本發明屬于金屬粉末材料的制備技術領域，特別涉及一種微細球形金屬粉末的氣體霧化制備方法及其設備。

背景技術：

微細球形金屬粉末是3d打印、注射成型等先進制造技術的原材料。氣體霧化是制備微細球形金屬粉末的重要方法。

傳統的氣體霧化制粉設備可以用于制備鋁合金、銅合金、不銹鋼、鎳基高溫合金等惰性金屬粉末，該處“惰性”指金屬在熔融狀態下與耐火材料接觸不發生化學反應；但是，傳統的氣體霧化制粉設備和普遍采用的制備微細球形金屬粉末工藝流程普遍存在細粉收得率偏低的問題。激光選區熔化工藝用金屬粉末的粒徑區間一般<53微米，采用超音速真空氣體霧化技術制備鋁合金粉末，該粒徑區間的粉末收得率一般低于35％，不銹鋼、鎳基高溫合金等高熔點金屬粉末的收得率更低。故提高金屬粉末的細粉收得率可以有效地降低激光選區熔化工藝的生產成本。因此，提高細粉收得率一直是氣體霧化制粉技術產業化關注的首要問題。

為了提高金屬粉末的細粉收得率，一般會通過增加霧化氣體的壓強進而提高霧化氣流撞擊熔體射流的動能來實現。例如在超音速真空氣體霧化工藝中，霧化氣體的壓強可以增加到6mpa以上，但當霧化氣體的壓強>2.5mpa后，細粉收得率隨著霧化氣體壓強的升高并不明顯，而且由于冷凝速度的加快，粉體的球形度會下降。另外，在極端工況下的霧化過程不僅耗能極大，而且會對設備造成損害，降低設備的使用壽命，對設備提出了更高的安全設計指標。

優化霧化器氣體噴嘴結構也可以提高霧化氣流撞擊熔體射流的動能，進而提高細粉收得率。在超音速霧化氣流中，尤其是在較高的霧化氣體壓強下，經常會形成激波，這些激波會使霧化氣體的勢能以熱能的形式消散掉，從而減少了用于擊碎熔體的霧化氣體的動能，進而降低了霧化效率。大量的研究工作已經致力于通過優化霧化器噴孔或者噴縫的腔體結構來抑制或減少超音速霧化氣流中的激波，提高霧化氣體勢能向霧化氣體動能的轉化率。例如，基于拉瓦爾(laval)噴管的型線結構，專利號為us6142382的美國專利設計了收縮-擴張型超音速氣流噴嘴；為了保證氣流的均勻一致，公開號為cn102581291a和公開號為cn101406862a的中國專利分別設計了穩定-收縮-喉部-擴張型的環縫和環孔噴嘴。原則上，具有上述型線結構的氣體噴嘴能夠有效地抑制超音速氣流中激波的形成，但由于加工技術的限制，尤其是環孔噴嘴，腔體中的曲線型型線多被加工成直線型型線，導致氣流中的紊流度增大，對激波的抑制效果大幅降低。

一般認為通過優化熔體射流的形態增加霧化前流體的特征表面能(j/kg)可以提高后續氣體霧化效率，進而提高細粉收得率。專利號為de10237213.6的德國專利開發出壓力旋流-氣體霧化制粉技術。金屬熔體首先通過壓力旋流導流管形成錐形中空旋轉液膜，極大地提高了熔體的特征表面能，隨后液膜及其主霧化產物擴展至環孔或環縫氣體噴嘴附近被高速氣流二次霧化。一般導流管出口處的液膜厚度要遠低于導流管的出口孔徑，因此與傳統的氣體霧化工藝相比，壓力旋流-氣體霧化工藝具有更高的細粉收得率。但壓力旋流導流管的設計較復雜，制造成本較高。目前，該技術主要用于制備錫及錫合金等低熔點金屬合金粉末。

多能源耦合能夠有效地提高熔體霧化效率。日本國立材料科學研究所的minagawa等人(載于sci.technol.adv.mater.，6卷，325-329頁，2005)以及公開號為cn105397100a的中國專利開發了氣體-旋轉霧化制粉技術。該工藝耦合了氣體霧化(氣體動能)與旋轉盤(機械能)霧化兩種工藝，熔體射流首先被低壓霧化氣流擊碎，形成液滴噴射，碰撞到旋轉盤并在盤面上均勻鋪展，隨后被進一步離心霧化，產生細小的液滴。相比單一的氣體霧化或旋轉盤霧化，氣體-旋轉霧化工藝具有更高的霧化效率，且使用的霧化氣體壓強較低，旋轉盤的轉速亦較低，避免了單一霧化方式的極端工作狀態，但霧化設備的整體設計較復雜。

技術實現要素：

本發明的目的是提供了一種微細球形金屬粉末的氣體霧化制備方法及其設備，其特征在于，所述制備方法包括如下工藝步驟：

(1)熔煉－在惰性氣氛中用熔煉爐將物料熔化成液態金屬；

(2)導流－將金屬熔體從熔煉坩堝4轉移至保溫坩堝5，在正壓驅動下金屬熔體通過保溫坩堝5底部的導流嘴9形成射流；

(3)霧化－金屬熔體射流與環繞導流嘴的超音速氣體射流相遇，在超音速氣流的撞擊下，霧散成金屬液滴；

(4)冷卻－金屬液滴在霧化罐體中飛行時與高速氣流發生劇烈的熱量交換，快速凝固冷卻成粉，在粉末收集器14與15中進一步冷卻至室溫；

(5)篩分與封裝－利用振動篩等篩分設備將粉末分級后即為產品，并封裝儲存。

所述步驟(1)中物料熔化是使物料處于10^-2～10⁰pa的真空狀態下，再向熔煉室和霧化罐體內充入氮氣或氬氣，氣體壓力為1atm，用電阻加熱或感應加熱方式將物料熔化，為防止熔體在導流過程中凝固，熔體需達到100-300k的過熱度。

所述步驟2中正壓驅動是在熔體上方施加穩定正壓，熔體在壓力推動下通過保溫坩堝5底部的導流嘴9形成射流。

所述穩定正壓是通過向熔煉室內反充氮氣或氬氣，從而在金屬熔體上方建立的。

所述在熔體上方施加的穩定正壓，即熔煉室與霧化罐體內的壓力差，調節范圍為0.01～0.8mpa。

所述保溫坩堝5底部的導流嘴9的出口孔徑為0.1～3mm。

在向熔煉室內反充氮氣或氬氣的同時，開啟旋風分離器13，使霧化罐體內氣壓保持在一個大氣壓上，當熔煉室與霧化罐體之間的壓力差達到設定值，將金屬熔體轉移至保溫坩堝5，同時停止向熔煉室內充氣，金屬熔體在正壓驅動下流出保溫坩堝底部的導流嘴9形成射流。

該制備方法主要通過調節施加在金屬熔體上方的正壓與導流嘴9的出口孔徑控制金屬熔體的流量；

所述步驟(3)霧化中，噴出超音速氣體射流的霧化器10內的霧化氣體壓力為0.2-6mpa。

一種用于生產微細球形金屬粉末的氣體霧化設備，其特征在于，熔煉室內設置有熔煉爐，在熔煉爐偏下部為保溫爐，該保溫爐底部有導流嘴9，導流嘴9下端被一環縫或環孔霧化器10環繞，導流嘴9和霧化器10同軸，熔煉室下部連接霧化罐體，該霧化罐體與熔煉室分別與真空管道連接，該真空管道連接真空泵組12，霧化罐體下端與旋風分離器13連接，在霧化罐體與旋風分離器的底部分別設置有粉末收集器14、15，其中熔煉室是一個壓力容器，能夠承受真空和正壓兩種負荷，能夠承受的內壓最低為1mpa。

熔煉室上爐蓋1與爐體3通過鎖緊密封裝置連接，該裝置由金屬壓圈2和橡膠密封圈16構成，橡膠密封圈16在承受真空和正壓載荷時均起到密封作用，金屬壓圈2在熔煉室內為正壓狀態時鎖緊爐蓋和爐體。

熔煉室與霧化罐體相互隔離，僅通過保溫坩堝底部的導流嘴9連通。

導流嘴9的材料為常見的石墨、氮化硼、氧化鋯、氧化鋁等耐火材料。

本發明的有益效果為：

1)通過正壓驅動使金屬熔體通過出口孔徑較小的導流嘴，形成低維度的熔體射流，增加了熔體的特征表面能，提高了后續的霧化效率，進而提高了金屬粉末的細粉收得率。

2)由于金屬熔體射流的維度很低，在較低的霧化氣體壓強下便可霧化，因而降低了霧化氣體的消耗量。另外，向熔煉室內反充惰性氣體至正壓所消耗的氣體量很小，假設熔煉室的內徑為1m，高度為1m，向熔煉室內反充氮氣至正壓0.8mpa，所消耗的氣體量僅約為一個標準氣瓶的氣體量(型號：wma219-40-15，gb5099標準，容積：40l)。

3)通過調節施加在熔體上方的正壓和導流嘴的出口孔徑，可以實現金屬熔體流量的大范圍調控。

4)設備結構簡單，與傳統氣體霧化設備相比，主要是將熔煉室部分改為壓力容器，且工作壓力不高于0.8mpa，為第一類低壓容器，成本較低，爐蓋和爐體連接處增加了鎖緊和正壓密封裝置，安全易控。

5)通過本發明制備方法制得的金屬粉末細粉球形度良好、粒度分布窄，而且工藝設備簡單、連續性強，適于工業化生產并可廣泛應用。

附圖說明

圖1為一種微細球形金屬粉末的氣體霧化設備示意圖。

附圖1標記說明：

1、爐蓋，2、金屬壓圈，3、爐體，4、熔煉坩堝，5、保溫坩堝，6、熔煉坩堝加熱線圈，7、保溫坩堝加熱線圈，8、密封材料，9、熔體導流嘴，10、氣體霧化器，11、霧化罐，12、真空泵組，13、旋風分離器，14、粉末收集器一，15、粉末收集器二。

圖2爐蓋-爐體-鎖緊密封裝置示意圖，a-a剖面；

附圖2標記說明：

1、爐蓋，2、金屬壓圈，3、爐體，16、橡膠密封圈，17、墊板

圖3為爐蓋-爐體-鎖緊密封裝置俯視圖；

圖4為金屬壓圈俯視圖；

圖5為爐蓋俯視圖；圖中，17為墊板；

圖6為實施例粉末收集器14中的粉末樣品的粒度分布；

圖7為實施例粉末收集器14中的粉末樣品的形貌；

圖8為實施例粉末收集器15中的粉末樣品的粒度分布；

圖9為實施例粉末收集器15中的粉末樣品的形貌。

具體實施方式

本發明提供了一種微細球形金屬粉末的氣體霧化制備方法及其設備，下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。

附圖1所示的用于生產微細球形金屬粉末的氣體霧化設備，主要由熔煉室、霧化罐體、真空系統、粉末收集系統等四部分組成，熔煉室與霧化罐體均采用雙層水冷結構。

在熔煉室內設置有熔煉爐，熔煉爐由熔煉坩堝4和加熱線圈6構成，熔煉爐偏下部為由保溫坩堝5和加熱線圈7構成的保溫爐，在保溫坩堝5底部有導流嘴9，導流嘴9下端被一環縫或環孔霧化器10環繞，導流嘴9和霧化器10同軸。在熔煉室下部連接有霧化罐體11，霧化器10在霧化罐體11頂部，該霧化罐體與熔煉室分別與真空管道連接，該真空管道連接真空泵組12，真空泵組為2-3級。在霧化罐體的底部設置有粉末收集器14，霧化罐體下端與旋風分離器13連接，旋風分離器底部設置有粉末收集器15；旋風分離器用于排出冗余氣流以及沉積氣流中夾帶的細小顆粒，設置有1-2級旋風分離器，使尾氣中夾帶的固體顆粒的粒度和含量等性能指標達到相關環保要求。

上述熔煉室為壓力容器，最低承壓為1mpa，熔煉室的爐蓋1與爐體3連接處有鎖緊密封裝置，該裝置能夠承受真空和正壓兩種負載，熔煉室與霧化室為相互隔離的腔體，僅通過保溫坩堝底部的導流嘴相互連通；所述的爐蓋1與爐體3連接處的鎖緊密封裝置，由金屬壓圈2和橡膠密封圈16構成(見附圖2)，金屬壓圈上端內側開有若干單面豁口，沿金屬壓圈周邊均勻分布(見附圖4)，爐蓋下端法蘭開有相同數目的突齒，突齒上面有固定墊板17(見附圖5)。

鎖緊密封裝置工作原理：爐蓋與爐體合嚴，熔煉室內抽真空，爐蓋在外界大氣壓作用下擠壓橡膠密封圈，起到密封作用。利用液壓系統旋轉金屬壓圈，使金屬壓圈上端的突齒與爐蓋下端法蘭邊緣的突齒以及墊板對齊，利用定位螺栓定位，防止在向熔煉室內充氣過程中金屬壓圈與爐蓋發生相對滑移。向熔煉室內充氣，爐體內壓力升高，橡膠密封圈受到徑向擠壓，起到密封作用，金屬壓圈將爐蓋和爐體鎖緊。

根據lubanska經驗公式(載于j.metals，2卷，45-49頁，1970)：

熔體霧化后產生的液滴的體積中值粒徑(d50,3)隨著導流嘴的出口孔徑(d0)的降低而降低，klub為經驗常數，中括號內各項從左至右依次代表了熔體/氣體運動粘度比、熔體韋伯數以及熔體/氣體質量流量比。可知，采用出口孔徑較小的導流嘴，可以提高金屬粉末的細粉收得率。

在傳統的氣體霧化工藝中，從霧化器噴出的高速氣流會在導流嘴前端形成負壓區，負壓值一般在10^-4～10^-2mpa數量級，熔體主要在該負壓以及重力作用下克服毛細作用與摩擦阻力通過導流嘴形成射流，為使熔體順利流出導流嘴，導流嘴的出口孔徑一般大于3毫米，否則熔體會由于阻力過大而流動緩慢或流不出導流嘴，進而凝固堵塞導流嘴。

為了提高細粉收得率，本發明采用出口孔徑小于3毫米的導流嘴。為了使熔體順利流出導流嘴形成全液態的微細射流，本發明采用在熔體上方施加壓力的方法，即向熔煉室內反充惰性氣體至一定正壓，將熔體壓出導流嘴。反充的惰性氣體一般為氮氣或氬氣。根據導流嘴出口孔徑的大小以及熔體的表面張力和粘度等物理性能，在熔體上方施加的驅動壓力范圍為0.01-0.8mpa。

在傳統的氣體霧化制粉設備中，熔煉室的爐蓋和爐體連接處不具有鎖緊和正壓密封功能，一般向熔煉室內反充惰性氣體至正壓0.01mpa，爐蓋即可被頂起，且熔煉室不是壓力容器，承壓能力不高；另外，熔煉室和霧化罐體是相通的，向熔煉室內反充的惰性氣體會快速地進入霧化罐體，使熔煉室和霧化罐體內的氣壓達到平衡，不能在熔煉室和霧化罐體之間建立起穩定的壓差。

為了實現在熔體上方施加穩定的正壓，本發明在爐蓋1和爐體3連接處采用鎖緊密封裝置，且按壓力容器標準設計熔煉室，最低承壓1mpa；另外，將熔煉室和霧化罐體設計成兩個相互隔離的腔體，僅通過保溫坩堝5底部的導流嘴9相通。

實施例：微細球形alsi10mg合金粉末的制備

熔煉爐采用中頻感應加熱，熔煉坩堝4材料為石墨。保溫爐采用石墨加熱體加熱，保溫坩堝5材料為石墨。導流嘴9材料為石墨，出口孔徑為1.5mm。采用不銹鋼環孔霧化器：φ0.8×20，即噴孔內徑0.8mm，噴孔數20。采用機械泵-羅茨泵兩級真空系統。采用兩級旋風分離系統。

稱量alsi10mg合金10公斤，加入到熔煉坩堝4內。爐蓋1與爐體3合嚴，抽真空至10^-1pa。液壓驅動金屬壓圈2，使金屬壓圈上端突齒與爐蓋下端邊緣突齒對齊，使用定位螺栓將爐蓋1和金屬壓圈2相對位置固定。向熔煉室和霧化罐體內反充氮氣至1atm。開啟保溫爐加熱，加熱至800℃，保溫。開啟熔煉爐中頻加熱，10kw預熱，40kw化料，加熱至800℃，20kw保溫與電磁攪拌，熔體過熱度約為200k。向熔煉室內反充氮氣至0.1mpa。開啟旋風分離器。關閉保溫爐加熱。傾轉熔煉坩堝4，將熔體轉移至保溫坩堝5，熔體從導流嘴9流出，開啟霧化器10，霧化氣體壓力2.5mpa。熔體被擊碎，形成大量噴射熔滴，熔滴冷凝形成粉末。噴射時間約為7分鐘。關閉熔煉爐中頻加熱與旋風分離器，釋放熔煉室正壓。待粉末冷卻后收集粉末，出粉率高于95％。

圖6為粉末收集器14中的粉末樣品的粒度分布，利用激光粒度分析儀測得，d50,3＝64.10μm，粒度分布表征參數(d90,3-d10,3)/d50,3＝(157.6μm-24.95μm)/64.10μm≈2.07。粒度<53μm的粉末收得率為39.5％。圖7為粉末收集器14中的粉末樣品在掃描電鏡(sem)下的形貌，球形度良好，大球表面粘有少量衛星球，為氣霧化粉末尤其是輕合金粉末中常見的現象。

圖8為粉末收集器15中的粉末樣品的粒度分布，利用激光粒度分析儀測得，d50,3＝37.83μm，粒度分布表征參數(d90,3-d10,3)/d50,3＝(95.38μm-10.35μm)/37.83μm≈2.25。粒度<53μm的粉末收得率為69.5％。圖9為粉末收集器15中的粉末樣品在掃描電鏡(sem)下的形貌，球形度良好，表面光潔。

將粉末收集器14與15中的粉末混合均勻，稱量100g，利用標準振動篩篩分，篩網為270目，振動時間為15分鐘，測量270目下(即53微米以下)粉末的收得率。進行三次測試求平均值，270目下粉末的收得率為42.3％，氧含量<300ppm。

利用超聲波振動篩對混合好的粉末進行篩分，篩網為270目，將270目下與270目上粉末分別收集并進行真空封裝。