金屬粉末作為粉末冶金、注射成型、增材制造等先進(jìn)制造的關(guān)鍵原料，隨著制造技術(shù)的快速發(fā)展，高質(zhì)量金屬粉末的生產(chǎn)制造及其供應(yīng)需求日益增加。金屬粉末的制備方法較多，根據(jù)制備原理，主要可分為機(jī)械法和物理化學(xué)法兩類。機(jī)械法主要包括機(jī)械研磨法、冷氣體粉碎法等，物理化學(xué)法包括霧化法、還原法、沉積法、電解法。

其中機(jī)械法工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)量大，但是雜質(zhì)含量高、能效利用率低且易產(chǎn)生團(tuán)聚、偏聚現(xiàn)象。化學(xué)法可以制備直徑均勻的細(xì)球形和低氧含量金屬粉末，但不能應(yīng)用于具有任意化學(xué)成分的合金粉末。與其他制粉方法相比，霧化法生產(chǎn)效率高，普適性好，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本的生產(chǎn)，可生產(chǎn)具有2種元素及以上的合金粉末，是制備金屬粉末的主流生產(chǎn)方法之一。目前，采用霧化制粉技術(shù)生產(chǎn)的金屬粉末約占世界金屬粉末總產(chǎn)量的80%以上。

幾種制備金屬粉末的霧化法技術(shù)

主流制備金屬粉末的霧化制粉技術(shù)主要有水霧化、氣霧化、等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化和組合霧化等幾種。

1.水霧化

水霧化是通過(guò)高壓水流沖擊金屬熔體，將金屬熔體打碎成熔滴，直接冷卻成為金屬粉末。在霧化過(guò)程中采用水作為霧化介質(zhì)，冷卻凝固所用的時(shí)間較短，金屬熔滴在未充分球化的情況下，即開(kāi)始冷卻并凝固成不規(guī)則的金屬粉末，因此，水霧化是一種高效生產(chǎn)金屬粉末的方法。

水霧法制備金屬粉末技術(shù)原理

水霧化冷卻速率高，霧化介質(zhì)成本較低，易獲取，在工業(yè)生產(chǎn)中達(dá)到所需流速能耗較低，是成本最低的霧化制粉技術(shù)。其制備的粉末粒徑細(xì)小均勻、成分無(wú)明顯偏析而且具有良好的壓制成型性能，生產(chǎn)效率可達(dá)到氣霧化生產(chǎn)效率的數(shù)倍。采用水霧化制備的FeSiCr軟磁材料具有出色的磁性能，因此制備有關(guān)磁性能材料所用金屬粉末可以選用水霧化制備技術(shù)。

但是，水霧化粉末呈不規(guī)則的角狀結(jié)構(gòu)，表面粗糙，流動(dòng)性差，含有大量孔隙，且氧含量高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。

水霧化不銹鋼粉

影響水霧化粉末特性的重要因素主要有：熔體溫度、霧化水壓力、霧化水流量。

水霧化制粉設(shè)備

2.氣霧化

氣霧化是通過(guò)高速氣流沖擊金屬熔體，將氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為金屬熔滴的表面能，熔滴隨后快速冷卻最終形成球形粉末。與傳統(tǒng)的機(jī)械粉碎工藝相比，氣霧化法具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。

氣霧化制粉原理

相對(duì)于水霧化工藝，氣霧化粉末具有較好的球形度、較平滑的表面以及較低的氧含量。氣霧化制備的金屬粉末具有粒徑細(xì)小、球形度高、氧含量低、成分均勻、固溶度高和環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。采用氣霧化技術(shù)制備的粉末占全球粉體產(chǎn)量的比例約為30%-50%。

氣霧化制粉形貌

影響氣霧化粉末特性的重要因素主要有：霧化介質(zhì)、霧化壓力、過(guò)熱度。

氣霧化制粉設(shè)備

3.等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法

等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法(PREP)是一種離心霧化法，主要將母合金加工成棒料，作為自耗電極，在惰性氣體環(huán)境下，以等離子弧作為熱源加熱旋轉(zhuǎn)的金屬棒料，端面逐漸熔化形成金屬熔體，在離心力的作用下，熔融的金屬被破碎成熔滴，然后以極快的速度飛出，并在表面張力作用下冷卻凝固成球形粉末。

等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化技術(shù)原理

PREP是真正能完全有效地避免氧化物夾雜污染的措施之一。PREP制備的粉末和其他方法相比，具有粉末球形度高、流動(dòng)性好、雜質(zhì)元素低、空心粉和衛(wèi)星粉產(chǎn)量少的優(yōu)點(diǎn)，適用于粉末冶金和金屬增材制造。

PREP制備粉末形貌

但是，由于小于50 um粒徑的細(xì)粉收粉率較低，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高，制約了其在粉末冶金及金屬增材等方面的推廣與應(yīng)用。當(dāng)前PREP粉末制備環(huán)境較為惡劣，生產(chǎn)智能化水平較低，許多環(huán)節(jié)都需要工人人工介入，操作人員的技術(shù)水平對(duì)粉末質(zhì)量也有著很大的影響。

幾種球形粉末制備技術(shù)對(duì)比

目前，PREP可用于鎳基高溫合金、鈦合金、不銹鋼、鋁合金等多種金屬粉末的制備，廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。

影響PREP粉末特性的重要因素主要有：電極棒旋轉(zhuǎn)速度、電流強(qiáng)度和進(jìn)給速率。

等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化設(shè)備

4.新型霧化技術(shù)——組合霧化法

組合霧化是一種新的霧化技術(shù)，它是將兩種或兩種以上的霧化方法結(jié)合起來(lái)，以提高熔融金屬的霧化效率。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的組合霧化法有：離心霧化與氣體霧化組合和水氣聯(lián)合霧化兩種。

例如，水氣聯(lián)合霧化結(jié)合了氣霧化和水霧化的優(yōu)勢(shì)，是近幾年興起的一種新型組合霧化法，能一定程度上降低粉末粒徑并改善粉末顆粒形貌，同時(shí)大大降低生產(chǎn)成本。其霧化機(jī)理是熔液在經(jīng)保溫中間包流下的過(guò)程中，超高壓水及低壓氣體兩種霧化介質(zhì)由噴嘴射出，將熔液強(qiáng)力破碎成大量細(xì)小液滴，并快速冷卻成金屬粉末。水氣聯(lián)合霧化的冷卻速率普遍高于氣體霧化。采用水氣聯(lián)合霧化工藝制備的粉末具有粒徑分布好、振實(shí)密度高、粉末組織均勻的特點(diǎn)，相比于氣霧化粉末，細(xì)粉得率和組織均勻性得到了極大的提高。

水氣聯(lián)合霧化技術(shù)原理

這種組合霧化工藝不僅有助于解決眾所周知的霧化類型的各種缺點(diǎn)，而且有助于提高金屬粉末的質(zhì)量和霧化效率，產(chǎn)生分布均勻的極細(xì)球形粉末，其平均粒徑可減小到10 um或更小。目前，組合霧化仍處于初步發(fā)展階段，并有望成為滿足先進(jìn)粉末冶金技術(shù)需求的新型粉末制備技術(shù)。

不同霧化方法制備粉末特性對(duì)比

總結(jié)

通過(guò)不同霧化技術(shù)的對(duì)比可以看出，組合霧化法是未來(lái)發(fā)展的重要方向，通過(guò)工藝調(diào)整，可制備出不同需求的金屬粉末。以現(xiàn)有的制粉技術(shù)，通過(guò)不同的組合，可使制備出的粉末性能得到提升，例如超聲技術(shù)和緊耦合技術(shù)結(jié)合出的超聲緊耦合霧化技術(shù)，以及目前研究火熱的氣霧化和離心霧化結(jié)合的組合霧化。另一個(gè)具有潛力的方向是能夠制備出無(wú)氧化物夾雜污染的技術(shù)（不使用霧化介質(zhì)流破碎合金液流），這種技術(shù)是未來(lái)生產(chǎn)超高性能合金和金屬器件的一個(gè)發(fā)展方向。

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展、技術(shù)的不斷革新，制粉行業(yè)需求不斷提高，目前粉末制備的技術(shù)難題主要集中在如何提高細(xì)粉收得率，縮小粒徑分布，降低氧含量以及降低成本等方面。

參考來(lái)源：

1.霧化法制備金屬粉末及其研究進(jìn)展，張朔、高陽(yáng)、馬佳俊、李霄亭、榮智崢、孫德建、高卡（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院學(xué)報(bào)）；

2.水霧化條件對(duì)于金屬粉末性能的影響，相樟祥（粉末冶金工業(yè)）；

3.增材制造用金屬粉末研究進(jìn)展，許德、高華兵、董―濤（中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)）。

粉體圈小吉

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