现代粉末冶金技术概述.ppt

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1、现代粉末冶金技术,兰州金川科技园,粉末冶金技术的特点（优、缺点）粉末冶金技术发展史现代粉末冶金技术的特征与发展趋势粉末冶金技术的主要应用课程结构与内容,现代粉末冶金技术概况,采用PM技术制备材料/产品的优点：成形体的致密度可控；多孔材料晶粒细小、显微组织均匀、无成分偏析近型成形，原材料利用率高95%材料组元可控，利于制备复合材料制备难熔金属、陶瓷材料与核材料,粉末冶金技术的特点,原料粉末,成形,烧结,PM Production of notch segment（槽型件）for truck transmission,采用PM技术制备材料/产品的缺点：原料粉末价格较贵（Fe和Fe粉）；成形模具成本

2、高；靠产量规模降低费用；烧结制品残余孔隙影响性能；氧和杂质含量较高；制备高纯活性金属困难；,公元前3000年以前，古埃及人使用陨铁；公元前2300年左右出现块炼铁技术：固相碳还原铁矿石（8001000C）。通过高温锻焊成各种器件。如公元300年左右印度的Dehli Piller,重6吨；我国西汉（公元前113年）的刘胜墓出土的错金书刀等。1930年Hoganas公司开始用固相还原法生产海绵铁。,粉末冶金技术发展史,块炼铁技术,随后出现Au(300年)、Ag、Cu、Sn(1000年)、Pt粉及Pt块(1800年）；1910年Coolidge发明电灯W丝，奠定了近代粉末冶金的基础；1914年WC、

3、MoC粉末出现（德国）；1927年德国Krupp公司生产硬质合金，导致了金属切削技术的革命；1956年后大量铁基、铝基零件上市；1969年机械合金化技术出现20世纪80年代后，PM制品，如蜗轮引擎零件广泛应用于航空。,技术特征：技术多样性粉末制备、成形、烧结技术多选择工艺复杂性手段先进性压机、烧结炉等设备与最新科技结合性能优异性零件复杂性规模扩大性；成本低廉性,现代粉末冶金技术特征与发展趋势,Nickel Silver Gears,Cams and Pawls：P/M parts used in a fire alarm box density：8.0g/cm3,tensile strengt

4、h：234MPa,yield strength：138MPa，hardness：90HRH.a 50%cost savings compared to the prior methods of manufacturing stamping and machining,世界粉末冶金大会获奖零件,Bevel Gear/Indexing Ratchet The part is supplied as a net shape with no secondary operations.It is fabricated to a typical density of 6.6g/cm3,and has a

5、yield strength of 207MPa(30,000psi),and a 63 HRB typical hardness.P/M replaced a two-piece machined and welded assembly,offering a 70%cost savings,世界粉末冶金大会获奖零件,Needle Driver and Distal ClevisThe parts are made to a density range of 7.68-7.72g/cm3.The distal clevis has a 35-38 HRC hardness and an elo

6、ngation of 10%.Tensile yield strength is 1100MPa(160,000psi).The needle driver has a 38-42 HRC hardness range and an elongation of 8%.The tensile yield strength is 1070MPa(155,000psi).Metal injection molding offered a cost savings of 90%compared to CNC machining the parts from bar stock,世界粉末冶金大会获奖零件

7、,Synchronizer Ring with Friction LiningThe part is warm compacted to a density of more than 7.3g/cm3 in the teeth and more than 7.1g/cm3 in the ring body,世界粉末冶金大会获奖零件,发展趋势辐射领域越来越广 材料、应用工艺过程的变异 粉末直接成形多学科交叉点 技术手段、应用领域朝特异性能、规模化、低成本方向发展,粉末冶金技术的主要应用,粉末冶金零件市场,汽车工业是粉末冶金零件的最大应用市场,典型的汽车用粉末冶金零部件 Main Bearing

8、Cap Set VALVE SEAT AND VALVE GUIDE,CONNECTING RODS Connecting Rod(fracture split)Ford Motor Company has already used more than 25 million Powder Forged(PF)connecting rods；Total cost savings of over 20%are reported,PM Connecting rod used in BMW engines,OIL PUMP GEARSSYNCHRONISATION SYSTEM,ROCKER ARMS

9、,2000、2005及2010年国内粉末冶金零件的总需求量,单位/吨,国外市场世界粉末冶金零件总产量约为60万吨，我国约占4%，世界上超过1万吨/年的粉末冶金厂家约为12个。国内与国外差距产品水平低 在产品精度方面，少数企业尺寸精度可达IS078级，形位公差可达89级，与国外水平相比低12级，但一般企业约相差23级。产品质量不够稳定，产品内在重量和外观质量均有较大的差距 工艺装备落后 多数企业仍采用性能较差的设备、能耗大、效率低、炉温均匀性差，质量不稳定；国内还没有形成一个专业生产粉末冶金模具、模架的企业,企业技术经济效益与国外同类企业相比差距较大,日本住友电工（株）650人，年产粉末冶金零件

10、24000吨，年销售额近2亿美元，人均年销售额255.4万元人民币；台湾保来得公司 530人，年销售额6210万美元，人均年销售额97.25万元人民币。,宁波粉末冶金厂 400人，年销售额1.2亿元，人均年销售额30万元；扬州保来得公司 300人，年销售额1.8亿元，人均年销售额60万元；国内一般粉末冶金厂 人均年销售2万元。,粉末制备技术雾化制粉*还原法机械合金化*气相沉积溶胶凝胶自蔓燃反应合成喷雾热解*纳米材料与纳米结构?,课程结构与内容,粉末成形技术喷射沉积注射成形*挤压成形粉末锻造粉末轧制温压成形*冷热等静压及特种固结技术爆炸成形,粉末烧结技术微波烧结*反应烧结液相烧结超固相线液相烧结

11、电火花烧结快速原位成形,原料：元素粉末、合金粉末,成形：热压（热等静压、挤压.）冷压（模压、冷等静压.）,烧结：真空、气氛、外场,其它制备技术：复压、精整、熔浸.,其它后续处理技术：热处理、机加工.,粉末的基本性质,一、基本概念,（一）名词,粉末（粉末体）powder（mass）：粒度小于1000 m的颗粒的集合体（包括固体颗粒与颗粒间的孔隙）粉末颗粒（particle）：组成粉末的固体微粒一次颗粒（单颗粒）（single particle）二次颗粒（secondary particle）颗粒团（particle agglomerates）：由单颗粒或二次颗粒依靠范德华的作用下结合而成的粉末颗

12、粒，易于分散（easy to disperse）团粒：造粒的产物,粉末性能简介（Powder Properties）,一、基本概念 二、粉末性能 三、粉末粒度,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,（一）粉末的化学性能 Chemistry Property,化学性质主要指粉末的化学组成（chemical composition）主要成分（如铁粉中的Fe）含量对粉末性能有决

13、定 影响；化学组成还包括杂质的种类和含量对粉末性能也有 重要影响。主要粉末的化学组成都有ISO、GB及行业标准规定。,School of Materials Science and Engineering,粉末中的杂质类型 与主成分结合，形成固溶体或化合物的金属或非金属（合金元素 alloying elements）：Fe-C，Fe-Ni，W-Mo，Ti3Al，Ai3Ti，LaNi5（电池材料）等。原料机械夹杂（mechanical impurities）：主要为非金属类机械夹杂物no-metallic impurities：Si、Al 氧化物、硅酸盐等。表面吸附物（chemical adso

14、rption and physical adsorption）：水，氧，空气 制粉过程中带进的杂质电解、雾化、气体还原粉末中的C、N、H、O等,School of Materials Science and Engineering,机械夹杂物一般提高颗粒硬度，降低粉末压制性能，对材料韧性toughness，特别是冲击韧性impacting toughness 性影响显著。夹杂物在粉末中的分布状态distribution以及夹杂本身的形状shape对材料的力学性能影响不同 表面吸附物影响颗粒活性，对粉末成形性和烧结性能影响明显。,School of Materials Science and E

15、ngineering,化学成分测定 针对不同成分，有多种方法：传统的化学滴定法、燃烧法、溶解法、荧光分析法、能谱分析法等。杂质O含量测定：氢损值（可被H还原氧含量测定）：用氢还原，计算粉末还原前后的重量变化。氢损值=（A-B）/（A-C）x 100%A粉末（5克）加烧舟tray的质量；B氢气中煅烧后残留remained物加烧舟的质量；C烧舟的质量 酸不溶物法ISO-4496,（二）粉末的物理性能 Physical Properties,颗粒形状及结构（Particle shape and structure）颗粒大小（粒度）及粒度组成比表面积颗粒密度颗粒硬度 熔点热学、电学、磁学、光学性质等,

16、1.粉末颗粒形状（Particle shape）,（1）颗粒形状与制粉方法和制粉工艺密切相关，某些特定形状的粉末只能通过特定的方法生产。球形粉末-雾化法 Spherical powders 多孔粉末-还原法 Porous powders 树枝状粉末-电解法 Dendrite powders 片状粉末-研磨法 Plate powders 颗粒形状对粉末的工艺性能以及压坯和烧结体强度有显著影响,（2）颗粒形状的分类（定性描述 qualitative description）,Particle shape and the suggested qualitative descriptors,2.粉末颗

17、粒密度（Particle density）,真密度:粉末材料理论密度D1 有效密度（比重瓶密度）：包含闭孔隙在内的密度D2 似密度（表观密度）:包含开、闭孔隙在内的粉末密度D3 D1=m/（V-V孔）=m/（V-V开-V闭）D2=m/（V-V开）D3=m/V V颗粒总体积；V孔孔隙体积；V开、V闭开、闭孔体积 D3D2D1,颗粒密度测定,真密度D1：（True density，This density is defined as the ratio of mass of the particle to its actual volume excluding inside pores）如何确定？

18、有效密度（比重瓶密度）D2：（Particle density，This is defined as the particle mass divided by the particle volume,including the inside closed pores.比重瓶法Next page 似密度（表观密度，false density）D3的测定 阿基米德原理（特殊的处理）,比重瓶法(Pycnometer method)；The volume of the pycnometer is generally about 2x10-5m-3(20ml),The following masses

19、are measured:m0:empty pycnometer ml:pycnometer containing liquid ms:pycnometer including sample particles msl:pycnometer including sample and liquid l:the liquid density p:The particle density；,粉末强度愈高,硬度愈高,混合粉末的强度strength比合金粉末的强度低,合金化可以使得金属强化,硬度随之提高；不同方法生产同一种金属的粉末，显微硬度是不同。粉末纯度purity越高，硬度越低，粉末退火降低加工硬

20、化程度、减少氧、碳等杂质含量后，硬度降低。硬度反映了粉末的塑性，对粉末的压制性能有重要的影响，模压成形时对模具的寿命影响显著。,3.颗粒显微硬度（Microhardness）,采用普通的显微硬度计测量金刚石角锥压头的压痕对角线长，经计算得到的。制样：先将粉末试样与电木粉或有机树脂粉混匀，在100 200MPa下制成小压坯，然后加热至140固化。压坯按制备粉末金相样品的办法磨制并抛光后，在2030g负荷下测量显微硬度。,颗粒显微硬度测定,4.比表面（Specific surface area）,比表面积：Sw（m2/g）指单位质量粉末具有的表面积体积比表面：Sv（m2/cm3）指单位体积粉末具有

21、的表面积Fsss气体透过法测外比表面，测二次颗粒粒径（50-0.1m）BET吸附法测量比表面积，测量一次颗粒,气体吸附法测比表面基本原理：利用气体在固体表面的物理吸附测定物质比表面的原理是：测量吸附在固体表面上气体单分子层的质量或体积，再由气体分子的横截面积计算1g物质的总表面积，即得specific surface area（克比表面）。,费歇尔微粉粒度分析仪 费氏仪全名是Fisher Sub-Sieving Sieve,简写成Fsss,已被许多国家列入标准；计算粒度的原理是根据柯青-卡门方程变换建立的公式古登（Gooden，Smith）；用粉末床几何尺寸表示孔隙度：孔隙度 W：粉末质量 A

22、：试样截面积 L：试样长度 理：粉末材料理论密度,Powders should be evaluated for their suitability for further processingFlow rate measures the ease with which powder can be fed and distributed into a dieApparent density is the measure of a powders ability to fill available space without external pressureCompressibility is

23、 the effectiveness of applied pressureGreen strength is used to describe the strength of the pressed powder after compacting,（三）粉末工艺性能（technical features）,1.松装密度 apparent density和振实密度 tapping packing）density（1）松装密度 apparent density 定义:粉末在自然充填容器时，单位体积内自由松装粉末体的质量 g/cm3 意义:自动压制（automatic pressing（compa

24、ction），容积法装料，决定装料高度，阴模高度等 影响因素:particle shape，particle size and distribution，surface conditions，,粒度:粒度小，松装密度小Mean particle size of W has a notable effect on apparent density Fsss D平均m D松 Fsss D平均m D松 g/cm3 g/cm3 1.20 2.16 6.85 4.40 2.47 2.52 26.00 10.20,影响粉末松装密度的因素,b.颗粒形状：形状复杂，松装密度小，松装密度从大到小排列：球形粉类球

25、形不规则形树枝形 spherical-similar spherical-irregular-dendriticc.表面粗糙度d、粒度分布 Particle size distribution 细粉比例增加，松装密度减小;粗粉中加入适量的细粉，松装密度增大;球形不锈钢粉-100150（%100 80 60 40 20 325（%）20 40 60 80 100 d松 4.9 5.2 4.8 4.6 4.3,粉末松装密度测定（GB1478-84、GB5060-85）,The basic components of the Hall flowmeter and Scott volumeter fo

26、r measuring the flow and packing of powders,（2）振实密度 tapping packing）density 与粉末体中的孔隙 粉末装于容器内，在规定条件下，经过振动敲打后测得的粉末密度 振动使粉末颗粒堆积紧密，但粉末体内仍存在大量的孔隙pores。空隙体积与粉末体的表观体积之比的百分数称为孔隙度 Porosity（）粉末体中的孔隙包括pores in the particles and between the particles；松装密度，理材料的theoretical density理论密度或颗粒真 密度true density，与粉末体孔隙度的关

27、系：1/理,/理 称为粉末体的相对密度relative density，用d 表示，其倒数，1/d称为相对体积relative volume。孔隙度porosity与相对密度和相对体积的关系为：1d 和11/粉末体的孔隙度或密度是与颗粒形状、颗粒的密度和表面状态、粉末的粒度和粉末组成有关的一种综合性质。Porosity or density is a simultaneous parameter related to particle size and distribution，shape，surface feature。,由大小相同的规则球形颗粒组成的粉末的孔隙度时，0.476，最松散的堆积

28、（packing）；0.259，最紧密的堆积（packing）如果颗粒的大小不等，较小的颗粒填充到大颗粒的间隙中，孔隙度将降低；颗粒形状影响孔隙度，形状越复杂，孔隙度越大；,2.流动性 Flow ability（流速）定义：一定量粉末(50g)流经标准漏斗所需的时间：sec./50 gram 意义：反映压制时粉末充填模腔的能力 影响因素:颗粒间的摩擦 friction between the particles 形状复杂，表面粗糙，流动性差 理论密度增加，流动性增加 粒度组成：流动性差,Flow ability也采用前述测松装密度的漏斗unnel来测定。标准漏斗tunnel（又称流速计）是用1

29、50目金刚砂粉末，在40s内流完50g来标定。还可采用粉末自然堆积角natural angle of repose试验测定流动性（粉末通过一粗筛网sieve自然流下并堆积在直径为1in.的圆板上），当粉末堆满圆板后，以粉末锥的高度衡量流动性。粉末锥的底角称为natural angle of repose。锥越高或自然堆积角越大，则表示粉末的流动性越差；反之则流动性越好。,流动性与粉末密度有关：如果粉末的相对密度不变，颗粒密度越高，流动性越好；颗粒密度不变，相对密度增大会使流动性提高;例：球形 Al粉，尽管相对密度较大，但由于颗粒密度小，流动性仍比较差。流动性受颗粒间粘附adhesion作用的影

30、响：颗粒表面吸附水分、气体,加入成形剂(binder)减低粉末的流动性。Flow ability 直接影响压制过程自动装粉和压件密度的均匀性：是自动压制工艺中必须考虑的重要工艺性能。制粒工序（团粒）改善流动性。,3.压制性 Compacting ability，Compactability）,压制性是压缩性和成形性的总称 compressibility and formability（1）压缩性 Compressibility 定义:粉末被压紧的能力，表示方法是：一定压制条件下粉末压坯的密度（green density）（在规定的模具和润滑条件下加以测定，用在一定的单位压制压力（500MPa）

31、下粉末所达到的压坯密度表示）意义:压坯密度对最终烧结密度有重要影响，进而影响烧结体性能。,影响压缩性因素:a.粉末hardening 加工硬化，压缩性能差 b.irregular powder：poor compressibility c.密度减少时（空隙增加），压缩性差 d.碳、氧和酸不溶物含量的增加，压缩性变差 凡是影响粉末密度的因素都对压缩性有影响,（2）成形性 Formability 定义:压制后，粉末压坯保持形状的能力。用压坯强度表示 意义:压坯加工能力，加工形状复杂零件的可能性 影响因素：颗粒之间的啮合与间隙 a.irregular shape，颗粒间连接力强,成形性好 b.sma

32、ller particle，soft powder，good formability,成形性和压缩性矛盾：成形性好的粉末压缩性差 压缩性好的粉末成形性差 必须综合考虑压缩性和成形性,三、粉末粒度及其测定 particle size and measurement,（一）粒度及其分布（Particle size and distribution）1.基本概念：粒度Particle size：以mm或m的表示的颗粒的大小称颗粒直径，简称粒径或粒度。粒度分布 Particle size distribution：由于组成粉末的无数颗粒一般粒径不同。具有不同粒径的颗粒占全部粉末的百分含量称粉末的粒度组

33、成，又称粒度分布 size distribution。粒度对单颗粒而言，而粒度组成则指整个粉末体。但是通常说的粉末粒度包含有粉末平均粒度的意义，也就是粉末的某种统计性平均粒径（对粉末体也可称粒度，但是指平均粒度）。,粒度级别的划分,粉末的粒度和粒度组成直接影响其工艺性能，从而对粉末的压制过程以及最终产品的性能产生很大影响。,2.粒径基准 用直径表示的颗粒大小称粒径。规则粉末颗粒可以直接用球的直径或投影圆的直径来表示粒径最简单和最精确。近球形、等轴状颗粒，用最大长度方向的尺寸代表粒径，误差也不大。大多数粉末颗粒，形状不对称，仅用一维几何尺寸不能精确表示颗粒真实的大小，最好用长、宽、高三维尺寸的某

34、种平均值来度量。,几种粒径基准：（1）几何学粒径dg：用显微镜按投影几何学原理测得的粒径称投影径。,二轴平均径：,三轴平均径：,加和（调和）平均径：,几何平均径：,体积平均径：,（2）当量粒径de 用沉降法、离心法或水力法等测得的粉末粒径。物理意义：与被测粉末具有相同沉降速度且服从斯特克斯定律的同质球形粒子的直径。体积当量径 volume equivalent diameter 如 V粉(体积)=V球(体积)；D粉=D球；V球=（/6）d3球 d球=(6V/)1/3=d粉 测出粉末体积,能够换 算出粉末的颗粒粒径；面积当量径 area equivalent diameter 当S粉(投影面积)

35、=S球(投影面积),D粉=D球 S球=（/4）d2圆 d圆=（4/）s1/2圆=d粉,（3）比表面粒径dsp 利用吸附法、透过法和润湿热法测定粉末的比表面，再换算成具有相同比表面值的均匀球形颗粒的直径，称为比表面积（4）衍射粒径dsc 对于粒度接近电磁波波长的粉末，基于光与电磁波(如X光等)的衍射现象所测得的粒径称为衍射粒径。,3.粒度分布基准,（1）个数基准分布：以每一粒径间隔内的颗粒粉占全部颗粒总数中的个数表示，又称频度分布；（2）长度基准分布：以每一粒径间隔内的颗粒总长度占全部颗粒的长度总和中的多少表示；（3）面积 基准分布：以每一粒径间隔内的颗粒总表面积占全部颗粒的表面积总和中的多少表

36、示；（4）质量quantity rule 基准分布:以每一粒径间隔内的颗粒总质量占全部颗粒的质量总和中的多少表示。,4.平均粒度mean particle size,5.粒度分布 Particle size distribution,基本概念：频度:第i 级粉末颗粒数与总颗粒数之比 100%第i 级粉末重量数与总重量数之比 100%第i 级粉末体积数与总体积数之比 100%相对频度：单位尺寸(微米)上的频度数 relative frequency 例如：-微米总颗粒数占总颗粒数的，具有-微米粉末颗粒的频度值为，相对频度（-）粒度分布曲线以颗粒数或颗粒频度对平均粒径所作的粒度分布曲线称为频度分布

37、曲线，曲线峰值所对应的粒径称为多数径,（n）以颗粒数n和频度数对平均粒径作图，可以得到直观的粒度分布曲线和频度分布曲线由于该横坐标horizontal axial 取值以一个单位计算=1，固这一频度分布曲线又称为相对频度分布曲线relative frequency distribution curve，二条曲线重合,累积分布曲线：将各种粒级粉末个数或百分数逐一相加累积并做图，可以得到累积分布曲线，分布曲线对应处称为中位径，当考虑累积分布曲线中粒径小于某个粒度的粉末占总体粉末的百分率时，这种累计为负累计negative accumulated distribution curve.也可知道大于某

38、个粒级的粉末占总粉末的百分率，称正累计positive accumulated distribution curve,Curve of particle size distribution,Frequency distribution,Common particle size distributions,The particle size distributions shown on four different bases;frequency versus linear particle size,and cumulative frequency versus log particle si

39、ze,etc.,思考题：某粉末粒度组成数据如下：05m 510m 1015m 1520m37(颗粒数)3749722025m 2530m 3035m 3540m108164121934045m 4550m 50m624019 做粒度分布曲线、正累积分布曲线、负累积分布曲线，确立中位径，计算平均粒径。,（二）粒度测定（Particle size measurement）,Typical methods to determine particle size,现代粉末冶金技术,制粉技术,1.在不同状态下制备粉末的方法1.1 在固态下制备粉末的方法（1）从固态金属与合金制取金属与合金粉末的有机械粉碎法

40、和电 化腐蚀法；（2）从固态金属氧化物及盐类制取金属与合金粉末的还原法；（3）从金属和非金属粉末、金属氧化物和非金属粉末制取金属化合物粉末的还原化合法。,粉末制备技术,1.2 在液态下制备粉末的方法（1）从液态金属与合金制取金属与合金粉末的雾化法；（2）从金属盐溶液置换和还原制金属、合金以及包覆粉末的置换法、溶液氢还原法；从金属熔盐中沉淀制金属粉末的熔盐沉淀法；从辅助金属浴中析出制金属化合物粉末的金属浴法；（3）从金属盐溶液电解制金属与合金粉末的水溶液电解法；从金属熔盐电解制金属和金属化合物粉末的熔盐电解法。,粉末制备技术,1.3 在气态下制备粉末的方法（1）从金属蒸气冷凝制取金属粉末的蒸气冷

41、凝法；（2)从气态金属羰基物离解制取金属、合金粉末以及包覆粉末的羰基物热离解法；（3）从气态金属卤化物气相还原制取金属、合金粉末以及金属、合金涂层的气相氢还原法；从气态金属卤化物沉积制取金属化合物粉末以及涂层的化学气相沉积法。,粉末制备技术,从实质过程看，现有制粉方法大体可归纳为两大类，即机械法和物理化学法。机械法是将原材料机械地粉碎，而化学成分基本上不发生变化；物理化学法是借助化学的或物理的作用，改变原材料的化学成分或聚集状态而获得粉末的。粉末的生产方法很多，从工业规模而言，应用最广泛的是还原法、雾化法和电解法；而气相沉淀法和液相沉淀法在特殊应用时亦很重要。表1-1为制取粉末的一些方法。,一

42、、粉末制备技术,表1-1 粉末生产方法,一、粉末制备技术,续表1-1,一、粉末制备技术,雾化制粉技术,概况商业化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The dispersion of a molten metal into particles by a rapidly moving gas or liquid stream or by mechanical means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（spinning cup),商业化粉末雾化技术,双流雾化：水雾化：起源：1872年Mar

43、riott（英国）发明蒸汽熔化金属并雾化；1950s英国PM Ltd.发明雾化喷嘴，制备有色金属；1954英国B.S.A.Co Ltd 和瑞典Hoganas生产水雾化铁粉,自由落体式（Free-fall mode)水雾化,雾化喷嘴,环缝式喷嘴（annular ring nozzle),分离式喷嘴（discrete multiple nozzles),水雾化影响参数,工艺特性：,水雾化工艺条件,粒度分布：10300um；冷却速度：103105 C,油雾化,1980s Sumitomo Metals 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

44、钢粉末粉末粒度：70um,气雾化,1920s 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,粉末粒度：50300um,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。H2 2H(dissolved in M)H含量0.00010.001w/o;气体压力：13MPa;粉末粒度：4070um(1500um);冷却速度：102C/s,旋转电极雾化,1963年Nuclear Metals Inc.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

45、：200um(50400um);冷却速度：102 C/s；转速：15702100rps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（515um)；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：100150MPa；粉末粒度：15um,dm=114P-0.58(conical)dm=68P-0.56(V-shaped),高压气雾化,层流雾化：=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

46、压力：1020MPa;粉末粒度：1020um；,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300C,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（

47、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：0.110us for 100um金属液滴凝固的时间：1001000us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

48、面活性剂等；Fe:10004000ppm;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(specific gas consumption):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(m/g(w)(1+M/A)1/2,D:液流直径；g：气体动力学粘度；m: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149420um粉末:球形化时间：小于210-5s 比凝固时间

49、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,M2C,Cu,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,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,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。,Q:液滴供给量，m3/s:电极角速度，r/sD:电极直径，m:表面张力，N/mL:液流动力学粘度，Pa.sL:液流密度，kg/m3,X=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,