馬樂 ，賈慶功 ，李揚(yáng)揚(yáng)，張磊，張弛，李江偉

（1.西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司；2.西安聚能裝備技術(shù)有限公司，陜西 西安 710018）

目前，國內(nèi)外商用的金屬粉末制備方法主要有等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法（PREP）、電極感應(yīng)熔煉氣體霧化法（EIGA）、真空感應(yīng)熔煉氣體霧化法（VIGA）、等離子霧化法（PA）等，其中，等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉的方法具有球形度高、空心粉少、粉末氧含量低等其他方法不可取代的諸多優(yōu)勢被廣泛采用。霧化室作為等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化設(shè)備的關(guān)鍵部件，其直徑大小的選擇直接關(guān)系到獲得粉末的質(zhì)量，本文基于對霧化熔滴冷卻結(jié)晶過程進(jìn)行分析并提出霧化室直徑的設(shè)計(jì)方法。

1 PREP 金屬粉末成型機(jī)理

1.1 成型過程

等離子旋轉(zhuǎn)電極法（PREP）制備球形金屬粉末過程：首先霧化室中充入惰性氣體，金屬合金棒料（旋轉(zhuǎn)電極）在惰性氣體的保護(hù)下通過大功率等離子炬將其端部進(jìn)行熔化后，利用離心力將合金熔滴拋出后在惰性氣體環(huán)境中快速冷卻結(jié)晶，最終形成理想的球形金屬粉末。其成型機(jī)理如圖1 所示。

金屬電極棒料端部熔化后，在其端部表面形成一層金屬溶液薄膜，電極棒料在高速傳動(dòng)裝置的作用下高速旋轉(zhuǎn)（15000～32000r/min），此時(shí)，由于高速旋轉(zhuǎn)所提供的離心力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液滴在溶液薄膜中的表面張力，金屬液態(tài)熔滴從溶液薄膜邊界脫離，在惰性氣體環(huán)境下從表面到芯部快速冷卻結(jié)晶，最終從液態(tài)熔滴形成固態(tài)金屬球形粉末。

圖1 PREP 金屬粉末成型過程

1.2 粉末粒度影響因素

等離子旋轉(zhuǎn)電極法通常最終制備出的球形金屬粉末粒度范圍為50～350μm，其中45μm 以下的細(xì)粉通常被用于金屬注射成型（MIM）、選擇性激光熔化（SLM）、冷噴涂等后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，45～150μm 的中間粉末通常被用于電子束熔化（EBM）等后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，150～350μm 的粗粉一般用于熱等靜壓成型（HIP）金屬粉末冶金過程中。

根據(jù)等離子旋轉(zhuǎn)電極法金屬粉末的成型機(jī)理，通過金屬溶液表面張力與離心力的平衡關(guān)系，可以近似獲得金屬粉末直徑d 的計(jì)算公式：

式中，D 為電極棒料的直徑/mm，σ為表面張力/N，n為電極棒料的旋轉(zhuǎn)速度/rpm，ρ為電極棒料的密度/g/cm3，const為一常數(shù)，由熔化速率、黏度等決定的綜合因素決定。

有此可知，影響等離子旋轉(zhuǎn)電極制備金屬粉末粒度的影響因素主要包括電極棒料的旋轉(zhuǎn)速度、電極棒料的材質(zhì)、直徑規(guī)格等。

2 PREP 設(shè)備霧化室研制情況

目前，等離子旋轉(zhuǎn)電極制備金屬粉末的相關(guān)設(shè)備國外主要集中在俄羅斯等歐洲國家，其中霧化室、傳動(dòng)室、等離子炬系統(tǒng)為該設(shè)備的核心。國內(nèi)有少數(shù)科研高校以及相關(guān)研究所在俄方技術(shù)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)，但總的來說，改進(jìn)的力度不大而且效果有限。

霧化室是等離子旋轉(zhuǎn)電極制備金屬粉末的核心部件，是獲得理想金屬球形粉末的最終場所，霧化室的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是確定其直徑大小必須滿足熔滴冷卻時(shí)的飛行距離要求，直徑過小導(dǎo)致熔滴結(jié)晶不充分，黏附在霧化室內(nèi)壁上形成團(tuán)粒粉，直徑過大不僅增大了各種投入成本，而且后期清理維護(hù)也受到限制。目前，由于霧化室設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致最終產(chǎn)品性能不能滿足工藝技術(shù)要求的情況在國內(nèi)外設(shè)備上都有所體現(xiàn)，但未引起足夠的重視，因此，本文旨在基于對霧化熔滴冷卻結(jié)晶過程進(jìn)行分析并提出霧化室直徑的設(shè)計(jì)方法。

3 金屬粉末霧化冷卻結(jié)晶過程分析

3.1 受力分析

基于等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制備金屬粉末的機(jī)理，金屬熔滴通過離心力在掙脫金屬溶液薄膜的表面張力后進(jìn)入霧化室的惰性氣體環(huán)境中所受的力主要包括自身重力G、惰性氣體對粉末熔滴的阻力dF以及惰性氣體對粉末熔滴的浮力Ff，根據(jù)牛頓第二定律可以得出其動(dòng)力學(xué)方程：

式中，m 為熔滴的質(zhì)量/g，a 為熔滴的運(yùn)動(dòng)合力產(chǎn)生的加速度/m/s2，負(fù)號表示熔滴運(yùn)動(dòng)的速度方向與受力方向相反。

式中，g為重力加速度，m/s2，gρ為氣體密度，g/cm3，Cdrag為拖曳系數(shù)，S為熔滴的截面積，m2，v 為熔滴的運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

式中，gμ為惰性氣體的動(dòng)力學(xué)黏度/pa?s。

由于液態(tài)熔滴直徑很小，而離心力下液態(tài)熔滴產(chǎn)生的初始速度很大，因此可以忽略重力以及浮力對液滴飛行過程中加速度的影響，只考慮惰性氣體阻力的作用。液態(tài)金屬熔滴在實(shí)際飛行冷卻過程中，具有很高的初始速度（50～100m/s）之間，在惰性氣體環(huán)境下受到很大的阻力作用，其速度很快降為惰性氣體的流動(dòng)速度（10～20m/s），液態(tài)金屬粉末霧化結(jié)晶最理想的狀態(tài)是當(dāng)液態(tài)熔滴速度降至惰性氣體流動(dòng)速度時(shí)，其冷卻結(jié)晶過程同時(shí)結(jié)束，不會(huì)出現(xiàn)由于冷卻結(jié)晶不充分導(dǎo)致其黏附在霧化室內(nèi)壁上形成團(tuán)粒粉。霧化室直徑的設(shè)計(jì)依據(jù)之一便是確保液態(tài)金屬粉末在霧化冷卻結(jié)晶過程中有足夠的安全減速距離。

3.2 冷卻結(jié)晶速度分析

金屬液態(tài)熔滴依靠離心力擺脫金屬溶液薄膜的表面張力飛入低溫惰性氣體環(huán)境中，其熱量的傳導(dǎo)在理論上包含有熔滴本身的熱輻射傳導(dǎo)以及與低溫惰性氣體的對流熱傳導(dǎo)。由于液態(tài)熔滴內(nèi)部的溫差相比于液態(tài)熔滴與惰性氣體之間的溫差很小，因此可將冷卻結(jié)晶過程中的熔滴本身視為等溫體，忽略了其冷卻結(jié)晶過程中內(nèi)部的溫度傳導(dǎo)。通過計(jì)算液態(tài)熔滴在低溫惰性氣體環(huán)境中的熱傳導(dǎo)系數(shù)進(jìn)而獲得其冷卻結(jié)晶速度。

熱傳導(dǎo)系數(shù)h 的計(jì)算表達(dá)式：

式中，K 為惰性氣體的熱傳導(dǎo)系數(shù)，Cg為惰性氣體的比熱容，J/g?K。

液態(tài)金屬熔滴的冷卻結(jié)晶速度vc計(jì)算表達(dá)式：

式中，T 為液態(tài)熔滴脫離溶液薄膜的初始溫度，K，Tc為冷卻結(jié)晶后的固態(tài)粉末溫度，K，C 為金屬的比熱容，J/g?K。

在液態(tài)金屬粉末霧化結(jié)晶過程中，為了防止其冷卻結(jié)晶不充分形成團(tuán)粒粉，必須保證其在飛行至霧化室內(nèi)壁前溫度降至安全溫度點(diǎn)以下，因此，霧化室直徑的設(shè)計(jì)的另一個(gè)依據(jù)是必須滿足液態(tài)金屬有足夠的安全冷卻結(jié)晶距離。

4 霧化室直徑設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 霧化室直徑設(shè)計(jì)原則

通過對金屬粉末霧化冷卻結(jié)晶過程中的受力及冷卻速度的分析，可以得出霧化室直徑必須滿足兩個(gè)條件，即：

霧化室直徑Da不小于液態(tài)金屬粉末在霧化冷卻結(jié)晶過程中的安全減速距離Dd。

式中，cv為液態(tài)金屬熔滴到達(dá)霧化室內(nèi)壁時(shí)的安全速度，m/s。

霧化室直徑Da不小于液態(tài)金屬的安全冷卻結(jié)晶距離Dc。

式中，t 為液態(tài)金屬熔滴冷卻結(jié)晶時(shí)間，s。

4.2 霧化室直徑的計(jì)算

通過上述分析可知，熔滴的初始運(yùn)動(dòng)速度主要由旋轉(zhuǎn)電極棒料的旋轉(zhuǎn)速度、直徑大小決定，熔滴的冷卻結(jié)晶速度與電極棒料的材質(zhì)、惰性氣體的成分有直接關(guān)系，主要是由于不同的電極棒料材質(zhì)、不同的惰性氣體成分的比熱容、熱導(dǎo)率、黏度系數(shù)等不同導(dǎo)致其金屬霧化熔滴與惰性氣體之間的熱傳導(dǎo)效率有很大的差別。

4.2.1 不同電極棒料旋轉(zhuǎn)速度下粉末熔滴冷卻所需的霧化室直徑

以鈦合金電極棒料、棒料直徑φ60mm、氦氣環(huán)境下冷卻至600℃為例，分別計(jì)算選取獲得粉末粒度為35μm、80μm、120μm、旋轉(zhuǎn)速度在13000～35000r/min 下的霧化室直徑，其結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同電極棒料旋轉(zhuǎn)速度下霧化室直徑的計(jì)算

從圖2 可以看出，在同一電極棒料旋轉(zhuǎn)速度下，所需霧化室直徑隨著粉末粒度的增加迅速增長，在35000r/min 時(shí)，霧化室直徑需要達(dá)到4.3m。另外，在13000～35000r/min 的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，粉末顆粒越大其冷卻結(jié)晶所需的冷卻飛行距離增加越明顯，即所需的霧化室直徑越大。

在成熟穩(wěn)定的白酒行業(yè)，企業(yè)要想獲得新的增長機(jī)會(huì)需要進(jìn)行創(chuàng)新。品類創(chuàng)新是中小企業(yè)運(yùn)用較為普遍的創(chuàng)新策略。采用品類創(chuàng)新，以消費(fèi)者需求中重要但目前滿意程度低的需求為突破口，將有可能為企業(yè)開創(chuàng)一個(gè)全新的市場，成為該品類市場的領(lǐng)先者，并由此改變市場的競爭格局。

4.2.2 不同電極棒料材質(zhì)下粉末熔滴冷卻所需的霧化室直徑

以電極棒料直徑φ60mm、氦氣環(huán)境下冷卻至600℃為例，計(jì)算選取獲得粉末粒度在30～120μm、旋轉(zhuǎn)速度在30000r/min 下的霧化室直徑，其結(jié)果如圖3 所示。

從圖上可以看出，高溫合金在整個(gè)粒度區(qū)間下相比鈦合金電極棒料，其冷卻結(jié)晶所需的飛行距離要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相同條件下鈦合金電極棒料對其要求。另外，在30～120μm 內(nèi)，隨著其最終粉末粒度的增加，鈦合金電極棒料所需的霧化室直徑有明顯的增長，當(dāng)粉末粒度為120μm 時(shí)，其充分冷卻結(jié)晶所需的霧化室直徑達(dá)到4m。

4.2.3 不同電極棒料直徑下粉末熔滴冷卻所需的霧化室直徑

以鈦合金電極棒料、粉末粒度為80μm、棒料旋轉(zhuǎn)速度30000r/min，氦氣環(huán)境下冷卻至600℃為例，分別計(jì)算選取電極棒料直徑在55～90mm、旋轉(zhuǎn)速度在15000r/min、30000r/min 下的霧化室直徑，其結(jié)果如圖4 所示。

圖3 不同電極棒料材質(zhì)下霧化室直徑的計(jì)算

圖4 不同電極棒料直徑下霧化室直徑的計(jì)算

從圖中可以看出，對于同一電極棒料直徑，隨著轉(zhuǎn)速的增大，其冷卻結(jié)晶所需霧化室直徑也呈增大趨勢，但趨勢緩慢。另外，電極棒料直徑在55～90mm 內(nèi)，電極棒料直徑越大，其冷卻結(jié)晶所需的霧化室直徑越大，當(dāng)電極棒料直徑為90mm、電極棒料旋轉(zhuǎn)速度為30000r/min 時(shí)，粉末冷卻結(jié)晶所需的霧化室直徑為2.8m。

4.2.4 不同惰性氣體成分環(huán)境下粉末熔滴冷卻所需的霧化室直徑

圖8 不同惰性氣體成分環(huán)境下霧化室直徑的計(jì)算

從圖上可以看出，在相同氬氣、氦氣比下，粉末粒度越大，其冷卻結(jié)晶所需的霧化室直徑越大。另外，對于同一粉末粒度，提高氦氣的比例能夠有效減少霧化室直徑，這種趨勢在粉末粒度增大時(shí)更為顯著，粉末粒度120μm，He:Ar 為9:1 時(shí)，其充分冷卻結(jié)晶所需的霧化室直徑不到2m。

5 結(jié)語

霧化室直徑必須滿足兩個(gè)條件，即霧化室直徑Da不小于液態(tài)金屬粉末在霧化冷卻結(jié)晶過程中的安全減速距離Dd，Da≥Dd；霧化室直徑Da不小于液態(tài)金屬的安全冷卻結(jié)晶距離Dc，Da≥Dc。

同一電極棒料旋轉(zhuǎn)速度下，所需霧化室直徑隨著粉末粒度的增加迅速增長。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，粉末顆粒越大，其冷卻結(jié)晶所需的冷卻飛行距離增加越明顯，即所需的霧化室直徑越大。

高溫合金冷卻結(jié)晶所需的霧化室直徑要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相同條件下鈦合金電極棒料所需的霧化室直徑，并且隨著其最終粉末粒度的增加，鈦合金電極棒料所需的霧化室直徑有明顯的增長。

對于同一電極棒料直徑，隨著轉(zhuǎn)速的增大，其冷卻結(jié)晶所需霧化室直徑也呈增大趨勢，但趨勢緩慢，并且電極棒料直徑越大，其冷卻結(jié)晶所需的霧化室直徑越大。

在相同氬氣、氦氣比下，粉末粒度越大，其冷卻結(jié)晶所需的霧化室直徑越大。對于同一粉末粒度，提高氦氣的比例能夠有效減少霧化室直徑，這種趨勢在粉末粒度增大時(shí)更為顯著。