尹 燕, 董開基, 李治恒, 薄 堯, 路 超, 張瑞華,4

(1. 蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730050; 2. 新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830047; 3. 中國鋼研科技集團(tuán)有限公司, 北京 100081; 4. 陽江市五金刀剪產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 廣東 陽江 529533)

隨著各行業(yè)零部件制造技術(shù)的不斷發(fā)展，球形粉末的生產(chǎn)逐漸成為粉末冶金行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù).目前國內(nèi)外主要的制粉方法有水霧化、氣霧化、離心霧化等方法.真空氣霧化制粉(VIGA)技術(shù)是在真空狀態(tài)下回填惰性氣體進(jìn)行熔煉、霧化，具有粉末球形度高、氧含量低、合金成分可精確控制等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為生產(chǎn)金屬及合金粉末的主要技術(shù).

氣霧化噴嘴根據(jù)噴嘴類型可分為自由落體式和緊耦合式噴嘴.自由落體式噴嘴中金屬液流從坩堝到霧化前無約束的自由降落，緊耦合式噴嘴金屬液流從坩堝到霧化前經(jīng)導(dǎo)液管流出后開始霧化.緊耦合霧化噴嘴因氣體與合金鋼液作用時(shí)間短，生產(chǎn)的粉末較細(xì)，能量利用率高等在微細(xì)粉末領(lǐng)域大量應(yīng)用，越來越受到重視.與等離子旋轉(zhuǎn)電極法、電極感應(yīng)熔煉霧化法相同的是熔體或熔滴在高壓高速或高溫等離子體中霧化成粉，不同的是等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備粉末空心粉較少，而真空氣霧化制粉空心粉較多.根據(jù)大量攝影及粉末性能分析等手段，See和Dombrowski等[2]分析認(rèn)為真空氣霧化過程分成三個(gè)階段：初始破碎階段、二次破碎階段和冷卻凝固階段,其中初始階段主要是熔融金屬液體流出導(dǎo)液管口形成液膜，液膜破碎成帶，液帶碎成液滴的過程；二次破碎根據(jù)We數(shù)準(zhǔn)則按We數(shù)由小到大依次分為“啞鈴式破碎”、“袋式破碎”、“延展式破碎”和“爆炸式破碎“四種模式.霧化時(shí)氣液耦合流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耦合機(jī)理難以觀察，霧化中往往多種破碎模式并存[5].本文采用電極感應(yīng)真空熔煉塊狀原料，環(huán)縫式緊耦合霧化器進(jìn)行霧化.相對于自由落體式霧化器使合金熔體從坩堝底部到霧化氣體與液流交匯處自由下落而言，環(huán)縫式緊耦合霧化器使得合金熔體從坩堝中通過一定長度的霧化漏嘴后被霧化氣體破碎制備Fe-Cr合金粉末.研究霧化前后真空氣霧化設(shè)備對粉末全粒度段化學(xué)成分及各粒度段氧含量等的影響，分析不同粒徑的Fe-Cr合金粉末冷卻速度對表面組織的影響，各粒度段表面組織及粒徑分布等性能及空心粉的形成原因，以期對后續(xù)粉末生產(chǎn)及粉末激光熔覆產(chǎn)業(yè)起到指導(dǎo)作用.

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)設(shè)備為國產(chǎn)緊耦合霧化器，主要由熔煉爐，霧化器，霧化塔和集粉器組成.試驗(yàn)前將一定純度的塊狀原料按比例計(jì)算后有序放入熔煉爐，裝爐量120 kg.采用99.99%純度的氬氣進(jìn)行霧化，霧化真空度8 Pa，加熱升溫熔清后采用測溫裝置浸潤鋼液進(jìn)行測溫.接著將熔煉坩堝中的金屬液體分批分次倒入保溫中間包中，金屬液體從中間包下方導(dǎo)液管流出被高壓高速氬氣沖擊破碎，霧化成粉末顆粒.試驗(yàn)采用霧化壓力3.8 MPa，過熱度250 ℃，導(dǎo)流管直徑4.5 mm，伸出長度為2.5 mm的工藝制備合金粉末.待霧化粉末冷卻后稱量粉末質(zhì)量，采用標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)篩進(jìn)行篩分，LT2200E激光粒度儀測量各粒度段粉末粒度分布，化學(xué)成分采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀Avio 200進(jìn)行測量，碳氧含量分別采用CS-2800G碳硫分析儀、LECO-TC600氧氮分析儀進(jìn)行測量，利用JSM-6700型掃描電子顯微鏡等設(shè)備進(jìn)行粉末表面形貌觀察.

2 分析與討論

2.1 粉末成分分析

收得率為粉末質(zhì)量與原料質(zhì)量之比，每爐粉末在冷卻后進(jìn)行稱量，收得率達(dá)到92%，真空氣霧化技術(shù)制備合金粉末收得率較高.提高霧化粉末收得率可以從熔體過熱度與霧化器布局等方面入手.

對霧化粉末原材料進(jìn)行檢測，見表1.按照粉末設(shè)計(jì)配方進(jìn)行原料配比之后與粉末分析成分進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，粉末成分偏離設(shè)計(jì)成分最大的是錳元素，其他元素偏離量較小，基本符合設(shè)計(jì)成分.錳元素過度系數(shù)較低，在熔煉時(shí)與氧結(jié)合生成MnO，MnO與SiO發(fā)生反應(yīng)合成硅酸鹽形成熔渣漂浮在熔池表面.說明氣霧化合金粉末成分可精確控制；檢測后全粒度段粉末中氧元素的含量占0.024%.設(shè)備采用真空感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉，氧來源主要由兩部分組成： 一是熔煉前不能達(dá)到完全真空，熔煉后鋼液與大氣中的氧接觸后吸附在鋼液表面并分解為原子氧，隨著溫度升高氧分解與溶解速度加快，促進(jìn)了鋼中氧含量的增加；二是熔煉坩堝中的MgO、CaO等發(fā)生分解反應(yīng)供氧.坩堝向鋼液供氧主要取決于真空度，真空度越高坩堝分解傾向越大，對鋼液脫氧不利.

表1 粉末公稱成分與霧化后合金粉末的分析成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2.2 不同冷卻速度下粉末的表面形貌

作為一種快速凝固技術(shù)，在真空氣霧化制備Fe-Cr合金粉末過程中，冷卻速度對粉末的形貌及組織有著重大影響，也是決定粉末組織形態(tài)的關(guān)鍵因素.圖1為霧化壓力為3.8 MPa時(shí)電鏡下觀察多個(gè)不同粒徑粉末的表面形貌.

圖1 霧化壓力3.8 MPa時(shí)不同粒徑粉末的表面形貌Fig.1 Surface morphologies of powders with different particle sizes at 3.8 MPa atomization pressure

氣霧化過程中合金粉末的冷卻速度計(jì)算公式如下，計(jì)算后粉末的冷卻速度對應(yīng)表2.

表2 不同粒徑粉末的冷卻速度

(1)

式中：D為粉末粒度，cm;vc為冷卻速度，K/s.

可以看出，不同粒徑粉末的冷卻速度相差級別在數(shù)量級上，各粒徑粉末表面均附著存在一定量的衛(wèi)星粉，冷卻速度極大時(shí)，衛(wèi)星粉數(shù)量較少.如圖1a，粉末粒徑17 μm時(shí)，粉末表面存在大量大塊胞狀晶，晶界不明顯，粉末有微晶化的趨勢；粉末粒徑增大到42 μm時(shí)，如圖1b，粉末表面出現(xiàn)大量的柱狀晶和少量樹枝晶，晶界明顯，且柱狀晶有樹枝化的趨勢；粉末粒徑為67 μm時(shí)，如圖1c，粉末表面出現(xiàn)細(xì)小胞狀晶和大量樹枝晶；粉末粒徑為97 μm時(shí)，如圖1d，粉末表面為大量的胞狀晶和少量樹枝晶；粒徑為150 μm左右時(shí)，如圖1e，粉末表面存在大量樹枝晶.由此可見,霧化壓力為3.8 MPa下，隨著金屬粉末粒徑逐漸增大，粉末表面組織逐漸由微晶向胞狀晶、柱狀晶、樹枝晶過渡，且粉末表面逐漸粗糙.冷卻速度是引起粉末表面形貌差異大的主要原因，粉末粒徑越大，相對冷卻速度較慢，比表面積越小，冷卻時(shí)造成凝固收縮差異逐漸增大，從而使得粉末表面光滑度隨粒徑增大逐漸減小；粉末粒徑越小，冷卻速率大，對粉末結(jié)晶過程產(chǎn)生抑制效果，形成表面光滑的結(jié)晶組織.量取多組粉末粒徑，按式(1)計(jì)算冷卻速度后作圖，如圖2所示.可見金屬粉末的冷卻速率隨粉末粒徑的增大而減小，冷卻速度隨粉末粒徑的減小呈現(xiàn)指數(shù)級增長，粉末粒徑較大或較小時(shí)，冷卻速度對粒度的影響較為平緩.

圖2 粉末冷卻速度與粒度的關(guān)系Fig.2 Relation between powder cooling rate and particle size

2.3 各粒度段粉末形貌

采用緊耦合真空氣霧化制備合金粉末，經(jīng)振動(dòng)篩篩分后四個(gè)粒度段的(0～25、25～53、53～105、105～150 μm)粉末的表面形貌如圖3所示，粒度分布如圖4.

圖3 各粒度段粉末的表面形貌

圖4 不同粒度段粉末粒度分布Fig.4 Powder particle size distribution of different particle size segments

從圖3a和3b中可以看出，金屬粉末粒度較小時(shí)，粉末表面較為光滑，衛(wèi)星粉顆粒較少，大部分粉末呈球形，部分粉末顆粒呈棒狀；粉末粒徑大于53 μm，粒度增大，部分粉末表面粘連粉末碎片呈凹凸不平，粉末表面粘連衛(wèi)星粉明顯增多(圖3c和3d)，其中在圖3c中53～105 μm粒度段粉末中出現(xiàn)空心粉.在緊耦合氬氣霧化過程中，高速霧化氣流沖擊熔融的金屬液柱使之破碎成大小不一的液膜或液滴，部分氣體沖擊金屬液膜，在冷卻過程中來不及逸出，在金屬表面張力作用下包裹氣球而產(chǎn)生空心粉；液滴冷卻速度與尺寸有關(guān)，小液滴冷卻速度快于大液滴，小液滴表面張力大[7]，因而相較于大顆粒粉末先凝固，且形成的粉末球形度高；故而在霧化室中存在已經(jīng)凝固的固相粉末和粘稠的大顆粒液滴，霧化時(shí)紊亂氣流帶動(dòng)固體粉末顆粒和半固態(tài)的粘稠液滴運(yùn)動(dòng)，大小顆粒加速度與速度不同[8]，小顆粒具有較高的加速度和速度，不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、形態(tài)、形狀大小不同的顆粒發(fā)生碰撞，引起液滴與粉末顆粒之間的貫穿、鑲嵌、包裹、焊合及局部熔化等現(xiàn)象[9].細(xì)小顆粒粉末及撞擊形成的粉末碎片附著在大顆粒粉末表面形成衛(wèi)星球，因而小粒徑粉末球形度較高,衛(wèi)星粉較少[11].

各粒度段粉末粒度分布呈現(xiàn)正態(tài)分布，粉末粒徑及比表面積和氧含量見表3.隨著金屬粉末粒度增大，粉末比表面積減小，氧含量也隨之減小.鋼液中的氧主要以溶解氧的形式存在，細(xì)粉的比表面積大，對氣體的吸附性能大.

2.4 空心粉的形成

空心粉是霧化制粉中常見的粉末缺陷，在粉末應(yīng)用中，如激光熔覆、3D打印、熱等靜壓等行業(yè)中因其孔洞束縛氣體在后處理中難以快速逸出而產(chǎn)生遺傳性孔洞，致使零件致密度降低或在硬度等方面產(chǎn)生不利影響.在快速凝固領(lǐng)域，空心粉內(nèi)部氣體能否快速逸出尚不明確，對零件成型及性能方面的影響尚待進(jìn)一步研究.氣霧化是高速氣體沖擊破碎熔融金屬形成液滴冷卻成固體粉末顆粒的方法，相較于其他霧化制粉方法，具有較高的孔隙率和含氣量，且隨著顆粒尺寸的增加，氣體含量和孔隙率增加.

一般而言，常見的空心粉主要有兩類，一是粉末冷卻速度大于氣體逸出速度，霧化氣體難以逸出而被束縛形成空心粉.分析認(rèn)為部分粉末中孔洞的形成與二次破碎中袋式破碎有關(guān),破碎機(jī)制如圖5所示.高速氣體沖擊液柱形成液膜，液膜在變形過程中伴隨著黏度急劇升高，抑制了液膜的破碎過程而使變形過程增大，冷卻過程中在半球形液膜中出現(xiàn)表面張力梯度差，液膜在表面張力梯度差作用下驅(qū)使金屬液體流動(dòng)成型，開口空心粉如圖6a所示，閉口空心粉如圖6b所示，同時(shí)也證明了粉末在紊亂氣流中的劇烈撞擊.在霧化后粉末中出現(xiàn)少量未充分破碎的膜片，有分析認(rèn)為是在二次破碎過程中產(chǎn)生的，如圖6c所示，小液滴之間碰撞合并，夾雜氣體被液膜包裹合并形成大顆?？招姆踇13].另一類是粉末內(nèi)部晶粒凝固收縮差形成空隙，尺寸較小，主要分布在粉末內(nèi)部或表面，霧化過程多種模式并存，通過控制霧化模式降低空心粉形成幾率難度較大.

圖5 袋式破碎機(jī)制及空心粉形成機(jī)理[11]

圖6 空心粉Fig.6 Hollow powder

Anderson[14]等認(rèn)為通過減小霧化壓力來降低氣體動(dòng)能可抑制空心粉的形成.空心粉率是指空心粉數(shù)量與所統(tǒng)計(jì)粉末總數(shù)量的比值[15]，取多張相同倍數(shù)下粉末形貌光鏡照片進(jìn)行統(tǒng)計(jì).霧化壓力從3.8 MPa降低到3.4、3.0 MPa時(shí)，空心粉率從71%,降低到50%、22%,如圖7所示.霧化壓力降低降低了霧化器中氣流的紊亂程度，因而紊亂氣流帶動(dòng)液滴發(fā)生不同情形的碰撞程度降低.

圖7 不同霧化壓力下的空心粉率Fig.7 Hollow powder ratio under different atomization pressures

3 結(jié)論

1) 真空氣霧化熔煉Fe-Cr合金粉末可精確控制化學(xué)成分，全粒度段中氧含量為0.024wt.%；

2) 隨著金屬粉末粒徑逐漸增大，粉末冷卻速度呈指數(shù)級減小，表面組織逐漸由微晶向胞狀晶、柱狀晶、樹枝晶過渡，且粉末表面逐漸粗糙；

3) 篩分后各粒度段粉末粒度分布呈現(xiàn)正態(tài)分布，氧含量隨粒徑增大逐漸減??；

4) 降低霧化壓力，氣流紊亂程度降低，減小空心粉的產(chǎn)生幾率.