圈，8、密封材料，9、熔体导流嘴，10、气体雾化器，11、雾化罐，12、真空泵组，13、旋风分离器，14、粉末收集器一，15、粉末收集器二。
图2炉盖-炉体-锁紧密封装置示意图，A-A剖面；
附图2标记说明：
1、炉盖，2、金属压圈，3、炉体，16、橡胶密封圈，17、垫板
图3为炉盖-炉体-锁紧密封装置俯视图；
图4为金属压圈俯视图；
图5为炉盖俯视图；图中，17为垫板；
图6为实施例粉末收集器14中的粉末样品的粒度分布；
图7为实施例粉末收集器14中的粉末样品的形貌；
图8为实施例粉末收集器15中的粉末样品的粒度分布；
图9为实施例粉末收集器15中的粉末样品的形貌。
具体实施方式
本发明提供了一种微细球形金属粉末的气体雾化制备方法及其设备，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
附图1所示的用于生产微细球形金属粉末的气体雾化设备，主要由熔炼室、雾化罐体、真空系统、粉末收集系统等四部分组成，熔炼室与雾化罐体均采用双层水冷结构。
在熔炼室内设置有熔炼炉，熔炼炉由熔炼坩埚4和加热线圈6构成，熔炼炉偏下部为由保温坩埚5和加热线圈7构成的保温炉，在保温坩埚5底部有导流嘴9，导流嘴9下端被一环缝或环孔雾化器10环绕，导流嘴9和雾化器10同轴。在熔炼室下部连接有雾化罐体11，雾化器10在雾化罐体11顶部，该雾化罐体与熔炼室分别与真空管道连接，该真空管道连接真空泵组12，真空泵组为2-3级。在雾化罐体的底部设置有粉末收集器14，雾化罐体下端与旋风分离器13连接，旋风分离器底部设置有粉末收集器15；旋风分离器用于排出冗余气流以及沉积气流中夹带的细小颗粒，设置有1-2级旋风分离器，使尾气中夹带的固体颗粒的粒度和含量等性能指标达到相关环保要求。
上述熔炼室为压力容器，最低承压为1MPa，熔炼室的炉盖1与炉体3连接处有锁紧密封装置，该装置能够承受真空和正压两种负载，熔炼室与雾化室为相互隔离的腔体，仅通过保温坩埚底部的导流嘴相互连通；所述的炉盖1与炉体3连接处的锁紧密封装置，由金属压圈2和橡胶密封圈16构成(见附图2)，金属压圈上端内侧开有若干单面豁口，沿金属压圈周边均匀分布(见附图4)，炉盖下端法兰开有相同数目的突齿，突齿上面有固定垫板17(见附图5)。
锁紧密封装置工作原理：炉盖与炉体合严，熔炼室内抽真空，炉盖在外界大气压作用下挤压橡胶密封圈，起到密封作用。利用液压系统旋转金属压圈，使金属压圈上端的突齿与炉盖下端法兰边缘的突齿以及垫板对齐，利用定位螺栓定位，防止在向熔炼室内充气过程中金属压圈与炉盖发生相对滑移。向熔炼室内充气，炉体内压力升高，橡胶密封圈受到径向挤压，起到密封作用，金属压圈将炉盖和炉体锁紧。
根据Lubanska经验公式(载于J.Metals，2卷，45-49页，1970)：
熔体雾化后产生的液滴的体积中值粒径(d50,3)随着导流嘴的出口孔径(d0)的降低而降低，Klub为经验常数，中括号内各项从左至右依次代表了熔体/气体运动粘度比、熔体韦伯数以及熔体/气体质量流量比。可知，采用出口孔径较小的导流嘴，可以提高金属粉末的细粉收得率。
在传统的气体雾化工艺中，从雾化器喷出的高速气流会在导流嘴前端形成负压区，负压值一般在10-4～10-2MPa数量级，熔体主要在该负压以及重力作用下克服毛细作用与摩擦阻力通过导流嘴形成射流，为使熔体顺利流出导流嘴，导流嘴的出口孔径一般大于3毫米，否则熔体会由于阻力过大而流动缓慢或流不出导流嘴，进而凝固堵塞导流嘴。
为了提高细粉收得率，本发明采用出口孔径小于3毫米的导流嘴。为了使熔体顺利流出导流嘴形成全液态的微细射流，本发明采用在熔体上方施加压力的方法，即向熔炼室内反充惰性气体至一定正压，将熔体压出导流嘴。反充的惰性气体一般为氮气或氩气。根据导流嘴出口孔径的大小以及熔体的表面张力和粘度等物理性能，在熔体上方施加的驱动压力范围为0.01-0.8MPa。
在传统的气体雾化制粉设备中，熔炼室的炉盖和炉体连接处不具有锁紧和正压密封功能，一般向熔炼室内反充惰性气体至正压0.01MPa，炉盖即可被顶起，且熔炼室不是压力容器，承压能力不高；另外，熔炼室和雾化罐体是相通的，向熔炼室内反充的惰性气体会快速地进入雾化罐体，使熔炼室和雾化罐体内的气压达到平衡，不能在熔炼室和雾化罐体之间建立起稳定的压差。
为了实现在熔体上方施加稳定的正压，本发明在炉盖1和炉体3连接处采用锁紧密封装置，且按压力容器标准设计熔炼室，最低承压1MPa；另外，将熔炼室和雾化罐体设计成两个相互隔离的腔体，仅通过保温坩埚5底部的导流嘴9相通。
实施例：微细球形AlSi10Mg合金粉末的制备
熔炼炉采用中频感应加热，熔炼坩埚4材料为石墨。保温炉采用石墨加热体加热，保温坩埚5材料为石墨。导流嘴9材料为石墨，出口孔径为1.5mm。采用不锈钢环孔雾化器：Φ0.8×20，即喷孔内径0.8mm，喷孔数20。采用机械泵-罗茨泵两级真空系统。采用两级旋风分离系统。
称量AlSi10Mg合金10公斤，加入到熔炼坩埚4内。炉盖1与炉体3合严，抽真空至10- 1Pa。液压驱动金属压圈2，使金属压圈上端突齿与炉盖下端边缘突齿对齐，使用定位螺栓将炉盖1和金属压圈2相对位置固定。向熔炼室和雾化罐体内反充氮气至1atm。开启保温炉加热，加热至800℃，保温。开启熔炼炉中频加热，10kw预热，40kw化料，加热至800℃，20kw保温与电磁搅拌，熔体过热度约为200K。向熔炼室内反充氮气至0.1MPa。开启旋风分离器。关闭保温炉加热。倾转熔炼坩埚4，将熔体转移至保温坩埚5，熔体从导流嘴9流出，开启雾化器10，雾化气体压力2.5MPa。熔体被击碎，形成大量喷射熔滴，熔滴冷凝形成粉末。喷射时间约为7分钟。关闭熔炼炉中频加热与旋风分离器，释放熔炼室正压。待粉末冷却后收集粉末，出粉率高于95％。
图6为粉末收集器14中的粉末样品的粒度分布，利用激光粒度分析仪测得，d50,3＝64.10μm，粒度分布表征参数(d90,3-d10,3)/d50,3＝(157.6μm-24.95μm)/64.10μm≈2.07。粒度<53μm的粉末收得率为39.5％。图7为粉末收集器14中的粉末样品在扫描电镜(SEM)下的形貌，球形度良好，大球表面粘有少量卫星球，为气雾化粉末尤其是轻合金粉末中常见的现象。
图8为粉末收集器15中的粉末样品的粒度分布，利用激光粒度分析仪测得，d50,3＝37.83μm，粒度分布表征参数(d90,3-d10,3)/d50,3＝(95.38μm-10.35μm)/37.83μm≈2.25。粒度<53μm的粉末收得率为69.5％。图9为粉末收集器15中的粉末样品在扫描电镜(SEM)下的形貌，球形度良好，表面光洁。
将粉末收集器14与15中的粉末混合均匀，称量100g，利用标准振动筛筛分，筛网为270目，振动时间为15分钟，测量270目下(即53微米以下)粉末的收得率。进行三次测试求平均值，270目下粉末的收得率为42.3％，氧含量<300ppm。
利用超声波振动筛对混合好的粉末进行筛分，筛网为270目，将270目下与270目上粉末分别收集并进行真空封装。

Claims (4)

1.一种微细球形金属粉末的气体雾化制备方法，其特征在于，气体雾化设备为：熔炼室内设置有熔炼炉，熔炼炉由熔炼坩埚(4)和加热线圈(6)构成，熔炼炉偏下部为由保温坩埚(5)和加热线圈(7)构成的保温炉，在保温坩埚(5)底部有导流嘴(9)，导流嘴(9)下端被一环缝或环孔雾化器(10)环绕，导流嘴(9)和雾化器(10)同轴，熔炼室下部连接雾化罐体(11)，雾化器(10)在雾化罐体(11)顶部；
所述雾化罐体(11)与熔炼室分别与真空管道连接，该真空管道连接真空泵组(12)，雾化罐体(11)下端与旋风分离器(13)连接，在雾化罐体(11)与旋风分离器(13)的底部分别设置有粉末收集器(14)、(15)，其中熔炼室是一个压力容器，能够承受真空和正压两种负荷，能够承受的内压最低为1MPa；
所述熔炼室与雾化罐体(11)相互隔离，仅通过保温坩埚(5)底部的导流嘴(9)连通；
所述熔炼室的炉盖(1)与炉体(3)通过锁紧密封装置连接，该装置由金属压圈(2)和橡胶密封圈(16)构成，金属压圈(2)上端内侧开有若干单面豁口，沿金属压圈周边均匀分布，炉盖(1)下端法兰开有相同数目的突齿，突齿上面有固定垫板(17)；橡胶密封圈(16)在承受真空和正压载荷时均起到密封作用，金属压圈(2)在熔炼室内为正压状态时锁紧炉盖和炉体；
通过所述气体雾化设备制备微细球形金属粉末的方法包括如下工艺步骤：
(1)熔炼－在惰性气氛中用熔炼炉将物料熔化成液态金属；
(2)导流－将金属熔体从熔炼坩埚(4)转移至保温坩埚(5)，在正压驱动下金属熔体通过保温坩埚(5)底部的导流嘴(9)形成射流；
(3)雾化－金属熔体射流与环绕导流嘴的超音速气体射流相遇，在超音速气流的撞击下，雾散成金属液滴；
(4)冷却－金属液滴在雾化罐体中飞行时与高速气流发生剧烈的热量交换，快速凝固冷却成粉，在粉末收集器(14)与(15)中进一步冷却至室温；
(5)筛分与封装－利用振动筛等筛分设备将粉末分级后即为产品，并封装储存；
所述步骤(2)中正压驱动是在熔体上方施加稳定正压，熔体在压力推动下通过保温坩埚(5)底部的导流嘴(9)形成射流，所述稳定正压是通过向熔炼室内反充氮气或氩气从而在金属熔体上方建立的，所述在熔体上方施加的稳定正压，即熔炼室与雾化罐体内的压力差，调节范围为0.01～0.8MPa；在向熔炼室内反充氮气或氩气的同时，开启旋风分离器(13)，使雾化罐体(11)内气压保持在一个大气压上，当熔炼室与雾化罐体(11)之间的压力差达到设定值，将金属熔体转移至保温坩埚(5)，同时停止向熔炼室内充气，金属熔体在正压驱动下流出保温坩埚底部的导流嘴(9)形成射流；
所述步骤(3)雾化中，喷出超音速气体射流的雾化器(10)内的雾化气体压力为0.2-6MPa。
2.根据权利要求1所述的微细球形金属粉末的气体雾化制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中物料熔化是使物料处于10-2～100Pa的真空状态下，再向熔炼室和雾化罐体内充入氮气或氩气，气体压力为1atm，用电阻加热或感应加热方式将物料熔化，使熔体达到100-300K的过热度。
3.根据权利要求1所述的微细球形金属粉末的气体雾化制备方法，其特征在于，所述保温坩埚(5)底部的导流嘴(9)的出口孔径为0.1～3mm。
4.根据权利要求1所述的微细球形金属粉末的气体雾化制备方法，其特征在于，导流嘴(9)的材料为石墨、氮化硼、氧化锆、氧化铝。
CN201710647595.3A 2017-08-01 2017-08-01 一种微细球形金属粉末的气体雾化制备方法及其设备 Active CN107262730B (zh)

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