CN1753749A - 制造微粒的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制造微粒的方法及其装置。按照该制造方法，通过熔化原料、用以形成微粒的熔融材料1以液滴1a或射流的方式被供给到冷却液3中，迫使已经形成的、包覆在供给到冷却液3中的熔融材料上的蒸汽膜破裂，以促进蒸汽爆炸，从而形成微粒并对其进行冷却和固化。所述制造方法和装置能够容易地将高熔点原料成形为微粒，并且能够相对容易地制造出亚微米级微粒——这种微粒很难用以前研发的技术制造出来。通过调整微粒成形和微粒冷却固化的条件，能够使该方法和装置制造出非晶体微粒或具有目标粒度的多晶体微粒。

Description

制造微粒的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种制造微粒的方法和装置。特别是，本发明涉及对制造微粒的方法和装置的改进，其中将用来形成微粒的材料熔融、然后通过冷却液的调节使其冷却以便形成微粒并对微粒进行固化。

背景技术

制造金属粉末的传统方法包括向熔融材料液流喷射高压水射流来得到金属粉末的水雾化法；用氮气和氩气代替这种水雾化法中的水射流来喷雾的气雾化法；以及把熔融材料液流喷射到位于高速旋转的旋转鼓内的冷却水中的离心法。还可通过粉碎法如采用磨机等的机械成形、以及通过构造法(buildup)如沉淀法或溶胶-凝胶法来制造微粒。

但是，在水雾化法和气雾化法中，由于是通过高压冷却水或冷却气的射流使熔融材料成形为粉末，因此喷嘴结构复杂，过度的载荷施加在喷嘴上，使其耐久性降低。而在离心法中，为了能够使旋转鼓高速旋转，成形装置的结构也非常复杂。此外，在这些方法中，都是利用撞击能粉碎熔融金属。因此，所得到的微粒尺寸各不相同，微粒的生产十分粗劣。采用机械成形等的粉碎法只能制造最小粒度在100μm左右的较大颗粒，而诸如沉淀法之类的构造法只能制造最大粒度在1μm左右的微粒，但无法获得大于1μm的微粒。因此，采用传统的制造微粒的方法和装置很难得到几微米到10μm，尤其是3微米左右的微粒。而且，在粉碎法中，大部分熔融金属无法转化成微粒，依然残留有结块，从而造成生产下降。此外，粒度的分布呈现出较宽的外形(profile)，因而不能大量获得所需粒径的微粒。

通常，可采用液体淬火法制造非晶体金属。按照这种液体淬火法，可通过将液态熔融金属喷入到冷却液中来冷却和固化熔融金属，从而生产出非晶体金属。即使是采用能够实现相对较高冷却速率的离心法与液体淬火法相结合的方法，两种液体(即熔融材料和冷却液)间的热通量被限制在临界热通量内，在此情况下，基于对流法和传统的沸腾法通过冷却来引发热传导。因此，将冷却速率限制到10⁴至10⁵K/s，并且还得把金属的类型限制为能够转化成非晶体材料的类型。

本申请人在以前提交的专利申请中公开了一种由熔融材料制造微粒和非晶体材料的方法，该方法包括向冷却液中供给通过熔融原料而形成的、用以转化成微粒的熔融材料，利用两种液体之间的流速差产生由气泡自发成核引起的沸腾，并且利用由此产生的压力波来制造微粒和非晶体材料(参见专利文献：WO01/81033和WO01/81032)。

但是，按照本申请人之前提交的专利申请中公开的方法，当使用高熔点材料，如使用熔点为800℃或更高的材料时，通过冷凝无法得到令人满意的蒸汽膜破碎。因此，不能完全实现由熔融材料形成微粒或非晶体材料。

因此，本发明的目的是基于对之前所开发技术的改进，提供一种制造微粒的方法，该方法能够将高熔点的原料制造成微粒，并且能够更容易地生产出之前开发的技术无法容易生产的亚微米级微粒。本发明的另一个目的是提供一种相应的装置。

发明内容

为了达到上述目的，本发明人已经进行了广泛的研究，并且发现能够在预定条件下迫使蒸汽膜破裂，而在此之前认为只有通过冷凝才能将蒸汽膜破裂；通过迫使蒸汽膜破裂来促进蒸汽爆炸，从而导致能够相对容易地形成亚微米级微粒；通过对作为冷却液的水进行调节能够使高熔点的原料成形为微粒。基于这些发现已经实施了本发明。

因此，在本发明的第一种方式中，提供了一种制造微粒的方法，其特征在于该方法包括：向冷却液中供应由熔化原料形成的、用以成形微粒的熔融材料的液滴或射流；迫使已经形成的包覆在熔融材料上的蒸汽膜破裂以便促进蒸汽爆炸，从而有效地将材料成形为微粒，并且对微粒进行固化和冷却。

按照第一种方式，已经形成的包覆在熔融材料上的蒸汽膜被强迫碎裂，以便促进蒸汽爆炸，从而能够容易地得到亚微米级微粒。

相对于第一种方式，本发明的第二种方式涉及一种制造微粒的方法，其中通过在冷却液和混入到冷却液中的熔融材料之间产生流速差来迫使蒸汽膜破裂，这里所述的熔融材料已经被供给到冷却液流中。

按照第二种方式，通过在冷却液和熔融材料间产生流速差来迫使蒸汽膜破裂，从而能够容易地得到亚微米级微粒。

相对于第二种方式，本发明的第三种方式涉及一种制造微粒的方法，其中将冷却液流控制为一单独的高速射流，将熔融材料供给到该高速射流中。

按照第三种方式，混入到高速射流中的熔融材料由于流速差而受到剪切力的作用，从而能够使蒸汽膜破裂。

相对于第二种方式，本发明的第四种方式涉及一种制造微粒的方法，其中通过使多束高速射流撞击来形成冷却液流，熔融材料被供给到高速射流的撞击部分中。

按照第四种方式，混入到由多束高速射流撞击而形成的冷却液流中的熔融材料受到剪切力的作用，从而能够使蒸汽膜破裂。

相对于第四种方式，本发明的第五种方式涉及一种制造微粒的方法，其中通过高速射流的撞击来形成冷却液流，并且所述液流形成在导向器内，用以防止液流的散射。

按照第五种方式，由多束高速射流撞击形成的液流被传送到导向器内，并且通过蒸汽膜破裂使熔融材料成形为微粒。通过对导向器产生的压力波加以反射和限制能够提高形成微粒的效率。

相对于第四或第五种方式，本发明的第六种方式涉及一种制造微粒的方法，其中高速射流在靠近冷却液池中冷却液表面处相互撞击，熔融材料被供给到高速射流的撞击部分处。

按照第六种方式，被供给到高速射流的撞击部分处的熔融材料受到剪切力的作用，然后所述熔融材料被回收到冷却液池中，同时蒸汽膜依然破裂。

相对于第六种方式，本发明的第七种方式涉及一种制造微粒的方法，其中冷却液储存池能够使射流呈现出喷到熔融材料液流上的形式。

按照第七种方式，被供给到高速射流撞击部分上的熔融材料受到剪切力的作用，并且与冷却液的喷流一起都被回收，同时蒸汽膜依然破裂。

相对于前述第四至第七种方式中的任一种，本发明的第八种方式涉及一种制造微粒的方法，其中高速射流引起撞击以便使每束高速射流相对于通过撞击形成的液流都具有4°至80°之间的倾角。

按照第八种方式，高速射流通过撞击与单独的液流融和在一起而不会引起散射。

相对于第二种方式，本发明的第九种方式涉及一种制造微粒的方法，其中通过把冷却液供给到一可动部件上来形成冷却液流，熔融材料被供给到冷却液中。

按照第九种方式，冷却液位于固态可动部件上，从而能够防止冷却液变形，有效地促进由流速差引起的蒸汽膜破裂。

相对于第九种方式，本发明的第十种方式涉及一种制造微粒的方法，其中可动部件为盘状或锥形旋转体。

按照第十种方式，熔融材料被供给到位于旋转体上的冷却液中。因此，通过在熔融材料和位于旋转体上的冷却液之间产生流速差来确保蒸汽膜的破裂。

相对于前述第二至第十种方式中的任一种方式，本发明的第十一种方式涉及一种制造微粒的方法，其中将冷却液和熔融材料间的流速差调整为大于1m/s。

按照第十一种方式，混入到冷却液中的熔融材料受到了由于流速差超过1m/s而产生的剪切力的作用，从而能够使蒸汽膜破裂形成微粒。

相对于第一种方式，本发明的第十二种方式涉及一种制造微粒的方法，其中冷凝冷却液的蒸汽而产生的压力波能够迫使蒸汽膜破裂，这里所述蒸汽已经被供给到冷却液中。

按照第十二种方式，通过冷凝冷却液蒸汽产生了压力波，从而迫使包覆着熔融材料的蒸汽膜破裂，形成微粒。

相对于第十二种方式，本发明的第十三种方式涉及一种制造微粒的方法，其中熔融材料和冷却液蒸汽均被供给到冷却液流中。

按照第十三种方式，与冷却液蒸汽共同被供给到冷却液流中的熔融材料受到了冷凝蒸汽所产生的压力波，从而能够迫使蒸汽膜破裂，形成微粒。

相对于第十三种方式，本发明的第十四种方式涉及一种制造微粒的方法，其中冷却液流形成在导向器内，用以防止液流的散射。

按照第十四种方式，冷却液被供给到导向器内，通过蒸汽膜的破裂形成了熔融材料的微粒。

相对于第十二种方式，本发明的第十五种方式涉及一种制造微粒的方法，其中通过把冷却液蒸汽供应给熔融材料来迫使蒸汽膜破裂，这里所述的熔融材料已经被供给到冷却液中。

按照第十五种方式，通过蒸汽的冷凝迫使蒸汽膜破裂。

相对于前述第一至第十五种方式中的任一种方式，本发明的第十六种方式涉及一种制造微粒的方法，其中用以成形微粒的原料可从熔融灰、高炉矿渣、陶瓷材料和金属中选定一种。

按照第十六种方式，从熔融灰、高炉矿渣、陶瓷材料和金属中选定一种的原料能够形成微粒。

相对于第十六种方式，本发明的第十七种方式涉及一种制造微粒的方法，其中用以成形微粒的原料具有800℃或更高的熔点。

按照第十七种方式，熔点为800℃或更高的熔融材料能够容易地成形为微粒。

相对于前述第一至第十七种方式中的任一种，本发明的第十八种方式涉及一种制造微粒的方法，其中形成微粒以及有效冷却和固化微粒的条件能够被控制，从而制造出非晶体态的微粒。

按照第十八种方式，通过控制形成微粒以及有效冷却和固化微粒的条件来制造出非晶体态的微粒，以便控制由熔融材料形成的微粒的冷却状态。

相对于前述第一至第十七种方式中的任一种，本发明的第十九种方式涉及一种制造微粒的方法，其中形成微粒以及有效冷却和固化微粒的条件能够被控制，从而制造出具有所需晶粒尺寸的多晶体形态的微粒。

按照第十九种方式，通过控制由熔融材料形成的微粒的冷却状态来制造出具有所需晶粒尺寸的多晶体形态的微粒，这里所述由熔融材料形成微粒是通过控制微粒成形条件以及有效冷却和固化微粒的条件实现的。

相对于前述第一至第十九种方式中的一种，本发明的第二十种方式涉及一种制造微粒的方法，其中冷却液中含有盐。

按照第二十种方式，通过向冷却液中添加盐促进了包覆着熔融材料的蒸汽膜的破裂。

相对于前述第一至第二十种方式中的一种，本发明的第二十一种方式涉及一种制造微粒的方法，其中冷却液中含有能够扰乱冷却液和蒸汽膜间气-液交界面的无机微粒。

按照本发明的第二十一种方式，通过向冷却液中添加能够扰乱冷却液和蒸汽膜间气-液交界面的无机微粒来加速蒸汽膜的破裂。

相对于前述第一至第二十一种方式中的一种，本发明的第二十二种方式涉及一种制造微粒的方法，其中熔融材料被供给到冷却液中的同时要防止熔融材的氧化。

按照第二十二种方式，能够防止氧化引起的熔融材料的变质，并且能够防止氧化导致的抑制蒸汽膜爆炸，从而促进了微粒的成形。

在本发明的第二十三种方式中，提供了一种制造微粒的装置，其特征在于该装置包括：供给已经通过熔化原料形成的、用以成形微粒的熔融材料，同时控制熔融材料供给量的供料设备；含有冷却液用于冷却和固化熔融材料的冷却件；迫使已经形成的、包覆着熔融材料的蒸汽膜破裂，从而加速蒸汽爆炸以制造微粒和冷却固化微粒的蒸汽膜破裂设备；从冷却液中回收微粒的回收设备。

按照第二十三种方式，迫使已经形成的、包覆着被供给到冷却液中的熔融材料的蒸汽膜破裂，从而促进了蒸汽爆炸。因此，能够容易地制造出亚微米级微粒。

附图说明

图1示出了按照本发明一实施方案的微粒制造装置的整体结构；

图2是该微粒制造装置主要部分的放大图；

图3是按照本发明另一实施方案的微粒制造装置主要部分的放大图；

图4是按照本发明又一实施方案的微粒制造装置主要部分的放大图；

图5是按照本发明又一实施方案的微粒制造装置主要部分的放大图；

图6是按照本发明又一实施方案的微粒制造装置主要部分的放大图；

图7是按照本发明又一实施方案的微粒制造装置主要部分的放大图；

图8是按照本发明又一实施方案的微粒制造装置主要部分的放大图；

图9是实施例中制造的微粒的显微照片；以及

图10示出了对实施例中制造的微粒和比较实施里中制造的微粒进行X-射线衍射分析的结果

实施本发明的方式

按照本发明的微粒制造方法包括向冷却液中供给通过熔化原料形成的、用以形成微粒的熔融材料、迫使已经形成的、包覆在所供给熔融材料上的蒸汽膜破裂，以便加速蒸汽膜爆炸，从而有效地将材料成形为微粒，然后进行固化和冷却。按照这种方法，即使使用高熔点原料，也能够容易地形成微粒，而且还能够容易地制造出利用以前研发的技术很难制造出来的亚微米级微粒。特别是，按照本发明的这种制造微粒的方法不但适用于金属，还适用于任何能够熔化和冷却固化的材料，如熔融灰、高炉熔渣以及其它陶瓷材料。

本发明所使用的装置能够迫使已经形成的、包覆在所供给熔融材料上的蒸汽膜破裂，稍后将对此作详细的说明，该装置包括通过在冷却液和混入冷却液的熔融材料之间产生流速差而迫使蒸汽膜破裂的第一设备，其中该熔融材料已经被供给到冷却液中，还包括通过调节冷却液的蒸汽冷凝所产生的压力波而迫使蒸汽膜破裂的第二设备，其中所述蒸汽已经被供给到熔融材料的冷却液里。

当通过熔化原料形成的、用以形成微粒的熔融材料的液滴或射流被供给到冷却液中时，形成了一层蒸汽膜包覆着供给到冷却液中的熔融材料。因此，是由熔融材料加热的冷却液被汽化而形成了所述蒸汽膜，所以这种蒸汽膜是由冷却液包围着熔融材料而形成的。当在热的熔融材料产生的汽化和调节冷却液产生的冷却之间达到热平衡时，能够稳定地形成蒸汽膜。按照本发明，迫使如此形成的蒸汽膜破裂，从而加速蒸汽爆炸。换言之，通过迫使蒸汽膜破裂，由气泡自发成核导致的沸腾使得熔融材料能够成形为微粒。

由气泡自发成核导致的沸腾开始于冷却液的内部。为了在水中产生泡核沸腾，必须形成能够克服水和冷却液之间表面张力的气泡核。这里将引起泡核沸腾的温度定义为气泡自发成核的温度。例如，当在水中时，在1个大气压下自发成核的温度为313℃。因此蒸汽膜破裂后，熔融材料接触到冷却液，当界面温度等于或高于气泡自发成核的温度时就会产生气泡核。一旦生成了泡核，水就能够在100℃的温度下沸腾，并且这些蒸汽核相继结合到一起，从而产生了爆炸形式的沸腾。此外，由气泡自发成核引起的蒸汽的形成迅速地进行着，并且形成过程中还伴随着产生了波压。在压力波的作用下熔融材料的液滴变为碎片，从而形成了微粒。特别地，由于本发明中的蒸汽膜被强行破裂，因此所有的熔融材料颗粒都均匀地受到了高压波，从而能够有效地形成微粒，且不会残留下任何熔融材料的大块物质。此外，由于从熔融材料中得到的微粒具有较大的比表面积，因此冷却速率进一步增大，并且可通过传递潜热对微粒进行冷却和固化。一旦形成了熔融材料的微粒，就可以通过增加比表面积来进一步提高冷却速率。因此，进一步刺激了冷却液的汽化，并借此产生了压力波(即正反馈)。这种反馈加速了微粒的形成，并且实现了急冷。在这种情形下，能够以一定的冷却速率，如以远远超过10⁷K/s的冷却速率对熔融材料进行快速冷却。

在本发明中，可通过适当控制微粒成型条件和控制实现冷却、凝固的条件制造出非晶体或多晶体形式的微粒。特别地，当控制下述条件时能确定冷却速率，这些条件可以是：供给到冷却液中的熔融材料的粒度、迫使蒸汽膜破裂的压力、以及其它条件如微粒的粒度和熔融材料与冷却液连续接触时的温度。通过选定适当的冷却速率，能够确定所要制造微粒的类型，即是非晶体还是多晶体；并且在制造多晶体的情况下，能够适当地控制晶粒尺寸。

按照本发明制造微粒的方法，熔融材料以串珠(即类似于珠链的形状)或射流的形式供给到冷却液中，然后迫使已经形成的、包覆所述熔融材料的蒸汽膜破裂。在此情况下，逐滴加入的熔融材料的几乎全部体积都参与了冷却液的自发成核，从而促进了熔融材料液滴的微粒化，进一步提高了微粒的回收率。为了获得高效率(微粒成型核冷却速率)，熔融液滴的尺寸优选为较小的尺寸，或者射流优选为狭小的。

为了减小供应到冷却液中的熔融材料的液滴尺寸或者使射流狭小，在熔融材料与冷却液接触之前，可用超声波对熔融材料进行照射。通过照射，可将熔融材料以其尺寸减小到一定程度的液滴的形式供给到冷却液中。如此增大了熔融材料液滴的比表面积，使所有液滴都参与蒸汽爆炸，从而进一步促进了微粒的形成，同时进一步提高了冷却速率。此外，可假定微粒的力度分布为狭小的外形(profile)；即能够有选择地得到具有所需粒度的微粒。

按照本发明，无需等到蒸汽膜冷凝就能够迫使所述已经形成的、包覆熔融材料的蒸汽膜破裂。因此，能够容易地使具有相对较高熔点如800℃或更高的原料成形为微粒。

在本发明的微粒制造方法中，可以向冷却液中添加盐。盐一旦溶解后，就会存在于包覆熔融材料的蒸汽膜周围，扰乱气-液交界面的条件，从而促进蒸汽膜的破裂。所使用的盐包括氯化锂、氯化钙、氯化钠、硫酸钾、硫酸钠和硝酸钙。无需多说的是，优选使用不与熔融材料产生反应的盐。

同样，为了扰乱气-液交界面的条件，还可以向冷却液中添加无机微粒。这些无机微粒存在于蒸汽膜周围，扰乱了气-液交界面的条件，从而促进了蒸汽膜的破裂。所使用的无机微粒包括硅、氧化铝、氧化锆和金刚石粉。

当熔融材料是诸如金属类易于氧化的材料时，所述材料被供应给冷却液之前可能会暴露在空气中而被氧化。熔融金属的氧化改变了金属自身的特性。由于形成的氧化膜并不均匀，所以很难完全和同时实现微粒成型和冷却。因此错误利用蒸汽爆炸而导致微粒的成型率降低。按照本发明的微粒制造方法，在将熔融材料特别是熔融金属供给到冷却液中的同时应防止其被氧化。

实施本发明中微粒制造方法的微粒制造装置包括供料设备，用来提供已经通过熔化原料形成的、用以成形微粒的熔融材料，同时还对熔融材料的供应量进行控制；含有冷却液用来冷却和固化熔融材料的冷却部件；蒸汽膜破碎设备，用于迫使所形成的、包覆在供给到冷却液中的熔融材料上的蒸汽膜破裂，从而促进蒸汽爆炸，以便制造出微粒，并进行冷却和固化；该装置还包括从冷却液中回收微粒的回收设备。

在这种装置中，以液滴的形式供应熔融材料，并且迫使所形成的、包覆在已经供给到冷却液中的熔融材料上的蒸汽膜破裂以便促进蒸汽爆炸，从而形成微粒，并进行冷却和固化。此外，无需其他操作就可将固化的微粒从冷却液中分离出来，实现对固化微粒的回收。因此，可以省去具有复杂结构的雾化喷嘴、高速旋转的驱动机构和连接在这些部件上的动力部分。该装置还具有良好的耐用性和较低的故障率。

通过减少熔融材料和冷却液的供给量，由气泡自发成核而产生的沸腾就会被抑制到一定的水平上，使产生的压力波能够将加入到冷却液中的熔融材料成形为微粒。通过对沸腾加以控制，能够防止气泡自发成核所产生的沸腾导致的压波过度增长，从而避免产生大规模的蒸汽爆炸。此外，通过把冷却部件中剩余的冷却液含量控制到一定水平，那么即使当供料设备失控导致一次性把熔融材料全部供给时，也不会导致大规模的蒸汽爆炸，而且当供料设备被损坏而致使大量熔融材料流出时，也能够防止产生导致事故的大规模蒸汽爆炸。此外，广泛的研究已经表明：由于蒸汽爆炸中比表面积的增加，使得这种步进式的、小规模的蒸汽爆炸能够提高冷却效率和微粒的成型效率。

本发明中的微粒制造装置包括供料设备，用于以串珠或射流的方式将熔融材料供给到冷却液中。因此，熔融材料的几乎全部体积都参与了气泡自发成核，从而促进了从熔融材料液滴成形为微粒的过程。

本发明中的微粒制造装置还可以包括超声波发射装置，用于发射超声波以熔化存在于供料设备和冷却液之间的材料。借助于这种超声波发射装置(即形成微粒的装置)，能够将一定程度上尺寸减小了的熔融材料液滴供给到冷却液中。因此，进一步促进了冷却液中微粒的成形，且进一步提高了冷却速率。此外，由于已经形成了通过超声波照射来成形微粒这种技术，因此能够以简单、安全的方式使熔融材料的原始粒子成型。

本发明中的微粒制造装置还可以包括防氧化的设备，用于防止把熔融材料从供料设备供给到冷却部件时熔融材料的氧化。因此，能够在防止氧化的情形下使熔融材料与冷却液接触，从而有助于气泡自发成核所产生的沸腾。此外，还能够防止熔融材料的液滴散射到冷却部件周围。

最佳实施方式

下面将参考附图详细说明本发明的实施方案。

图1示意性地示出了实施本发明中微粒制造方法的制造装置。图2是一放大图，示出了该制造装置的主要部件。该制造装置包括供料设备10、冷却部件20和回收设备30。所示供料设备10用于供给熔融材料1，同时控制供给量。冷却部件20用于供给冷却和固化熔融材料1的冷却液3，并且将冷却液3与从供料设备10供给的熔融材料1混合到一起，通过液滴1a和冷却液3之间产生的流速差迫使形成在熔融材料1液滴1a周围的蒸汽膜破裂，从而利用气泡自发成核产生的沸腾现象形成微粒并将其冷却。回收设备30从冷却液3中回收固化的熔融材料微粒。所述供料设备10和冷却部件20还可用作蒸汽膜破碎装置。

供料设备10包括配备有保温加热器11的坩埚12。所述坩埚包括设在底面上用于打开/关闭出口12a的塞子13，以及用来测量坩埚12内熔融材料1温度的热电偶14。塞子13通过一调节器(未示出)上下运动，从而控制从出口12a流下的熔融材料1的供给量，或者完全停止供给熔融材料。对于熔融材料1的供给，优选将熔融材料1的供应量减小到尽可能低的水平，以便其比表面积增大，从而能够提高微粒的成形率，防止产生可能引发事故的大规模蒸汽爆炸。因此，在本实施方案中，所供给的熔融材料1每滴液滴的重量只有几克，以致液滴能够像串珠似的下落。当然并不特别限于此，但优选的是熔融材料液滴的尺寸能够进一步减小以便使微粒成形的效率提高。例如，熔融材料所形成的液滴可以具有几百微米的尺寸，或者更优选的是，熔融材料可以呈雾状，然后令如此生成的液滴与冷却液3接触。或者，可以以射流的形式供给熔融材料。

冷却部件20包括多个以喷流3a(高速射流)形式供给冷却液3的喷嘴21(以下将该喷嘴称为“喷流喷嘴”)，以便喷流3a与熔融材料1的液滴1a混合；所述冷却部件20还包括导向器22，用于引导从喷流喷嘴21供给的冷却液3喷流3a。在喷流喷嘴21供给的冷却液3喷流3a之间产生撞击后，导向器22能够阻止这种撞击所引起的冷却液3的散射，而且该导向器还能够对产生的压力波加以限制和反射，借此提高微粒的成形率。

喷流喷嘴21以预定流速和预定角度供应冷却液3。图2示出了两个喷流喷嘴，当然也可以设置三个或更多个喷流。此外，还可以仅设置一个喷流喷嘴21。在本发明中，熔融材料1的液滴1a以几乎等于自由落体的流速被供给到由喷流喷嘴21提供的高速喷流中，以便液滴1a与喷流混合时，能够受到由液滴1a和喷流之间的流速差导致的剪切力。如此，迫使围绕在液滴1a周围的蒸汽膜破裂，促进蒸汽爆炸，从而使液滴成形为微粒，并对微粒冷却和固化。

喷流喷嘴21被设置成具有一定角度，以便多束喷流也形成一定角度，在喷流撞击后稳定地向下流动，并且还为供给熔融材料1的液滴1a提供一空间，其中所述空间位于喷流彼此撞击的位置之上。优选将每个喷嘴21的角度相对于垂直方向调整为大于4°且小于80°。由喷流喷嘴21供给的喷流3a不必直接向下，可以在相对于垂直向下倾斜的方向、水平方向或向上的方向供给喷流。在这种情形下，对液滴1a供给的方向并没有特别的限制，只要液滴能够有效地与由喷流喷嘴21供给的射流混合即可。

优选地，液滴1a被供给的范围即为由喷流喷嘴21供应的喷流3a彼此相互碰撞的区域，由于剪切力被有效地施加在形成于液滴1a周围的蒸汽膜上，因此能够以高效的方式使蒸汽膜破裂。

为了通过在液滴1a和喷流3a之间产生流速差而迫使形成在供给到喷流3a中的熔融材料1液滴1a周围的蒸汽膜破裂，流速差优选为大于等于1m/s，更优选为大于等于10m/s。因此，当液滴1a以近似于自由落体的方式供给到位于出口下面100mm处的喷流中时，将喷流的流速调整为大于等于2.4m/s，优选调整为大于等于12m/s。当熔融材料以流速大约为0.1至3m/s的射流方式被供给时，将喷流的流速调整为大于等于3.3m/s，优选调整为13m/s。

下面将对使形成在液滴1a周围的蒸汽膜破裂以便令熔融材料与冷却液3接触进行说明。假定在冷却液3与蒸汽膜之间的界面处产生了Kelvin-Helmholtz不稳定、且分界面的典型长度——这里指熔融材料1每个液滴1a的直径——为1mm的情况下，根据1大气压下水的物理特性计算出液滴1a相对于冷却液3的流速为25m/s，在该速度下Kelvin-Helmholtz不稳定的波长变为1mm。基于这种假设，当熔融材料1的每个液滴1a的直径为1mm时，如果相对流速为25m/s的水柱与液滴1a相接触，那么形成在液滴1a周围的蒸汽膜就会破裂。当每个液滴的直径为500μm时，如果相对流速为35m/s的水柱与液滴1a相接触，那么形成在液滴1a周围的蒸汽膜也会破裂。

冷却液3可以是任何液体，当冷却液与用来成形微粒的熔融材料(如熔融金属)接触时，只要冷却液能够通过气泡自发成核引起沸腾即可。例如，冷却液3可以是水、液态氮、诸如甲醇或乙醇之类的有机溶剂，以及任何其他液体，从经济和安全的角度考虑，通常选用水作为冷却液。当然需要按照熔融材料1的类型选择冷却液3。在本发明的方法中，由于要强迫蒸汽膜破裂，因此即使熔融材料1具有较高的熔点，也可以使用水作为冷却液。由于之前研发的技术中需要冷凝蒸汽膜，因此必须使用含氯碳氟化合物的溶剂或含氢氯碳氟化合物的溶剂。相反，在使用本发明的情况下，使用水即可。

当熔融材料具有较高熔点时，需要向冷却液3中添加盐。添加的盐可以是氯化锂、氯化钙、氯化钠、硫酸钾、硫酸钠和硝酸钙。无需多说的是，优选使用不与熔融材料产生反应的盐。含盐的冷却液3优选为海水。

当向冷却液3中添加盐时，盐会溶解在冷却液中，由此盐将存在于包覆着熔融材料的蒸汽膜周围。因此，存在于蒸汽膜中的水分子相对减少，且盐离子阻碍了冷却液的蒸发。但是，由于蒸汽膜的冷凝是以通常的方式产生的，因此可以想像到整个过程仍被向着冷凝的趋势推动，从而能促进蒸汽膜的破裂。

回收设备30可以是一过滤器。在本实施方案中，使用了两个过滤器即第一过滤器31和第二过滤器32来回收具有预定尺寸的熔融材料微粒。第一过滤器31的网目比目标粒度粗，而第二过滤器32的网目比目标粒度细。能够通过第一过滤器31却无法通过第二过滤器32的熔融材料微粒可作为产品被回收。由第一过滤器31收集的微粒可返回到坩埚12再次熔化，随后在进行微粒成形处理。可通过过滤器31和32的冷却液3也可被回收到回收容器33内。

在这种制造装置中，沸腾是由不会引起任何事故的小规模气泡自发成核产生的，并且借助于沸腾产生的压力波，使供给到冷却液3中的熔融材料成形为微粒。

该制造装置该包括防氧化设备40，用于至少防止从供料设备10供给到混合喷嘴2的熔融材料氧化。如果必要，还可将防氧化设备设置成用惰性气体覆盖包括坩埚12在内的整个装置，以便将熔融材料1存放在坩埚12内时不会使其氧化。例如，防氧化设备40可以使用惰性气体，它包括一至少能够将坩埚12的出口12a和喷流喷嘴21之间的空间与外部隔离的罩壳41，并在罩壳中充满惰性气体。防氧化设备40被如此设置从而熔融材料1的液滴能够在惰性气体的氛围中下落。例如，惰性气体可以使用氩气。

通过使用具有以上结构的装置，可按如下方法制造熔融材料的微粒。

首先，通过多个喷流喷嘴21供给预定量的冷却液3，从而在导向器22内形成高速流动的冷却液3。对坩埚12内的熔融材料1加热并保温，以便当熔融材料1开始与冷却液3接触时，熔融材料1和冷却液3间交界面的温度充分高于气泡自发成核的温度。由于可通过对流或辐射来冷却熔融材料1，因此可进行冷却直到强迫产生蒸汽爆炸为止，确定熔融材料1的加热温度以便在产生蒸汽爆炸的过程中使材料1的温度足够高于熔点。

然后，向上移动供料设备10的塞子13，使熔融材料1从坩埚12内自由下落，以便使材料1的液滴表现为串珠的形式。熔融材料1被供给到一片区域内，在该区域由喷流喷嘴21供应的冷却液3的高速液流彼此撞击。由于熔融材料1液滴1a的温度较高，每个液滴1a都被薄膜沸腾产生的蒸汽膜覆盖，形成了粗糙的混合物。利用熔融材料产生的热量使冷却液/水蒸发，借此使蒸汽膜形成在熔融材料1的每个液滴1a周围。当在从熔融材料1中持续吸收热量导致的蒸发和借助于冷却液产生的冷却之间建立了热平衡时，蒸汽膜的存在是稳定的。当然，还需要借助冷却液3的高速喷流和液滴1a之间产生的流速差迫使蒸汽膜破裂。熔融材料1液滴1a的整个表面与冷却液3同时接触，此时每个液滴1a与冷却液3之间的交界面温度变为等于或高于气泡自发成核的温度。因此，能够在围绕着熔融材料1微粒的冷却液3(即温度较低的液体)中产生沸腾。由气泡自发成核引起的沸腾迅速形成蒸发，并且导致气泡突然膨胀，从而产生了高压波。这种压力波高速蔓延开来，并且均一地作用在所用熔融材料1的微粒上。因此，可借助于压力波对微粒进行扭转、撕裂和碎裂。如此形成的微粒的比表面积变大，其冷却速率也进一步提高。这种来自于冷却液蒸汽的蒸发的增长能够形成蒸汽膜、致使蒸汽膜破裂以及引起由气泡自发成核而产生的沸腾，从而产生附加的压力波。

当任何分散微粒的蒸汽膜破裂时，这里产生的压力波蔓延到其他微粒处，从而引起由气泡自发成核而产生的沸腾。当熔融材料成形为微粒时，微粒的比表面积增大，由此也使得冷却速率增加。因此，发生了正反馈现象，即冷却液的蒸发增强产生了附加的压力波，并且促进了微粒的成形，加快了微粒的冷却。因此，能够使熔融材料高效地成形为微粒，而不会残留大块固体。

由于熔融材料是利用由气泡自发成核而成的直径为几微米的气泡所产生的压力波将熔融材料成形为压力波，因此能够容易地制造出从亚微米级到100微米级的微粒。在本发明中，即使使用熔点高达800℃的原料，也可以将水用作冷却液，容易地制造出尺寸是几微米(特别使3μm左右的微粒)的微粒，以及制造出亚微米级微粒——使用传统制造微粒的方法和装置无法或很难制造出这种微粒。此外，由于熔融材料形成微粒而不会残留大块的固体，因此微粒的产量增加。而且，所得到的微粒粒度的分布非常狭小，即大量生产出具有目标粒度的微粒。在此情况下，基于单位质量能够提高微粒的成形效率。此外，当进行微粒成形时，微粒的比表面积增加，其冷却速率也进一步增加。

如此形成的微粒和冷却液3落入到导向器22内。冷却液3通过第一过滤器31和第二过滤器32，被回收到回收容器33内。由过滤器31或过滤器32收集微粒。

下面将结合附图3-8对本发明的其他实施方案进行说明。

图3示出了带有一个导向器22和八个喷流喷嘴21的装置结构，这八个喷流喷嘴顺序布置在导向器22中心轴的周围，其中高速喷流由喷嘴供给。当八个喷流喷嘴21以这种方式布置时，高速射流能够达到120m/s或更高，流量能够达到大于等于128L/min，因此能提高微粒的生产效率。

在图3所示的实施方案中，由喷流喷嘴21供给的喷流流入到导向器22内。当然，本发明并不限于这种实施方式。例如，如图4所示，由喷流喷嘴21供给的喷流3a可以在靠近冷却液3的表面处彼此撞击，其中所示冷却液3汇集于冷却液储存器23中。在此情况下，可在汇集于冷却液储存器23中的冷却液3里制造出微粒，并且由回收件23a进行回收。新鲜的冷却液3被持续不断地供给到冷却液储存器23内，以便使液面保持恒定，搅拌装置24设置在储存器的底部，以便使整个冷却液的温度变得一致。当然，也可不必设置该搅拌装置24。

同时，如图5所示，由喷流喷嘴21供给的喷流3a可由与喷流相对(在此情况下，冷却液流向上)的冷却液流接收。特别地，可将冷却液供给管25设置到导向器22内，喷流3a可以向着来自于冷却液供给管25的一束喷流25a的方向供给。这里对喷流25a的方向没有特别限制，其方向不必直接向上；即冷却液供给管25可以设置成使喷流25a直接倾斜向上或——尽管没有示出——呈水平方向。

图6示出了一实施方案，其中冷却液3被供给到一可动部件中从而形成液流，熔融材料1的液滴1a则被供给到如此形成的冷却液流中，从而借助冷却液3和液滴1a之间的流速差产生蒸汽爆炸。

在图6所示的实施方案中，采用一可旋转设置的锥形件40作为可动部件。该锥形件40包括锥形主体41和设置在主体41上部的锥形凸轮件42。所述主体41和凸轮件42结合在一起绕中心轴线旋转。用于将冷却液3从下部供给到上部的供料管43被设置在锥形主体41的中心，并且与设置在锥形主体41顶部的出口44连通。因此，从供料管43供给的冷却液3能够从出口44喷出，反射到锥形凸轮件42的内壁，并且在锥形主体41的表面向下流动。

在图6所示的实施方案中，熔融材料1的液滴1a被供给到在旋转锥形主体41表面向下流动的冷却液3中。

在此情况下，由于冷却液3是在固体(即锥形主体41)上流动，因此对冷却液3的干扰受到抑制。此外，由于锥形主体41能够旋转，因此在靠近锥形主体41表面处，能促进由冷却液3和液滴1a之间流速差引起的蒸汽膜破裂。

在该实施方案中采用了这样一种底部引爆器(base trigger)，即使液滴1a具有相对较小的尺寸，也能够迫使蒸汽膜容易地破裂。因此可安装一种采用超声波的微粉化法或其他微粉化方法，如在供给液滴1a的通道中使用高压气体的气体雾化法。通过这些微粉化方法，能够显著提高快速冷却液滴的效率。

假定可动部件为一盘状部件。冷却液3可被供给到诸如旋转环带之类的单向可动部件上。当然，这并不是对可动部件具体形式的特别限制。

在上述实施方案中，借助液滴1a和喷流3a之间的流速差迫使熔融材料1液滴1a的蒸汽膜裂开。当然，也可利用气体凝聚作用产生的压力波迫使蒸汽膜裂开。

图7示出了采用压力波的实施方案。该实施方案采用带有供液件51和蒸汽供给件52的流体喷嘴50，其中熔融材料1的液滴1a和冷却蒸汽5混合到由供液件51供给的冷却液3中。当使用流体喷嘴50将冷却蒸汽5与冷却液3混合时，冷却蒸汽5被快速地冷却和冷凝。同时，与冷却蒸汽供给到一起的液滴1a受到冷凝产生的压力波，借此迫使蒸汽膜破裂，形成微粒。

为了引起冷凝，使这种冷凝产生能够迫使蒸汽膜破裂的压力波，必须将冷却液3温度和冷却剂饱和温度之间的温差调整为10摄氏度或更高。该温差优选为30摄氏度或更高。冷却蒸汽5的供给量必须在大约1L/min至300L/min之间。在此并没有对冷却液3和冷却蒸汽5的流量作特别限定，流量可不必调整为如上所述的高水平。不过，流量优选调整为0.5m/s或更高。

不必使冷却蒸汽5形成为由冷却液3构成的物质。不过，在本发明中，冷却液3优选为水，冷却蒸汽5优选为水蒸汽5。

利用蒸汽冷凝迫使液滴1a的蒸汽膜破裂的方法不必限制在如上所述的方法中。例如，如图8所示，可将液滴1a供给到汇集于冷却液储存器55中的冷却液3内，由蒸汽供给管56供给的冷却蒸汽被供给给每滴液滴1a，以便使冷却蒸汽5包围住液滴1a。通过这一方法，由蒸汽管56供给的冷却蒸汽5被冷凝，利用这种冷凝产生的压力波迫使在每滴液滴1a周围形成的蒸汽膜破裂。在这种情况下，能够在汇集于冷却液储存器55中的冷却液内3产生微粒，并且由回收件55a进行回收。新鲜的冷却液3被持续不断地供给到冷却液储存器55内，以便使液面保持恒定，搅拌装置57设置在储存器的底部，以便使整个冷却液的温度变得一致。当然，也可不必设置该搅拌装置57。

在上述实施方案中，充满惰性气体气氛的壳体41可作为放氧化装置40使用。当然，壳体41内也可充满还原气体气氛以代替惰性气体气氛，例如可以充满氢气或一氧化碳。或者，使壳体41的压力减小以便得到氧浓度较低的真空状态。当壳体41内的压力减小时，由气泡自发成核引起的沸腾被强化，因此能够进一步促使液滴1a形成微粒。可使该制造装置整体都设置在惰性气体气氛或还原气体气氛中，或者设置在能够使压力减小的壳体内。

此外，可预先对熔融材料1施加外力以使材料微粉化，将如此微粉化的材料供给到冷却液3中。例如，当把使熔融材料1微粉化的设备放置到供料设备10和冷却液3之间时，熔融材料1的液滴1a可在一定程度上被微粉化，然后再供给冷却液3。在这种情况下，液滴的比表面积增加，借此使蒸汽膜的生成和液滴的冷却变得更加高效。之后，迫使冷却液3内的蒸汽膜破裂，使由气泡自发成核引起的沸腾产生，借助于沸腾产生的压力波使熔融材料进一步微粉化。因此，可进一步促进冷却液3内熔融材料1的微粉化，材料的冷却速率也进一步提高。为了使熔融材料1微粉化，优选采用已经确立为微粉化技术的超声波照射技术，并且必要时可对这种超声波照射技术进行附加的改进。例如，可将超声波照射装置放置到供料设备10和冷却液3的喷流3a之间，以便使用大约10KHz至10MHz的超声波照射从供料设备10供给的熔融材料1。或者可采用能够在熔融材料1液滴1a通过的空间内形成电场的装置，从而使液滴1a微粉化。优选在从供料设备10供给熔融材料1后立即对熔融材料1的液滴1a进行微粉化。

在上述实施方案中，熔融材料的液滴1a从坩锅12的出口12a排出，供给到喷流3a彼此撞击的区域内。当然，熔融材料1也可以通过出口12a被供给以形成射流。在这种情况下，必须以线形的形式供给熔融材料1，并且流量必须很小。

(实施例)

采用软磁性材料Fe₇₈Si₉B₁₃(熔点：985℃)作为原料。使用图3所示的装置，由在八个方向延伸的喷流喷嘴21供给水喷流(流量：32L/min，流速：84m/s，水温：17℃)以便这些喷流能够彼此撞击。以液滴(尺寸：大约1.6mm)的形式将原料供给到喷流中，从而形成微粒。

图9示出了所获得微粒的电子显微照片。这些微粒的中值粒度为37μm。由于原料的液滴能够被快速冷却，因此可通过蒸汽爆炸和固化使液滴固化成“撕裂或碎裂”的形式。在这种情况下采用上述装置时，当冷却液的流量减小或冷却液的温度升高，液滴的冷却速率都会减小，因此能够制造出近乎球形的微粒。

对原料和微粒进行X射线衍射分析。可以观察到原料中Fe₂B和α-Fe(Si)产生的一些峰值，但是在通过快速冷却形成的微粒中没有发现主峰值。结果显示产生了具有较高非晶体的微粒。

如上所述，本发明能够形成铁基合金的非晶体微粒——这种非晶体微粒不可能按照常规的方法形成。

(比较实施例)

将Fe₇₈Si₉B₁₃以液滴的形式供给到水喷流中，同时使液滴与喷流间的流速差减小到小于1m/s。从而无法引起蒸汽爆炸，使液滴固化为球形粒粉同时将它们的直径保持为1.6mm。

图10示出了对实施例和比较实施例中的微粒进行X射线衍射分析的结果。在对实施例的微粒进行X射线衍射分析的情况下，通过快速冷却得到了这些微粒，没有观察到主峰值；即产生出具有较高非晶体的微粒。相反，在对比较实施例的微粒进行X射线衍射分析的情况下，通过逐渐冷却得到了这些微粒，可以观察到Fe₂B和α-Fe(Si)产生的一些峰值，峰值的强度几乎等于原料中显示出的那些相应峰值；即无法形成非晶体的微粒。

如上所述，本发明的制造方法和装置能够容易地将熔融材料制造成微粒或非定形颗粒，其中用传统方法很难将所述熔融材料成形为微粒或非定形颗粒。此外，本发明的方法通过使用最便宜最易于处理的水作为冷却液，能够将熔点为800℃或更高的材料容易地制造成微粒。在本发明的方法中，因为可以对形成微粒的条件作适当调整，所以能够按照微粒的用途对非定形态和多晶微粒的尺寸进行调节。本发明的方法能够将材料制造为亚微米级的微粒，而借助于传统方法则无法将所述材料成形为这种微粒，因此本发明能够提供一种之前并不存在的材料——这种供应(provision)很难由传统方法实现。

此外，通过机械合金化、烧结或HIP(热等静压)能够把按照本发明方法生产出的微粒制造成散装材料，其中本发明所使用的制造微粒的材料在传统方法下无法成形为非晶体微粒。可将如此制成的散装材料应用于多种材料中，如具有软磁体特性或其他特性的磁性材料、具有较长使用寿命的形状记忆合金、夹杂有氢的合金、韧性金属材料、高耐蚀性金属材料、超导材料和催化材料。当应用于这些材料中时，散装材料的存在能够起到赋予韧性的效果。

Claims (23)

1.一种制造微粒的方法，其特征在于该方法包括：向冷却液中供应由熔化原料形成的、用以成形微粒的熔融材料液滴或射流；迫使已经形成的包覆着熔融材料的蒸汽膜破裂以便促进蒸汽爆炸，从而有效地将材料成形为微粒，并且对微粒进行固化和冷却。

2.如权利要求1所述制造微粒的方法，其中通过在冷却液和混入到冷却液中的熔融材料之间产生流速差来迫使蒸汽膜破裂，这里所述的熔融材料已经被供给到冷却液流中。

3.如权利要求2所述制造微粒的方法，其中将冷却液流控制为一单独的高速射流，将熔融材料供给到该高速射流中。

4.如权利要求2所述制造微粒的方法，其中通过使多束高速射流撞击来形成冷却液流，熔融材料被供给到高速射流的撞击部分中。

5.如权利要求4所述制造微粒的方法，其中通过高速射流的撞击来形成冷却液流，并且所述液流形成在导向器内，用以防止液流的散射。

6.如权利要求4或5所述制造微粒的方法，其中高速射流在靠近冷却液池中冷却液表面处相互撞击，熔融材料被供给到高速射流的撞击部分处。

7.如权利要求6所述制造微粒的方法，其中冷却液储存池能够使射流呈现出喷到熔融材料液流上的形式。

8.如权利要求4至7中任一所述制造微粒的方法，其中高速射流引起撞击以便使每束高速射流相对于通过撞击形成的液流都具有4°至80°之间的倾角。

9.如权利要求2所述制造微粒的方法，其中通过把冷却液供给到一可动部件上来形成冷却液流，熔融材料被供给到冷却液中。

10.如权利要求9所述的制造微粒的方法，其中可动部件为盘状或锥形旋转体。

11.如权利要求2至10中任一所述制造微粒的方法，其中将冷却液和熔融材料间的流速差调整为大于1m/s。

12.如权利要求1所述制造微粒的方法，其中冷凝冷却液的蒸汽而产生的压力波能够迫使蒸汽膜破裂，这里所述蒸汽已经被供给到冷却液中。

13.如权利要求2所述制造微粒的方法，其中熔融材料和冷却液蒸汽均被供给到冷却液流中。

14.如权利要求13所述制造微粒的方法，其中冷却液流形成在导向器内，用以防止液流的散射。

15.如权利要求12所述制造微粒的方法，其中通过把冷却液蒸汽供应给熔融材料来迫使蒸汽膜破裂，这里所述的熔融材料已经被供给到冷却液中。

16.如权利要求1至15中任一所述制造微粒的方法，其中用以成形微粒的原料可从熔融灰、高炉矿渣、陶瓷材料和金属中选定一种。

17.如权利要求16所述制造微粒的方法，其中用以成形微粒的原料具有800℃或更高的熔点。

18.如权利要求1至17中任一所述制造微粒的方法，其中形成微粒以及有效冷却和固化微粒的条件能够被控制，从而制造出非晶体态的微粒。

19.如权利要求1至17中任一所述制造微粒的方法，其中形成微粒以及有效冷却和固化微粒的条件能够被控制，从而制造出具有所需晶粒尺寸的多晶体形态的微粒。

20.如权利要求1至19中任一所述制造微粒的方法，其中冷却液中含有盐。

21.如权利要求1至20中任一所述制造微粒的方法，其中冷却液中含有能够扰乱冷却液和蒸汽膜间气-液交界面的无机微粒。

22.如权利要求1至21中任一所述制造微粒的方法，其中熔融材料被供给到冷却液中的同时要防止熔融材的氧化。

23.一种制造微粒的装置，其特征在于该装置包括：供给已经通过熔化原料形成的、用以成形微粒的熔融材料，同时控制熔融材料供给量的供料设备；含有冷却液用于冷却和固化熔融材料的冷却件；迫使已经形成的、包覆着熔融材料的蒸汽膜破裂，从而加速蒸汽爆炸以制造微粒和冷却固化微粒的蒸汽膜破裂设备；从冷却液中回收微粒的回收设备。

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