粉末冶金技术基础与新技术(第二章)

粉末冶金基础与新技术第二章粉末制备原理1.粉末雾化粉末雾化技术•概况•主要的粉末雾化技术•雾化粉末特性•粉末雾化模型及机制•概况•粉末雾化概念–Thedispersionofamoltenmetalintoparticlesbyarapidlymovinggasorliquidstreamorbymechanicalmeans•分类：–按破碎方式：双流雾化（气、水、油）；真空雾化；旋转电极雾化、机械力雾化（旋转盘、轧辊（roller)、旋转杯（spinningcup))商业化粉末雾化技术双流雾化：•水雾化：–起源：1872年Marriott（英国）发明蒸汽熔化金属并雾化；1950’s英国PMLtd.发明雾化喷嘴，制备有色金属；1954英国B.S.A.CoLtd和瑞典Hoganas生产水雾化铁粉自由落体式（Free-fallmode)水雾化雾化喷嘴环缝式喷嘴（annularringnozzle)分离式喷嘴（discretemultiplenozzles)水雾化影响参数工艺特性：•水雾化工艺条件工艺参数通常范围316L熔体流量/kg/min4.5~9022水流量/kg/min110~380200水速/m/s70~230110水压/MPa5.5~219过热度75~150°C80粒度分布：10~300um；冷却速度：103~105°C油雾化•1980’sSumitomoMetals发明，主要用来制备低氧含量粉末。•优点：杂质含量低：O(0.01%)•缺点：C含量不易控制；多生产高碳钢粉末粉末粒度：~70um气雾化•1920’s发明空气雾化，二战期间德国开始采用双流空气雾化生产钢粉•工艺装置可利用水雾化的自由落体式，但多采用限制式，能量利用率高；喷嘴可采用环缝式和分离式。气雾化制粉的基本工艺条件工艺参数通常条件Ni基合金气体流量/m3/s0.02~0.24熔体流量kg/min1~7020气体压力/Mpa0.5~92气体流速/m/s20~超音速100过热度/°C75~150150粉末粒度：50~300um真空雾化•含过饱和溶度气体的金属熔体在气压作用下喷入真空腔体中。•H22H(dissolvedinM)•H含量0.0001~0.001w/o;气体压力：1~3MPa;•粉末粒度：40~70um(1~500um);•冷却速度：~102°C/s旋转电极雾化•1963年NuclearMetalsInc.发明；•主要用来生产球形、高活性、无污染粉末，如Ti合金粉；•粉末粒度：200um(50~400um);•冷却速度：102°C/s；•转速：1570~2100rps•局限：过热度小，不宜生产熔点范围宽的合金。细粉末雾化制备技术：•细粉末定义：20um;•细粉末的意义：•快速凝固粉末的研究与商业化需要；•粉末注射成形需要（5~15um)；•细粉末改善烧结性能；•热喷涂用；•复合材料、电磁、催化剂、医药、导电塑料等用途。高压水雾化•水压：100~150MPa；粉末粒度：15umdm=114P-0.58(conical)dm=68P-0.56(V-shaped)高压气雾化•层流雾化：α=0；利用气体的纯剪切作用破碎金属熔体；粉末粒度可达10um以下•紧耦合式雾化喷嘴：–充分利用气体能量；–气体压力：10~20MPa;粉末粒度：10~20um；喷嘴口压力vs气体压力喷嘴口压力越小，粉末越细雾化粉末特性粉末颗粒特性的表征•颗粒形状•粉末粒度•粉末粒度分布、中位径dm•粉末颗粒表面粗糙度水雾化粉末颗粒特性A.粉末粒度与粒度分布影响因素：水速、金属液流量、水压、熔体过热度、喷嘴形状等水、金属液流量dm=f(Vm/VL)Vm:金属液流量；VL:水流量；水压dm=ln(P/A)n;dm=KP-n;熔体过热度影响金属熔体粘度和表面张力：Zn:过热度从100增至300°C,dm从150降至100um;Co基合金：过热度增加150°C，dm减少13.5%;提高过热度可防止喷嘴处堵嘴（Freeze-up).喷嘴形状喷射角越大，dm越小水喷射速度dm=(5500/Vm)•粉末颗粒形状粉末颗粒形状主要决定于：金属液滴在表面张力作用下球化的时间：0.1~10usfor100um金属液滴凝固的时间：100~1000us实际影响因素很多：如颗粒球化前须经过液滴形成、加速、穿过紊流区等，约200us时间•氧化膜的形成抵消表面张力，高熔点氧化膜的形成（Cr、Al、Ti、Mg）易得到不规则形状颗粒。•金属、合金熔点高熔点金属液滴凝固时间长，易得到球形粉。粉末颗粒表面形貌和内部结构粉末纯度和杂质含量粉末氧含量与金属活性及氧化膜性质相关；与雾化条件相关：采用去离子水、添加酒精和表面活性剂等；Fe:1000~4000ppm;Ag-28Cu:285ppm;Au-Ni:57ppm;304L:2000ppm.气雾化粉末特性•粉末粒度与粒度分布影响因素与水雾化类似；气体比耗(specificgasconsumption):气体与金属液流的质量比，F，m3/kg;dm=KF-1/2气雾化粉末中位径的预测Lubanska方程：dm/D=K[(νm/νg(w))·(1+M/A)]1/2D:液流直径；νg：气体动力学粘度；νm:液体动力学粘度；W:气体的weber数；M/A:金属/气体质量流量比；K:常数•颗粒形状：多为球形：例如149~420um粉末:球形化时间：小于2×10-5s比凝固时间小几个数量级粉末表面形貌和内部结构基本光滑、表面通常呈现胞状和树枝状结构、表面氧化痕迹内部显微组织快速凝固、与粒度相关的冷却速度的影响导致颗粒内部精细的显微结构MC,M2CCu,Cu-Zr粉末组织结构与成分关系Al-Fe-Ni:(TEM)粉末成分及纯度粉末雾化模型及机制水雾化31114900=nVdmw气雾化气雾化的几个阶段：•在液流上形成复杂的波•波的分离，形成液带•液带破碎、液滴的球化==maxmax2kDπεελ295.2sgULdργ=离心雾化液滴直接形成机制液带破碎机制随着电极末端液滴量的增加，雾化机制从液滴直接形成向液带破碎和液膜破碎机制转化。XDQLL=71.017.088.068.060.0ρηγωQ:液滴供给量，m3/sω:电极角速度，r/sD:电极直径，mγ:表面张力，N/mηL:液流动力学粘度，Pa.sρL:液流密度，kg/m3X=0.07液滴直接形成转为液带破碎X=1.33液带破碎转为液膜破碎Example1:NanocrystallineAlalloypowderAlloycomposition:Al82Ni10Y8(at.%)MasteralloyingotGasatomizationbyArUltrahighpressureconsolidationDSC,XRD,SEM,TEM,MechanicaltestsAl:99.995%,Ni:99.99%,Y:99.99%Masteralloyingot:Al82Ni10Y8(at.%)Atomization,byAr,3.03MPa,1300℃Al82Ni10Y8PowderFabricationofAl-Ni-YPowderClose-coupledgasatomizationEquipmentZVgiVg)exp(λzvvgig−=Z↓,Vgi↑Whyclosecoupledgasatomization?020406080100120140160180051015202530MasspercentParticlesize/µmParticlesizedistributionPhasestructureofatomizedpowder26µm26-53µm53-74µm74-104µmfcc-AlYAl3fcc-AlAlNiAlNiYYAl3fcc-AlAlNiAlNiYYAl3fcc-AlAlNAlNiYYAl3ThermalstabilityofatomizedpowdersHeatingrate:40°C/s,Ar26µm26-53µm53-74µm74-104µmTg:266℃Tp1:296℃SummaryofDSCresultsSizerange.µmTg,°CTx1,°CTp1,°CTx2,°CTp2,°CTx3,°CTp3,°CTx4°CTp4,°C2626628829633334035836642945626-53—28929633334035936642644053-74—29029533533935936743444474-104—283300335339359367——SurfacemorphologyParticlessmallerthan15µmareofamorphousstructureSmallamorphousparticleslessthan2µmconcavedinthedendritesoflargeonesLargeparticlesareofdendritestructureMicrostructures—SEMNodetailedfeatureinsmallparticles(15µm)Petal-likestructureanddendritesforminamorphousmatrix(20um)Primaryarmsforminparticlesizeof40µmSecondaryarmsforminparticleofsize50µmAmorphousphaseformedinthehigh-coolingrateareaSmallerthan15µm15~25µm25~45µm45µmMicrostructuresofatomizedpowder—TEMAmorphousparticleNanostructuredphasecrystallizedinamorphousmatrix1µmACDB10nmMixedstructureofamorphousandnanocrystallinephaseA,B,C—crystallineD—amorphousphaseABABA—CrystallinephaseB—AmorphousphaseDendritestructurecontainingamorphousphase0204060801001201401601806080100120140160180200220240260280300Microhardness/HVParticlesize/µmMicrohardnessExample2•试验过程热辐射热对流