CN113020611B - 一种基于气雾化制粉工艺元素烧损的金属粉末制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料设计领域，涉及一种基于气雾化制粉工艺元素烧损的金属粉末制造方法，包括以下步骤：根据设备结构参数、材料参数和工艺参数建立气雾化工艺过程有限元模型，获得气雾化制粉工艺过程金属液温度场和压力场历史信息，得到烧损元素的类型和含量，按新的元素配比更新材料参数，重复前述步骤，直到得到金属材料最佳元素配比，即元素烧损后，金属材料中各元素含量在目标金属材料的各元素含量区间内；在金属材料熔炼阶段，按照最佳元素配比进行熔炼，即在金属材料熔炼阶段，得到含有过量烧损元素的金属材料，得到满足设计要求的金属粉末。与现有技术相比，本发明可以避免或减少气雾化工艺过程元素烧损造成对粉末性能的影响。

Description

一种基于气雾化制粉工艺元素烧损的金属粉末制造方法
技术领域
本发明属于金属材料设计领域，涉及一种考虑气雾化制粉工艺元素烧损的金属粉末制造方法。特别涉及一种可以降低由气雾化制粉工艺过程由元素烧损带来的对粉末性能不利影响。
背景技术
金属材料由于其优越的力学性能和物理性能，被广泛的用于航空航天、汽车、船舶等工业领域。各类金属材料的强化机制主要靠添加一些微量元素，依靠这些微量元素在基体内形成细小弥散的析出相来强化或形成固溶体依靠固溶强化效果，同时，这些微量元素也可以成为金属材料凝固时的异质形核点，从而可以细化晶粒，减少材料中的裂纹源，使的材料的强度和韧性都得到提升。
随着增材制造技术的发展，金属材料作为一种高强度、高塑性的金属材料，被广泛应用于增材制造工艺中。在增材制造工艺当中使用最多的材料形式为金属粉末，而制备金属粉末的最广泛的方法就是气雾化制粉工艺，由于在气雾化制粉工艺中，采用高速气体与过热的金属液体交互作用产生金属粉末。由于金属液过热，且高速气流容易在制粉区域产生低压环境，对于一些饱和蒸汽压力和温度低的合金元素，将会从金属液中沸腾逸出，造成元素烧损，从而使得在后续制造使用这些粉末的工艺，制造工件的性能将会大大折扣。对于元素烧损问题，CN109763030A提出在金属熔炼过程中烧损元素补充的方法，这种方法主要针对的金属熔炼工艺问题，针对气雾化制粉工艺过程，第一，很多材料在熔炼阶段并不存在烧损问题，因为温度相对气雾化要低，压力相对气雾化工艺高，第二，气雾化制粉工艺是个瞬态过程，在气雾化工艺过程补偿的烧损元素，不可以立即均匀分布在金属液中，从而影响粉末质量；第三，加入的量无法确定，过量或过少都会影响金属粉末性能；第四，安全性问题，低沸点材料加入高熔点材料，会引起金属液飞溅，边熔炼，边补充的方法并不使用于任何材料；CN107671289B提出优化工艺的方法，即通过调节工艺手段避免达到元素烧损的物理条件，这种方法不能使用在气雾化制粉工艺过程，气雾化是高速气流和金属液直接作用，高速气体必定产生低压环境，其次是温度，金属液的温度也不能过低，过低温度的金属，会严重影响气雾化制粉工艺过程，使金属液未完成气雾化过程就发生凝固，严重影响气雾化制粉工艺的得粉率。目前并没有很好的方法去避免气雾化制粉工艺过程元素烧损这个难题，从而很大程度上影响了由金属粉末的性能。
在气雾化制粉工艺过程中，一般金属材料中都包含多种元素，而气雾化物理过程中，会产生高温低压的环境，所以会导致某些元素在气雾化过程中发生元素烧损，从而会导致金属粉末的性能改变，违背金属材料的设计要求，避免或减少气雾化制粉工艺过程元素烧损的问题，必须寻找有效途径。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于气雾化制粉工艺元素烧损的金属粉末制造方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于气雾化制粉工艺元素烧损的金属粉末制造方法，包括以下步骤：
步骤一：根据设备结构参数、材料参数和工艺参数建立气雾化工艺过程有限元模型，获得气雾化制粉工艺过程金属液温度场和压力场历史信息；
步骤二：基于步骤一得到的金属液温度场和压力场历史信息，结合各元素蒸发的物理方程，得到烧损元素的类型和含量，按新的元素配比更新步骤一所涉及的材料参数，改变材料参数，重复步骤一和步骤二，直到得到金属材料最佳元素配比，即元素烧损后，金属材料中各元素含量在目标金属材料的各元素含量区间内；
步骤三：在金属材料熔炼阶段，按照最佳元素配比进行熔炼，即在金属材料熔炼阶段，得到含有过量烧损元素的金属材料；
步骤四：使用步骤三中的金属材料进行气雾化制粉工艺过程，得到满足设计要求的金属粉末。
步骤一所述的设备结构参数包括气雾化制粉设备壁面材料和几何结构参数、喷嘴的材料和几何结构参数、气门的几何结构参数以及各自的几何位置关系步骤一所述的材料参数包括加入气雾化制粉工艺用设备内的金属材料的组成元素、各元素的含量、以及各元素的熔点和各元素的沸点与压力和温度之间的关系。
步骤一所述的工艺参数包括气门压力值，气体温度，气门入射角度，金属液过热度，以及气雾化室的压力值。
步骤一所述的有限元模型应当能够计算实际气雾化所设计的物理过程，包括传热过程、传质过程、凝固过程、湍流过程和气液多相流交互作用过程，其中有限元模型的网格尺寸应当小于最小粉末粒径。
步骤二所述的烧损元素的类型和含量通过烧损量物理方程计算得出，烧损量物理方程为：
Figure BDA0002967971690000031
Figure BDA0002967971690000032
Figure BDA0002967971690000033
其中PE为烧损元素的饱和蒸汽压，T(t)为气雾化制粉工艺过程温度场历史数据，M为烧损元素原子重量，γE为烧损元素的活度系数，XE为烧损元素的摩尔分数，Eloss为气雾化过程烧损元素总量，n为满足元素烧损条件的时间段总和，α(t)为烧损元素在不同时刻的烧损速率，f(t)为烧损元素的在不同时刻质量分数，C1、C2、C3、C4、C5为与烧损元素相关的常数。
对有限元模型和元素烧损量的计算物理模型进行矫正，其中有限元模型的矫正是根据实测金属粉末的元素含量，与加入气雾化制粉工艺用设备内的金属元素量进行比较，得到修正系数，调整有限元模型；随着工艺参数和材料参数的变化，有限元模型做相应修改，以符合实际物理过程和精度要求。
对有限元模型计算气雾化物理过程的时间长度不小于1s，即发生部分液滴发生凝固。
金属材料各元素含量重新设计是基于目标金属材料各元素成分含量和烧损元素量的关系，重新配比各元素含量，即在金属材料熔炼阶段按新的元素配比制备金属材料，形成含有过量烧损元素的金属材料。
金属材料包括钛合金、铝合金、镁合金、复合材料或黑色金属材料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明提供一种考虑气雾化制粉工艺元素烧损的金属材料设计方法，包括气雾化制粉工艺过程烧损元素类型和含量确定，所谓的气雾化制粉工艺过程烧损元素类型和含量确定，是通过得到气雾化制粉工艺过程金属液的温度场和压力场的历史信息，来确定气雾化制粉工艺工程元素烧损类型和含量，主要通过实际气雾化制粉工艺过程有限元建模，即根据气雾化过程设备结构参数、材料参数以及工艺参数来建立有限元模型，并根据各元素烧损的条件和烧损量的物理方程，来获得烧损元素类型和含量；金属材料各元素含量重新设计，基于目标金属材料各元素成分含量和烧损元素量的关系，重新配比各元素含量，即在金属材料熔炼阶段按新的元素配比制备金属材料，形成含有过量烧损元素的金属材料，使其在某些元素烧损后，依然可以满足最初的金属材料各元素含量设计要求，从而可以避免或减少气雾化工艺过程元素烧损造成对粉末性能的影响。
2.本发明提供了一种考虑气雾化制粉工艺元素烧损的金属材料设计方法，主要是通过建立气雾化制粉工艺过程有限元模型，获得金属液温度场和压力场历史数据，基于元素烧损物理模型，得出在气雾化工艺工程元素烧损的量，在金属材料熔炼阶段按新的元素配比制备材料，形成过量烧损元素的金属材料，在保障安全性的同时，避免了由元素烧损影响到金属材料的性能，以及避免了大量重复的实验造成人力物力损失。
附图说明
图1示出了气雾化制粉工艺流程图；
图2示出了气雾化制粉工艺设备结构和计算域；
图3示出了气雾化制粉工艺材料参数随温度变化过程；
图4示出了气雾化制粉工艺过程压力场信息；
图5示出了气雾化制粉工艺工程温度场信息。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提出了一种考虑气雾化制粉工艺元素烧损的金属材料设计方法，包括气雾化制粉工艺过程烧损元素类型和含量确定和金属材料各元素含量重新设计；所谓的气雾化制粉工艺过程烧损元素类型和含量确定，是通过得到气雾化制粉工艺过程金属液的温度场和压力场的历史信息，来确定气雾化制粉工艺工程元素烧损类型和含量，主要通过实际气雾化制粉工艺过程有限元建模，即根据气雾化过程设备结构参数、材料参数以及工艺参数来建立有限元模型，并根据各元素烧损的条件和烧损量的物理方程，来获得烧损元素类型和含量；金属材料各元素含量重新设计，基于目标金属材料各元素成分含量和烧损元素量的关系，重新配比各元素含量，即在金属材料熔炼阶段按新的元素配比制备金属材料，形成含有过量烧损元素的金属材料，使其在某些元素烧损后，依然可以满足最初的金属材料各元素含量设计要求，从而可以避免或减少气雾化工艺过程元素烧损造成对粉末性能的影响。所述的有限元模型和元素烧损量的物理方程是经过实验验证的可靠模型。
其中所属的有限元模型，是根据实际气雾化制粉工艺过程的设备结构参数、材料参数以及工艺参数所建立的模型，并能够精确获得该工艺过程金属液所处的温度场和压力场历史信息。
其中所述的烧损量物理方程是基于各元素的蒸发条件所建立的定量计算模型。
其中所述的金属材料各元素含量重新设计主要是基于模型计算后得到的元素烧损量，在金属材料熔炼阶段按照新的元素配比，形成过量烧损元素的金属材料。
本发明方法适用于各种金属材料，金属材料包括钛合金、铝合金、镁合金、复合材料或黑色金属材料，复合材料包括Ti金属基复合材料、TiB2金属基复合材料、SiC金属基复合材料等，黑色金属材料包括模具钢H13、T15号钢、马氏体钢，奥氏体不锈钢316L、马氏体不锈钢15-5PH和马氏体不锈钢17-4PH等。
实施例1
下面以TiB2-AlSi10Mg复合金属材料为例，采用本发明上述方法制造TiB2-AlSi10Mg金属粉末，具体包括以下步骤(参见图1所示)：
步骤一：根据设备结构参数、材料参数和工艺参数建立气雾化工艺过程有限元模型，获得气雾化制粉工艺过程金属液温度场和压力场历史信息；
气雾化制粉工艺用设备如图1所示，为株洲汉和工业设备有限公司生产的真空气雾化制粉设备，所述的设备的壁面材料和喷嘴的材料为不锈钢、喷嘴几何结构参数、气门的几何结构参数以及各自的几何位置关系如图2所示。喷嘴的直径为5mm，气门直径为1.5mm，气门底部中心到喷嘴底部中心的水平距离11mm，垂直距离7.5mm，气门的入射角度73度。
所述的材料参数包括加入气雾化制粉工艺用设备内的金属材料的组成元素如表1所示，各物理性质参数如图3所示，包括材料的密度、热导率、熔化潜热、比热容、表面张力、粘度。
表1.TiB2-AlSi10Mg复合金属材料元素组成
元素 Si Mg Fe Ti B Al
质量分数.(％) 9.61 0.41 0.13 4.81 2.19 Bal.
所述的工艺参数如表2所示：
表2气雾化制粉工艺参数
金属液初速V2 金属液温度T1 气体(氮气)压力P 气体温度T2
5m/s 1050K 0.2MPa 300K
有限元模型包括传热过程、传质过程、凝固过程、湍流过程(SST k-w)和气液多相流交互作用过程物理模型(VOF)，应当流体计算有限元软件中考虑这些物理过程，并调用相关的物理模型，本范例使用商用ANSYS FLUENT软件进行相关的计算工作：首先根据设计的物理过程选用相关的物理模型，包括多相流模型，能量方程，凝固模型，湍流模型(SST k-w)，再根据材料相关参数定义材料的属性，参照图3所示，在根据实际的工艺参数定义边界条件，如表2所示，由于实际的金属粉末的最小粒径为5μm，所以在划分网格时网格尺寸应当小于5μm，本范例划分到3μm，最后设置计算步数和步长,时间步长为5e-5，计算步为24000步。
步骤二：根据有限元模型得到金属液温度场和压力场的历史信息，计算时间长度为1.2s如图3和图4所示，通过计算可以得到不同时刻的烧损情况，如图5所示。并根据元素饱和蒸汽压和温度公式(由于该合金中最易烧损的元素为Mg元素，以Mg为调控量，C1、C2、C3为与元素饱和蒸汽压和温度有关的常数，可参考《物理化学手册》，本实施例中C1＝7750，C2＝1.41，C3＝12.79，C4为材料热力学相关常数，可参考《材料热力学手册》C4＝0.583，C5为修正因子常数，可以通过实验获得修正，C5＝7.5)：
Figure BDA0002967971690000071
其中PE为烧损元素的饱和蒸汽压，T(t)为气雾化制粉工艺过程温度场历史数据。
确定元素烧损的条件，并根据有限元场的温度的历史信息可以确定每个烧损条件下所持续的时间长度，则不同条件下的烧损率α为：
Figure BDA0002967971690000072
其中，M为烧损元素原子重量，γMg为烧损元素的活度系数，XMg为烧损元素的摩尔分数，所以整个气雾化工艺工程的Mg元素烧损量Mgloss为：
Figure BDA0002967971690000073
α(t)为烧损元素在不同时刻的烧损速率，f(t)为烧损元素的在不同时刻质量分数,所以通过计算可得在气雾化过程每250g的金属液损失0.5g的Mg元素。
根据计算得到的Mg的损失量，在材料参数中重新增加相应的Mg元素，重复步骤1，2，直至粉末中的Mg元素含量符合预期值，材料参数各元素含量如表3所示：
表3粉末元素含量与目标元素设计含量
Figure BDA0002967971690000074
步骤三：在铝合金熔炼阶段按照上述元素含量进行重新设计，最后进行气雾化制粉工艺，制的粉末，对比优化前后的金属粉末各元素含量与目标含量，发现优化后，Mg元素烧损量在接受范围之内。
表4优化前后粉末元素含量与目标元素设计含量之间的对比
Figure BDA0002967971690000075
Figure BDA0002967971690000081
从表4，可以看出，采用本发明方法优化后制得的金属粉末各元素含量与目标铝合金各元素含量更接近。
实施例2
下面以模具钢M2黑色金属材料为例，采用本发明上述方法制造模具钢M2金属粉末，具体包括以下步骤(参见图1所示)：
步骤一：根据设备结构参数、材料参数和工艺参数建立气雾化工艺过程有限元模型，获得气雾化制粉工艺过程金属液温度场和压力场历史信息；
气雾化制粉工艺用设备，为株洲汉和工业设备有限公司生产的真空气雾化制粉设备，所述的设备的壁面材料和喷嘴的材料为不锈钢、喷嘴几何结构参数、气门的几何结构参数以及各自的几何位置关系参见图2所示喷嘴的直径为5mm，气门直径为1.5mm，气门底部中心到喷嘴底部中心的水平距离11mm，垂直距离7.5mm，气门的入射角度73度。
所述的材料参数包括加入气雾化制粉工艺用设备内的金属材料的组成元素如表5所示，各物理性质参数包括材料的密度、热导率、熔化潜热、比热容、表面张力、粘度。
表5.M2黑色金属材料元素组成
元素 C Si Mn Cr Mo V W Fe
质量分数.(％) 0.85 0.3 0.45 3.8 4.8 2.1 5.8 Bal
所述的工艺参数如表6所示：
表6气雾化制粉工艺参数
金属液初速V2 金属液温度T1 气体(氮气)压力P 气体温度T2
5m/s 1700K 2MPa 300K
有限元模型包括传热过程、传质过程、凝固过程、湍流过程(SST k-w)和气液多相流交互作用过程物理模型(VOF)，应当流体计算有限元软件中考虑这些物理过程，并调用相关的物理模型，本范例使用商用ANSYS FLUENT软件进行相关的计算工作：首先根据设计的物理过程选用相关的物理模型，包括多相流模型，能量方程，凝固模型，湍流模型(SST k-w)，再根据材料相关参数定义材料的属性，参照图3所示，在根据实际的工艺参数定义边界条件，参照表2所示，由于实际的金属粉末的最小粒径为5μm，所以在划分网格时网格尺寸应当小于5μm，本范例划分到3μm，最后设置计算步数和步长,时间步长为5e-5，计算步为24000步。
步骤二：根据有限元模型得到金属液温度场和压力场的历史信息，计算时间长度为1.2s参见图3和图4所示，通过计算可以得到不同时刻的烧损情况，参见图5所示。并根据元素饱和蒸汽压和温度公式(由于该合金中最易烧损的元素为Mn元素，以Mn为调控量，本实施例中C1＝-13945，C2＝0，C3＝6.3，C4为材料热力学相关常数，可参考《材料热力学手册》C4＝0.769，C5为修正因子常数，可以通过实验获得修正，C5＝5.1)：
Figure BDA0002967971690000091
其中PMn为烧损元素Mn的饱和蒸汽压，T(t)为气雾化制粉工艺过程温度场历史数据。
确定元素烧损的条件，并根据有限元场的温度的历史信息可以确定每个烧损条件下所持续的时间长度，则不同条件下的烧损率α为：
Figure BDA0002967971690000092
其中，M为烧损元素原子重量，γMn为烧损元素的活度系数，XMn为烧损元素的摩尔分数，所以整个气雾化工艺工程的Mn元素烧损量Mnloss为：
Figure BDA0002967971690000093
α(t)为烧损元素在不同时刻的烧损速率，f(t)为烧损元素的在不同时刻质量分数,所以通过计算可得在气雾化过程每810g的金属液损失1.2g的Mn元素。
根据计算得到的Mn的损失量，在材料参数中重新增加相应的Mg元素，重复步骤1，2，直至粉末中的Mn元素含量符合预期值，材料参数各元素含量如表7所示：
表7粉末元素含量与目标元素设计含量
Figure BDA0002967971690000094
Figure BDA0002967971690000101
步骤三：在铝合金熔炼阶段按照上述元素含量进行重新设计，最后进行气雾化制粉工艺，制的粉末，对比优化前后的金属粉末各元素含量与目标含量，发现优化后，Mn元素烧损量在接受范围之内。
表8优化前后粉末元素含量与目标元素设计含量之间的对比
Figure BDA0002967971690000102
从表8，可以看出，采用本发明方法优化后制得的金属粉末各元素含量与目标铝合金各元素含量更接近。
实施例3:
下面以铝合金AlSi12材料为例，采用本发明上述方法制造铝合金AlSi12金属粉末，具体包括以下步骤(参见图1所示)：
步骤一：根据设备结构参数、材料参数和工艺参数建立气雾化工艺过程有限元模型，获得气雾化制粉工艺过程金属液温度场和压力场历史信息；
气雾化制粉工艺用设备，为株洲汉和工业设备有限公司生产的真空气雾化制粉设备，所述的设备的壁面材料和喷嘴的材料为不锈钢、喷嘴几何结构参数、气门的几何结构参数以及各自的几何位置关系参见图2所示喷嘴的直径为5mm，气门直径为1.5mm，气门底部中心到喷嘴底部中心的水平距离11mm，垂直距离7.5mm，气门的入射角度73度。
所述的材料参数包括加入气雾化制粉工艺用设备内的金属材料的组成元素如表9所示，各物理性质参数包括材料的密度、热导率、熔化潜热、比热容、表面张力、粘度。
表9.M2黑色金属材料元素组成
元素 Si Mn Ni Zn Sn Pb Mg Cu Ti Fe Al
质量分数.(％) 11.2 0.13 0.28 0.15 0.01 0.03 0.8 1.5 0.18 0.6 Bal
所述的工艺参数如表10所示：
表10气雾化制粉工艺参数
金属液初速V2 金属液温度T1 气体(氮气)压力P 气体温度T2
5m/s 1000K 0.3MPa 300K
有限元模型包括传热过程、传质过程、凝固过程、湍流过程(SST k-w)和气液多相流交互作用过程物理模型(VOF)，应当流体计算有限元软件中考虑这些物理过程，并调用相关的物理模型，本范例使用商用ANSYS FLUENT软件进行相关的计算工作：首先根据设计的物理过程选用相关的物理模型，包括多相流模型，能量方程，凝固模型，湍流模型(SST k-w)，再根据材料相关参数定义材料的属性，参照图3所示，在根据实际的工艺参数定义边界条件，参照表2所示，由于实际的金属粉末的最小粒径为5μm，所以在划分网格时网格尺寸应当小于5μm，本范例划分到3μm，最后设置计算步数和步长,时间步长为5e-5，计算步为24000步。
步骤二：根据有限元模型得到金属液温度场和压力场的历史信息，计算时间长度为1.2s参考图3和图4所示，通过计算可以得到不同时刻的烧损情况，参考图5所示。并根据元素饱和蒸汽压和温度公式(由于该合金中最易烧损的元素为Mg和Zn元素，Mg请参考范例1，以Zn为调控量，本实施例中C1＝-6286，C2＝0，C3＝5.378，C4为材料热力学相关常数，可参考《材料热力学手册》C4＝0.854，C5为修正因子常数，可以通过实验获得修正，C5＝6.9))：
Figure BDA0002967971690000111
Figure BDA0002967971690000112
其中PMn为烧损元素Mn的饱和蒸汽压，PZn为烧损元素Zn的饱和蒸汽压，T(t)为气雾化制粉工艺过程温度场历史数据。
确定元素烧损的条件，并根据有限元场的温度的历史信息可以确定每个烧损条件下所持续的时间长度，则不同条件下的烧损率α为：
Figure BDA0002967971690000113
Figure BDA0002967971690000114
其中，M为烧损元素原子重量，γMn为烧损元素的活度系数，XMn为烧损元素的摩尔分数，所以整个气雾化工艺工程的Mn元素烧损量Mnloss为：
Figure BDA0002967971690000121
Figure BDA0002967971690000122
α(t)为烧损元素在不同时刻的烧损速率，f(t)为烧损元素的在不同时刻质量分数,所以通过计算可得在气雾化过程每300g的金属液损失1.2g的Mn元素。
根据计算得到的Mn的损失量，在材料参数中重新增加相应的Mg元素，重复步骤1，2，直至粉末中的Mn元素含量符合预期值，材料参数各元素含量如表11所示：
表11粉末元素含量与目标元素设计含量
元素 Si Mn Ni Zn Sn Pb Mg Cu Ti Fe Al
目标含量 11.2 0.13 0.28 0.15 0.01 0.03 0.8 1.5 0.18 0.6 Bal
最终含量 11.2 0.13 0.28 0.02 0.01 0.03 0.5 1.5 0.18 0.6 Bal
步骤三：在铝合金熔炼阶段按照上述元素含量进行重新设计，最后进行气雾化制粉工艺，制的粉末，对比优化前后的金属粉末各元素含量与目标含量，发现优化后，Mn元素烧损量在接受范围之内。
表12优化前后粉末元素含量与目标元素设计含量之间的对比
Figure BDA0002967971690000123
从表12，可以看出，采用本发明方法优化后制得的金属粉末各元素含量与目标铝合金各元素含量更接近。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于气雾化制粉工艺元素烧损的金属粉末制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据设备结构参数、材料参数和工艺参数建立气雾化工艺过程有限元模型，获得气雾化制粉工艺过程金属液温度场和压力场历史信息；
步骤二：基于步骤一得到的金属液温度场和压力场历史信息，结合各元素蒸发的物理方程，得到烧损元素的类型和含量，按新的元素配比更新步骤一所涉及的材料参数，改变材料参数，重复步骤一和步骤二，直到得到金属材料最佳元素配比，即元素烧损后，金属材料中各元素含量在目标金属材料的各元素含量区间内；
所述的烧损元素的类型和含量通过烧损量物理方程计算得出，烧损量物理方程为：
Figure FDA0003530649640000011
Figure FDA0003530649640000012
Figure FDA0003530649640000013
其中PE为烧损元素的饱和蒸汽压，T(t)为气雾化制粉工艺过程温度场历史数据，M为烧损元素原子重量，γE为烧损元素的活度系数，XE为烧损元素的摩尔分数，Eloss为气雾化过程烧损元素总量，n为满足元素烧损条件的时间段总和，α(t)为烧损元素在不同时刻的烧损速率，f(t)为烧损元素的在不同时刻质量分数，C1、C2、C3、C4、C5为与烧损元素相关的常数；
步骤三：在金属材料熔炼阶段，按照最佳元素配比进行熔炼，即在金属材料熔炼阶段，得到含有过量烧损元素的金属材料；
步骤四：使用步骤三中的金属材料进行气雾化制粉工艺过程，得到满足设计要求的金属粉末。
2.根据权利要求1所述的一种基于气雾化制粉工艺元素烧损的金属粉末制造方法，其特征在于，步骤一所述的设备结构参数包括气雾化制粉工艺用设备的壁面材料和几何结构参数、喷嘴的材料和几何结构参数、气门的几何结构参数以及各自的几何位置关系。
3.根据权利要求1所述的一种基于气雾化制粉工艺元素烧损的金属粉末制造方法，其特征在于，步骤一所述的材料参数包括加入气雾化制粉工艺用设备内的金属材料的组成元素、各元素的含量、以及各元素的熔点和各元素的沸点与压力和温度之间的关系。
4.根据权利要求1所述的一种基于气雾化制粉工艺元素烧损的金属粉末制造方法，其特征在于，步骤一所述的工艺参数包括喷嘴出口处金属液初速、金属液初始温度、气门处气体压力、气体温度和气门的入射角度。
5.根据权利要求1所述的一种基于气雾化制粉工艺元素烧损的金属粉末制造方法，其特征在于，步骤一所述的有限元模型应当能够计算实际气雾化所设计的物理过程，包括传热过程、传质过程、凝固过程、湍流过程和气液多相流交互作用过程，其中有限元模型的网格尺寸应当小于最小粉末粒径。
6.根据权利要求1所述的一种基于气雾化制粉工艺元素烧损的金属粉末制造方法，其特征在于，对有限元模型和元素烧损量的计算物理模型进行矫正，其中有限元模型的矫正是根据实测金属粉末的元素含量，与加入气雾化制粉工艺用设备内的金属元素量进行比较，得到修正系数，调整有限元模型；随着工艺参数和材料参数的变化，有限元模型做相应修改，以符合实际物理过程和精度要求。
7.根据权利要求1所述的一种基于气雾化制粉工艺元素烧损的金属粉末制造方法，其特征在于，对有限元模型计算气雾化物理过程的时间长度不小于1s，即发生部分液滴发生凝固。
8.根据权利要求1所述的一种基于气雾化制粉工艺元素烧损的金属粉末制造方法，其特征在于，金属材料各元素含量重新设计是基于目标金属材料各元素成分含量和烧损元素量的关系，重新配比各元素含量，即在金属材料熔炼阶段按新的元素配比制备金属材料，形成含有过量烧损元素的金属材料。
9.根据权利要求1所述的一种基于气雾化制粉工艺元素烧损的金属粉末制造方法，其特征在于，金属材料包括钛合金、铝合金、镁合金、复合材料或黑色金属材料。
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