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1、快速凝固技术工艺快速凝固技术工艺快速凝固制取非晶和微晶粉末方法目前已开发了大量方法，如旋转盘雾化法、旋转水雾化法、超声雾化法、双辊、三辊淬冷法、电动力雾化法、等离子雾化法、溶液提取法、激光快速凝固法、多级快淬法。快速凝固工艺快速凝固工艺 通过快速冷凝制备非晶、准晶和微晶粉末的方法有很多种，根据这些方法的特征可大致分为五类，即双流雾化、离心雾化、机械电气等到作用力雾化、多级雾化和熔体自旋法。双流雾化主要有气体雾化和高压水雾化；离心雾化主要包括旋转盘、旋转水、和旋转电极雾化法和激光自旋雾化等；机械等作用力雾化主要指真空雾化、电动力学雾化和固体雾化等。多级雾化的典型方法有组合喷嘴雾化及陈振华教授所创
2、造的一系列多级快冷装置。熔体自旋法有急冷熔体自旋法、离心熔体自旋法、平面流铸造法、水自旋法、熔体提取法、熔体拖拉法和溢流法等。1.1.双流雾化法双流雾化法 所谓双流雾化法主要是通过雾化喷嘴产生高速高压的工作介质流体，将熔体流粉碎成很细的液滴，并主要通过对流方式散热而迅速冷凝。工作介质有气体和液体等。熔体凝固冷速取决于工作介质的密度、熔体和工作介质的传热能力及熔滴的直径。而溶滴的直径又受熔体的过热温度、熔体流直径、雾化压力和喷嘴形式等雾化参数控制。亚音速和音速气流雾化法亚音速和音速气流雾化法亚音速气流雾化法是粉末冶金最常用的制粉方法之一。采用这种方法熔体冷凝速度可达102-103K/s，并且能够
3、大规模生产平均粒度50-100mm的各种金属和合金粉末。紧耦合方法是指喷嘴的漏嘴交汇非常紧凑，高压气体出口就与液流相撞击的一种气体雾化方法。传统气体雾化和紧耦合气体雾化的区别传统气体雾化和紧耦合气体雾化的区别 传统的气体雾化方法如图a所示，气体交汇处的焦点离导液管出口有一段距离，金属液体首先分裂成粗的液滴，然后是不规则的薄片，最后变成液粒。紧耦合气体雾化方法如图(b)所示。金属熔体被高压气体直接雾化为液粒。紧耦合法中熔体的冷凝速度 105K/s，粉末平均粒度50mm。由于气流与液流较为接近。其气体动能的保持率较高。同时气体动能被液体吸收率更高。紧耦合喷嘴制备金属粉末的示意图紧耦合喷嘴制备金属粉
4、末的示意图 该装置是采用等离子枪熔化液体用水冷铜坩埚装盛液体。同样也可采用其它加热方式和相应坩埚来进行熔炼。常用的紧耦合喷嘴一般都采用紧耦合环缝式、对称式气体喷嘴。还可以使用非轴对称式气体喷嘴和非轴对称式导液管。非轴对称气体喷嘴也是制备细粉末的一种方法。一般来说，实现非轴对称气流的方法有很多种。如采用非轴形环缝的喷嘴、或非等尺寸气体喷嘴的组合。非正锥形的液流导管端部。非同心轴气流、分隔气流束都能产生非轴对称气流。紧耦合雾化采用非轴对称雾化系统后比采用轴对称雾化系统生产的粉末细小很多，其主要原因是由于雾化液流羽毛状伸展，非轴对称雾化可以减小雾化气体和雾化液流在焦点处收缩。从而改善导液管出口处液膜
5、的形成。当非轴对称雾化系统能够生成多个羽毛状液流时，细粉末的生产率就会大大提高。英国PSI公司对紧耦合环缝式喷嘴进行结构优化：一是使气流的出口速度超过音速，从而在较小的雾化压力下获得高速气流。如在2.5MPa压力下，氩气的雾化出口速度可到达540m/s，气体消耗量小于5Kg/min；二是增加金属的质量流率。在紧耦合雾化中，为了增加细粉的生产率，需要降低金属液流的质量流率(小于0.5L/min)，在超声紧耦合雾化技术中质量流率可以大于0.5L/min，在利于工业化生产和降低生产成本。雾化高外表能的金属如不锈钢，平均粒度可达20um左右，粉末的标准偏差最低可以降至1.5。而该技术的另一个优点是大大
6、提高了粉末的冷却速度，可以产生快冷或非晶结构的粉末。德国柏林NANOVAL GMBH公司创造了一种层状气流雾化技术。层流气体雾化原理图层流气体雾化原理图 在一定压力下气体1与金属液流2一起通过LAVAL喷嘴4。在LAVAL喷嘴入口与狭小通道区域3之间很短的范围内，气体从几m/s加速到音速。因为在LAVAL喷嘴中的急剧加速，气体可以保持小流量并自己保持稳定。金属熔液由气体平行的拔出，经过剪切应力变成细丝。在气体通过狭小区域的过程中，气体把能量传递给溶液。径向放射气体可以稳定熔体使其不发生别离或波峰剥离。因此，在狭小区域形成了厚度不变的细丝，在熔体自由流动的情况下甚至可以得到更细的细丝。与稳定推动
7、同时作用，可以得到非常稳定及高精确度的气体参数，因此可以得到均匀，细小的粉末。通过狭小区域以后，气体迅速减压并加速到超音速。在不断增加的速度下，由气体和液体接触面的剪切应力溶液流变为纤维状，并随着外部气体压力下降变得不稳定然后分成许多更细的细丝。因为流体力学的不稳定，又碎裂成小片状，在外表张力的影响下形成球形液滴并冷却凝固成粉末。层状气流雾化法主要特点是气体不再以某一高度冲击液态金属流。而是平行于金属流。金属液流依靠气流在液流外表产生剪切和挤压变形。使液流直径不断减小，发生层状纤维化。这种雾化方法效率高。粉末冷速到达106107K/s。Nanoval工艺的气体消耗量仅为紧耦合的1/3，为自由落
8、体式的1/7，具有很大经济性。高压气流雾化制备细粉末也是一种快速冷凝方法。Ricks等人采用高压气流雾化4-8MPa金属熔体，粉末冷速可以到达103-104K/s，平均粒度最细可达20mm左右。一般来说，在限制式喷嘴中，增加气压可以减少粉末的粒径，但由于气体速度与压力接近线性关系，当气压超过5MPa后，其速度增加很少。而且增加气体还明显增加气体消耗量，因此在限制式喷嘴中雾化气压一般不超过5.5MPa,限制了雾化效率的提高。Iowa州立大学Ames实验室的Anderson等人将紧耦合喷嘴的环缝改为环孔20-24个，通过提高气压最高可达17MPs和改变导体液管出口处的形状设计，克服了紧耦合喷嘴中存
9、在的气流激波，使气流呈现超声速层流状态并在导液管出口处形成有效的负压，这一改进可以显著提高雾化效率。(a)高压高压型型 b高压高压型型 高压雾化喷嘴结构图高压雾化喷嘴结构图 由伦敦帝国工学院所研制的上喷法也是一种新的快速冷凝制备粉末方法。上喷法作为铝和铝合金的粉末制备方法很早就开始应用在工业生产中。图a为上喷法制备铝和铝合金粉末的工艺示意图。图b为上喷法的雾化喷嘴。上喷法原理为：喷嘴向上喷射气体，使得中心的导液管前端形成负压。虹吸熔体向上并且将其雾化成粉。伦敦帝国学院采用了图a所示装置，该装置可制得平均粒度为25mm粉末，粉末的冷凝速度到达103-104K/s。a上喷法制备粉末的工艺示意图上喷
10、法制备粉末的工艺示意图 b上喷法的雾化喷嘴上喷法的雾化喷嘴超声雾化法超声雾化法 超声雾化(USGA)法是目前一种著名的快冷制粉方法。这种方法最初是瑞典人所创造的，后经美MIT的Grant教授改进而成。超声雾化器是拉瓦尔喷嘴和哈特曼Hartman振动波管组合在一起，既能产生2-2.5马赫的超音速又能产生80-199KHz的超声波气流。该法生产低熔点合金已达工业生产规模，对于高熔点合金仍处于实验阶段。装置的冷速达104-105K/s，雾化气体为氩气和氦气等，雾化气体压力为8.3MPa。制备Al粉最小平均粒度为22mm。a超声雾化喷嘴示意图超声雾化喷嘴示意图 拉瓦尔喷嘴原理图拉瓦尔喷嘴原理图 拉瓦尔
11、喷嘴属于先收缩后扩张型喷嘴，根据流体力学原理，对于直线型喷管，气体进口速度V1和气体出口速度V2是相等的，气流速度虽然随进气压力升高而增大，但提高是有限度的。对于收缩型喷管，在所谓临界断面上的气流速度是以该条件下的音速为限度。对于拉瓦尔喷嘴，是先收缩后扩张，在临界断面上，气流临界速度达音速，压缩气体经临界断面后继续向大气中作绝热膨胀。然后气体出口速度V2可超过音速。u-气体射流速度；气体射流速度；d-共振腔直径；共振腔直径；d0-喷管出口直径；喷管出口直径；A、B-分别为喷管和共振腔的位置；分别为喷管和共振腔的位置；p-气体压力；气体压力；p0-平均气体压力；平均气体压力；S1、S2-超声波波
12、谷。超声波波谷。超声雾化喷嘴超声雾化喷嘴 中的哈特曼管中的哈特曼管哈特曼管由一个喷气管和哈特曼管由一个喷气管和一个可调节的共振腔组成。一个可调节的共振腔组成。气流通过喷管气流通过喷管A A时可能引起时可能引起伯努力伯努力(Bernocclli)(Bernocclli)效应效应流体速度加快时，物体流体速度加快时，物体与流体接触的界面上的压与流体接触的界面上的压力会减小，反之压力会增力会减小，反之压力会增加。加。，到达超音速度，到达超音速度，在在S1S1处压力降到最低，超处压力降到最低，超过此点则形成不稳定的气过此点则形成不稳定的气体堆积，从而成为冲击波体堆积，从而成为冲击波前沿虚线表示。这一前沿
13、虚线表示。这一现象将在等间距的现象将在等间距的S1 S1、S2S2处重复产生。处重复产生。超声波雾化生产粉末装置图超声波雾化生产粉末装置图 超声雾化与普通气体雾化相比，雾化效率有大幅度提高，但也存在一些问题。如颗粒尺寸分布范围较宽，设备庞大，消耗大量气体，粉末颗粒存在卫星组织，生产成本较高。在20世纪80年代初，为了解决气体超声雾化所带来的问题，Ruthard等人采用了静态毛细管张力波直接雾化金属这种相对简单的方法，金属液体流至超声聚能器辐射面形成一薄液层，金属薄液层在超声振动下引起的毛细波作用下雾散成微小液粒。液粒破碎的能量仅来自电能转化过来的声能。由于金属液体与超声聚能器振动外表直接接触所
14、需能量小。不象超声气体雾化那样消耗大量气体。一般来说，用电声换能器来进行超声雾化有两种形式，一种是压电换能器在液体中辐射强超声，通过薄透声薄辐射到溶液中，而在液面上产生喷泉雾化。另一种为液体流至超声聚能器辐射外表并形成薄液层。薄液层在超声振动作用下激活外表张力波。当振动面的振幅到达一定值时，液粒从波峰上飞出成雾。超声振动雾化器超声振动雾化器 超声振动雾化一般由换能器，聚能器和工具头等组成。超声雾化器中的喷嘴，换能器主要作用于借助压电晶体的压电作用。将高频电振荡转化为机械振动，即将电能转化为声能。换能器大多采用螺栓夹紧的纵向振子，材料主要采用压电陶瓷。超声聚能器，又称超声变幅杆或称之为超声变速杆
15、。其作用是将机械振动的速度放大，或者将超声能量集中在较大的面积上，即聚能作用。工具头是将金属液体在超声振动下铺展成膜，再抛出成雾的装置。瑞士也开发了一种新的超声雾化装置。这种雾化装置将两种超声雾化方法超声气体雾化和波雾化有机结合起来，克服了它们的各自局限性。装置分两步击碎熔态金属，从而解决了熔体流直径不能过大的问题。熔化金属流并列导入由超声频率激发的管状共振腔内壁，超声波雾化装置在很多方面与标准装置相似，但其气体压力更高，另外也不是采用连续气流来破碎熔融金属液流。而是采用高速脉冲气流。当高压气体加速通过共振器时，就形成了频率在超声范围内的脉冲，这样实现了超音速气体速度。这种装置声称能够制备纳米
16、晶结构粉末，当液流直径为5mm时，典型的产率为15Kg/min，随着液流直径增加，雾化工艺的能量效率降低。管块共振器中使用毛细波雾化作为第一阶段雾化，液滴被由入管块共振器中使用毛细波雾化作为第一阶段雾化，液滴被由入口气体介质产生的冲击波振动后原子尺寸进一步减小类似的口气体介质产生的冲击波振动后原子尺寸进一步减小类似的一种超声音波气体雾化方法一种超声音波气体雾化方法 超声波气体雾化USGA粉末为球形粉末，并具有光滑外表，尺寸细小以及快速凝固的特点，质量平均颗粒尺寸在25um以下。冷速在104-105/s之间。超声波雾化可以通过毛细波雾化而加强，当薄层液流粘附在固态共振器外表，共振器垂直于外表振动
17、时，将形成固定的板状毛细波，当振幅超过某一临界时就会出现这一现象。随振幅的进一步增加，液流紧接着出现带状破碎，液滴在波峰位置处受到猛烈碰撞被破碎。该装置第一个特点是开发出了“锤型超声振子，比传统的两个金属块三明治振子提高了频率、振幅与相位调制。这说明，不管什么液态金属，只要选取适宜的超声参数，都可进行高流速毛细张力波雾化。它的另一大进步是采用了难熔合金管振子，一直到2000都可以保持良好的声学特性，满足润温要求，保持对熔态金属的耐蚀力。高压水雾化法 高压水雾化法也是粉末冶金中常用的制粉方法之一。这种方法主要制备低合金钢和高合金钢粉。也可以用来制备铜、青铜、钴、镍、铅、锌，锡，铝粉等多种粉末。由
18、于采用了密度较高的水作雾化介质，冷却速率比一般亚音速气流的冷速高出一个数量级，达103-104K/s，当水流压力为8-20MPa时，制得粉末平均粒度为75-200mm。高压水雾化只限于在不会过度氧化或在雾化后氧化物能被复原的合金，这种雾化法能量利用率较低，约4。近年来水雾化制粉技术取得显著进步，已能生产平均粒径10um的金属粉末。大同特殊钢株式会社开发了高压水雾化制取注射成形用球状粉末的新工艺。这种工艺的主要特点是将熔化液体注入中间仓保持一定的液面高度，控制喷嘴的喷射角()，一般来说解越小,所获得的摇实密度越大,越容易得到球形粉末，但是角越小时所得粉末的平均粒径增大，因此采用高的雾化水压，控制
19、角大小可得到微细的球形粉末。高压水雾化喷嘴结构原理图高压水雾化喷嘴结构原理图 2.2.离心雾化法离心雾化法离心雾化法是快速凝固制取粉末的一种常用方离心雾化法是快速凝固制取粉末的一种常用方法。离心雾化的形式有很多种，每种形式都是法。离心雾化的形式有很多种，每种形式都是设法将熔化金属借助于离心力的作用以熔体溅设法将熔化金属借助于离心力的作用以熔体溅射形式甩出去，随后冷却成粉末颗粒，在冷却射形式甩出去，随后冷却成粉末颗粒，在冷却过程中一般都加上一定压力的气体进行对流冷过程中一般都加上一定压力的气体进行对流冷却，使冷速超过却，使冷速超过10105 5K/sK/s，粉末一般为片状。离，粉末一般为片状。离
20、心雾化法生产率高，可连续运转，适于大批量心雾化法生产率高，可连续运转，适于大批量生产。生产。旋转圆盘法旋转圆盘法 旋转圆盘法的雾化系统的主要部件是一个绕自身轴心水平旋转的圆盘，由径向脉动涡轮驱动，转速为35000r/min，落在水冷圆盘上的液流受离心力作用于沿切线方向出来破碎成小液滴，并且被喷入的氦气对流冷却，合金流速为100-500g/s，氦气流量为流入合金液量5倍，氦气流速为0.5马赫，冷凝速度为105-106K/s，用这种方法制得铝合金和镍合金粉末平均粒度为25-80mm。这种方法早在1976年由 普拉特.惠特尼飞机公司完成全部实验室研究，现已投入稳定的工业生产阶段，装置由最初的22Kg
21、开展至900Kg，并生产了200多种快速凝固高温合金粉末，普拉物普拉物惠特尼制粉装置图惠特尼制粉装置图 采用电子束来加热金属，金属熔化后，落入旋转圆盘上甩出成粉。这种方法被称之为电子束旋转圆盘法EBRD。在这个方法中，一根垂直的金属料慢速旋转，其尖头端部被几束电子束一滴滴地熔化，液滴落入一旋转盘中央，熔融金属颗粒甩出，与水平线之间的最正确夹角在60-80之间，并被一水冷铜壁折射。采用这种工艺可以制备高活性金属粉末。粉末尺寸在30-50mm之间，且颗粒形状呈球形，外表洁净。电子束旋转盘法的示意图电子束旋转盘法的示意图 采用静止电板和带电旋转坩埚之间产生的电弧能使金属熔化，在离心力的作用下，熔融金
22、属被甩出坩埚边缘雾化，并喷出喷射出金属液态颗粒，这种方法称为离心喷射铸造法CSC。离心喷射铸造过程的示意图离心喷射铸造过程的示意图 旋转水法旋转水法 旋转水法又称为旋转杯法RSC,也属于离心雾化工艺范畴，不同的是离心力不直接作用于液 滴，而是通过旋转水层传递到液滴上，用旋转着的厚液层的能量破碎熔融的金属流，分散的液滴立即进入旋转中，被厚水层传递的离心力加速。在此运动过程中产生于液滴外表的蒸气覆盖层不断被水层带走，从而改善了热传递条件，提高了淬冷速度。在这种方法中水不但是雾化介质而且是淬冷介质。这项技术中，熔融金属颗粒落入一个装有旋转液体(一般为水的杯中。这个杯子高速旋转(8000-16000
23、r/min)，急冷液体在杯子的垂直内壁上形成较厚的液体层。旋转液体层改善了传热条件，提高了凝固冷速，同时起到雾化器的作用。用这种方法已经制备过多种钢、超合金、铝、铜和其他合金。这项技术中，熔融金属颗粒落入一个装有旋转液体水的杯中。这个杯子高速旋转8000-16000r/min，急冷液体在杯子的垂直内壁上形成较厚的液体层。旋转液体层改善了传热条件，提高了凝固冷速，同时起到雾化器的作用。用这种方法已经制备过多种钢、超合金、铝、铜和其他合金。用这种方法制备的粉末尺寸分布范围窄，细粉的收得率高，大多数颗粒呈球形，颗粒外表洁净、无氧化。RSC法可以a制备快速凝固粉末，包括高合金化微晶和非晶合金；(b)控
24、制颗粒尺寸分布从非常窄的范围到非常宽的范围；c改变颗粒形状从不规则-球形-长条形；d控制氧、氮和氢的污染；e不产生悬浮粉末。RSC法的凝固冷速在104-106K/s范围内。快速自旋杯工艺过程的示意图快速自旋杯工艺过程的示意图 旋转电极法旋转电极法REPREP 在该工艺过程中，将被雾化的棒料快速旋转，同时棒料一端被一个非自耗钨电极产生的电弧熔化。熔化的金属从旋转棒上甩出，在与惰性气室室壁碰撞之前凝固。该工艺已相当广泛地用于雾化活泼金属，如高纯、低氧的Ti、Zr、Nb、Ta、V等金属及其合金，以及Ni和Co的超合金。REP粉末一般呈球形，外表质量高，但平均颗粒尺寸较大，通常超过200um，因此其凝
25、固冷速只有102K/s。一般情况下，35目以下粉末的收得率为75。激光自旋雾化激光自旋雾化激光自旋雾化法是采用高能激光熔化转速为10000-300000rpm的棒料顶面。靠离心力甩出的液滴在碰到容器壁之前被氦气流冷却。液滴主要凝固成球形颗粒，还有10wt-30wt的产品以直径0.1-1.0mm的什状物形式存在。采用这种技术制备的100mm粉末典型的凝固冷速为105K/s。通过控制旋转速度和气流，可以得到不同直径的粉末及不同的冷却速度。该工艺两个特别显著的优点是1高能激光束产生的高过热度使大多数第二相颗粒溶解于熔体中。(2)该技术属区域熔化类型，所以雾化中的污染可限制在最低程度。这种工艺已被广泛
26、用于生产钛合金粉末。激光自旋雾化装置示意图 真空雾化真空雾化 也称可熔性气体雾化，是利用不同压力下气体在液态金属中的溶解度不同而将金属雾化成粉末的工艺方法。这种方法首先将液态金属在高压下过饱和地溶入可溶性气体，然后突然释放到真空中，以近乎爆炸的形式将液态金属离散为非常细小的金属液滴。铁合金、钴合金、镍合金和锆合金均可以氢气为溶解气体而进行真空雾化。真空雾化所得到的粉末颗粒一般为细小球形。由于这种工艺强烈依赖于可溶性气体，因此其实用性不大，目前还未获得大范围应用。3.机械、电器等作用力下雾化机械、电器等作用力下雾化 真空雾化装置示意图 电动力雾化电动力雾化 电动力学雾化法是将几千伏的额定电压施加
27、到毛细管发射极内的液流外表上而建立强电电场，强电场在熔液外表产生强大的力，有效地克服了外表张力，使液流喷射成小液滴，带电液泣加速后飞收集器，如果在凝固前撞击一冷却基底形成片状粉末；假设充分飞行可获球状粉末。这种方法可生产100nm-100mm粉末，当粉末粒度为0.01mm，冷却速度达107K/s，已用这种方法生产了Cu、Si、Al、Fe和 Pb合金粉末。电动力学雾化原理示意图电动力学雾化原理示意图 固体雾化法固体雾化法 陈振华最近创造了一种新的雾化方法。这种方法是采用含有可除去的固体介质的高速气流对液体金属或合金进行雾化而制备粉末的一种方法、创造者把该方法简称为固体雾化法。固体雾化装置示图如雾
28、化过程为：将固体颗粒装入发送罐中，采用空气压缩机或高压氮气产生高压高速气流进入发送罐，携带罐中的固体颗粒形成固气二相流，从雾化器喷嘴的环缝喷出，对浇入漏包并从漏包底部流出的金属或合金熔液进行冲击、雾化制得粉末。雾化过程中，可采用冷却水从水环中喷射出加速粉末冷却，同时，冷却水可用来清洗除去可溶性固体颗粒。1-雾化室；雾化室；2-水环；水环；3-雾化器；雾化器；4-输送管道；输送管道；5-卸料阀卸料阀6-发送罐；发送罐；7-空气压缩机；空气压缩机；8-贮仓贮仓 固体雾化实验装置示意图固体雾化实验装置示意图实验结果说明：1，在同等气体压力的流量的条件下，采用含有固体盐颗粒的高速气流对多种液体金属和合
29、金进行雾化破碎，所得粉末比不含固体盐颗粒的高速气流雾化制得的粉末粒度细得多，而且粉末粒度分布窄，粉末冷却速度大。2，采用盐雾化制备金属粉末，盐的流量愈大，流速愈快，盐颗粒的粒度愈细，则雾化粉末的粒度愈细。固体雾化所得粉末的冷速一般在103-104K/s，其冷速较高的原因是固体颗粒传热能力远大于气体，假设采用金属颗粒作为雾化介质。则粉末的冷速更高。盐雾化制得的不锈钢粉末照片盐雾化制得的不锈钢粉末照片 4.4.多级雾化法多级雾化法 多级雾化法是采用多种雾化装置组合起来的一种快冷制粉装置。这种装置的第一级装置一般为双流雾化装置，而后几级装置可以为双流雾化、离心雾化和机械雾化装置。属于这类方法的有组合
30、喷嘴法和多级快冷法。由于采用了多级雾化法，粉末的冷却速度都比较高，粉末粒度都比较细。组合喷嘴的雾化装置组合喷嘴的雾化装置为了更加有效破碎粉末，可采用两步气体冲击雾化装置。两步高压水雾化装置和气液雾化装置来实施。组合喷嘴的破碎理论是在第一级双流雾化装置进行雾化时，总有一局部大的液粒没有凝固。可以采用气体或液体进行再一次雾化进行破碎。即使是超声雾化装置。在一定时间内，在离喷嘴一定距离内还是有局部液相颗粒的存在，仍然可以进行再一次破碎。两步气体冲击雾化装置两步气体冲击雾化装置 两步高压水雾化装置两步高压水雾化装置 气水雾化的原理示意图气水雾化的原理示意图 多级快冷装置多级快冷装置 根据金属液粒急冷效
31、果和大过冷效果有机结合的原理，陈振华教授研制出一系列新型的快速凝固制粉装置。其工作原理为，首先将金属熔体过热到一个比较高的温度，然后采用常规的气体雾化装置也可采用超声雾化装置将熔体雾化成很小的液粒，被雾化液体喷在高速旋转装置，离心破碎成微小液粒。与此同时，向高速旋转装置喷入冷却剂，冷却剂被高速旋转装置离心雾化成雾珠，雾珠和金属液粒机械混合在一起并且起着隔离金属液粒的作用，冷却剂雾珠和金属液粒再经高速旋转盘，辊单次或屡次粉碎变得愈来愈细。在粉碎过程，控制金属液粒和热沉接触时间，尽量防止金属液粒在充分破碎前凝固，被充分粉碎的金属液粒最终被冷却剂冷却和带出，整个过程可连续不断地进行，冷却剂可用水、油
32、、液氮或其他液体惰性介质。1冷却剂；冷却剂；2-雾化喷嘴；雾化喷嘴；3-金属液粒；金属液粒；4-旋转圆盘；旋转圆盘；5-反向旋转罩；反向旋转罩；制取微细粉末的多级冷凝装置制取微细粉末的多级冷凝装置有关多级快速凝固制粉装置的过程分析如下：a a装置的急冷效果装置的急冷效果 金属熔体在多级快速凝固制粉装置内经过充分破碎，液粒变得极细，具有明显的急冷效果，液粒半径愈小，粉末冷却速度愈大。b b装置的大过冷效果装置的大过冷效果 采用大过冷速凝固技术的具体方法大致可以分为两类，一类是金属液粒弥散法，另一类是在较大体积熔体中获得大的凝固过冷度的方法。在多级快速凝固制粉装置的工作过程中，采用水、油、液氮和其
33、他惰性液体介质注入高速旋转装置，产生非常微细的雾珠，能够非常有效地隔离被高速旋转装置离心雾化的金属液粒，将熔体某此夹杂物、杂质异质核心孤立分开，并且阻碍已经分散的金属液粒再度熔合，给金属熔体提供近似均匀形核条件，到达大过冷效果。金属熔体经过多级破碎，粒度愈细其大过冷效果愈明显。特别令人注意的是，采用雾状水珠作为载体来分散金属液粒，大过冷效果同样明显，虽然对某些金属存在一个外表氧化氧化问题。但由于整个过程时间极短，氧化极为轻微，即使有轻度的外表氧化，对于造成大过冷影响甚小。装置的多级过程装置的多级过程所谓多级快凝装置的多级过程是指在快速冷凝制粉装置内实现反复实施分散和碎化金属液粒过程。在技术上保
34、证金属熔体经过多级装置被充分破碎而不至于在中途凝固。有利于金属熔体不至于中途凝固是基于如下一些理由：1.在制粉过程中，金属熔体过热到一个比较高的温度，可以保证金属熔体的充分破碎。2.金属熔体变得很细，具有较高的过冷度，在远离金属熔点以下温度仍具有被破碎效果。3.根据著者计算，冷却剂虽然包围和隔离金属液粒，但整个过程时间极短，假假设金属液粒的粒径没有到达足够小，则不至于被冷却剂冷凝。根据以上分析说明，多级快速冷凝装置具有急冷和大过冷双重效果，能够使金属熔体到达理想的快速凝固状态。(a)-Al粉粉(b)-Cu-Sn粉粉(c)-Sn粉粉(d)-Cu粉粉 (e)-Bi粉粉 (f)-Fe-P-C粉；粉；
35、由多级快速凝固装置制备的粉末形貌照片由多级快速凝固装置制备的粉末形貌照片多级快冷雾化方法不同于双流雾化，也不同于离心雾化，更不同于后面所表达的熔体自旋法。这种方法是目前上大规模生产最细粉末的方法之一。多级快冷雾化装置是我国学者在世界粉末冶金领域取得的一个重要知识产权。5.5.熔体自旋法熔体自旋法熔体自旋法是能够连续生产微晶或非晶条带，细丝薄片长厚比和宽厚比比较大的一种快速凝固方法。这种方法产量大，生产成本低。极适合于工业规模生产，并且由熔体自旋法生产的带，丝，和薄片冷凝速度较大，而且被破碎后，可以做为快凝粉末使用。所以备受材料界的注意。熔体自旋法和离心雾化法相比，主要是后者生产的片状粉末长厚比
36、和宽厚比比较小。熔体自旋法有急冷熔体自旋法、离心熔体自旋法，平面流铸造法，水自旋法，熔体提取法，熔体拖拉法和溢流法，双辊雾化法等。急冷块熔体自旋急冷块熔体自旋CBMSCBMS法法急冷块熔体自旋法是将熔化液粒通过漏嘴喷射到旋转辊的外表上，熔液与辊面接触时形成熔潭，熔潭被限定在喷嘴与辊面间，随着辊轮的转动，熔液同时受到冷却和剪切作用，被不断从熔潭中提出，快速凝固形成连续薄带。急冷喷射熔液自旋工艺冷速为106K/s左右，这种工艺广泛用于制取Al、Fe、Ni、Cu、Pb等合金料薄带，对于铁基和镍基合金可工业规模生产。1-熔潭上流自由外表熔潭上流自由外表 2-淬冷辊轮淬冷辊轮 3-喷嘴喷嘴 4-熔潭下流
37、自由外表熔潭下流自由外表5-熔潭熔潭 6-薄带薄带急冷块熔体自旋工艺所形成的熔潭示意图急冷块熔体自旋工艺所形成的熔潭示意图 离心熔体自旋法离心熔体自旋法 由于急冷法熔体旋转技术存在一些问题，如转轮与熔体之间接触时间短导致传热缺乏，由于形成空气边界层，液态金属对轮缘的润湿受到限制，另外在基底高速运动产生严重粘结。虽然这些问题可以通过增加喷射压力克服但导致薄带厚度增加，并因此降低速度。为了克服上述方法Rosen等人开发了离心熔体自旋法，在这个方法中旋转盘支撑着旋转坩埚，熔体靠离心力通过坩埚上的一个喷孔从坩埚中喷射出来，冲击到与支撑坩埚的轮盘反向旋转的铜轮作为冷却基底轮缘的内外表。旋转盘和铜轮的转速
38、均可调整，同时坩埚喷孔直径和它与轮缘之间的距离也可调整。与传统的CBMS法相比，离心熔体旋转法采用更高的金属喷射压力280kPa和更高的提取速度高达95m/s。离心熔体自旋法制备的薄带以108K/s的冷速凝固。与传统的熔体旋转法相比，薄带的形状尺寸更均匀，润湿性更好。1-转动圆盘；转动圆盘；2-坩埚座；坩埚座；2-平衡底座；平衡底座；3-铸造坩埚；铸造坩埚；4-冷却基体；冷却基体；5-马达；马达；6-马达；马达；7-锯切分级法锯切分级法离心熔体自旋技术的示意图离心熔体自旋技术的示意图 平面流铸造平面流铸造PFCPFC法法平面流铸造和急冷块熔体自旋法工艺原理非常相似，只是熔融合金通过矩形狭缝喷嘴
39、喷射到速高速旋转的辊面上形成宽带。平面流铸造法由Narasihan创造，与急冷块熔体自旋法相比，喷嘴配置在紧挨辊面的位置上，熔潭被限定在喷嘴底面和辊轮之间，喷嘴的底面对溶潭起着约束的作用，使得气体边界层和辊轮外表的粗糙度等因素对熔潭的扰动大大减少。平面流铸造法的熔潭小于急冷块熔体自旋工艺的熔潭，熔潭的稳定性增加。另外，熔潭与冷辊外表接触更加良好稳定。保证条带的外表品质，尺寸均一性和组织均匀性。PFC法可制备宽度在10-30mm，厚度在20-100mm，冷速为106K/s的薄带。1-坩埚 2-感应加热线圈 3-合金液 4-淬冷辊轮 5-金属薄带平面流铸造技术的示意图 水自旋法水自旋法INROWA
40、SPINROWASP水自旋法又称之为旋转水纺丝法，它不是将液流射到旋转圆筒的内外表，而是将熔体液流射入旋转水中。在该工艺中，熔融金属射流通过一石英喷嘴直径为80-200mm射入冷却层水中，该冷却层依靠离心力的作用在直径为300-600mm的旋转滚筒的内外表形成。冷却介质和熔体射流的速度分别用旋转辊筒和喷射气体压力控制。该工艺与旋转水法制粉工艺相似，但通过确保射流在受扰动之前凝固。可以制备线材。水自旋法生成产物为具有圆截面的连续线材，这些线中的枝晶组织经常沿线的方向生长，而不像在熔体旋转薄带中趋向与浇注方向的垂直方向生长。水自旋法熔体喷射速度为4-10m/s,旋转水的速度稍大于喷流速度，线材的冷
41、凝速度为105K/s 1-旋转杯；旋转杯；2-液体淬冷介质；液体淬冷介质；3-熔液漏嘴；熔液漏嘴；4-熔液熔液喷流；喷流；5-高频感应图。高频感应图。水自旋法装置示意图水自旋法装置示意图熔体提取法熔体提取法 熔体提取法可分为坩埚提取法CME和悬滴溶液提取工艺PDME。熔体提取法与熔体旋转法的明显区别在于它没有喷嘴和液体射流。它是一种用具有适宜形状的旋转热提取盘外缘与熔融金属接触的工艺。金属在接触面上凝固并粘附在盘上停留短时间在毫秒数量级，然后自然脱离甩出，形成丝线或纤维。如果熔体装在坩埚内该工艺就称为坩埚熔体提取法；如果去除坩埚，靠熔化棒料端部来制取熔融悬滴，这种方法就称为悬滴熔体提取法。(a
42、)坩埚熔体提取法坩埚熔体提取法(b)悬滴熔体提取法的悬滴熔体提取法的基本原理示意图基本原理示意图纤维丝的形状可通过盘的几何形状和盘速、浸入深度等提取参数控制。通过简单地调整转盘边缘的形状，可以制备带状或具有多种横截面的纤维。在盘周缘上按一定间距设置适宜的凹槽，可以获得任意长的纤维。除向转盘周缘供给熔融金属的方法不同外，悬滴熔体提取法与CME法非常相似。在该过程中，直径在6-25mm的棒料端部被熔化形成悬滴，当液滴接触散热盘周缘时，它以与CME汉相同的方式形成纤维丝。一旦开始生产纤维丝，可调整加热密度和加料速度以稳定连续的浇注过程。熔体提取工艺的急冷速度强烈地依赖于纤维厚度。在效直径为300mm
43、的钢纤维的急冷速度是102-103K/s。而有效直径低于25mm的纤维的急冷速度可超过106K/s(有效直径是指与不规则形状纤维横截面积相等的圆的直径)。与平面流铸和自由喷射熔液自旋工艺相比，熔液提取工艺不存在喷嘴堵塞和熔潭不稳定性的问题，而且还有一个较大的优点是熔液提取工艺可用于生产活性金属的细丝、纤维或粉末，这是由于悬滴熔液提取工艺不存在坩埚污染的问题，而在坩埚熔液提取工艺中，可以采用渣壳熔炼，防止坩埚和金属液之间发生反响。相比之下，平面流铸工艺可精确控制工艺参数和产品性能，而熔液提取工艺却更经济和更容易生产出各种合金成分的产品。熔体拖拉和溢流法熔体拖拉和溢流法 熔体拖拉法是熔融金属从一个
44、喷嘴被拖拉到一个水冷的旋转盘上。液态金属的弯曲液面与旋转圆筒接触后局部凝固，转筒迅速将凝固的金属拖拉出来，形成连续的线或薄带。凝固结束后，最终产品在绕过大约圆周三分之一处从筒上脱离，然后盘绕。该法既不要求经加工、润滑或往复运动的模具，也不要求任何复杂的辊轮导向系统用来抽拉铸造产品。熔体拖拉法的示意图熔体拖拉法的示意图熔体溢流法是熔化的材料通过熔炉侧壁的唇部流到一个旋转的水冷轮上。如同在平面流铸造和熔体拖拉法中流孔那样，熔体在上外表不受限制。溢流唇-轮接触点处剪切区特征由熔体性质粘度、外表张力和轮速决定。材料的脱离速度主要由熔体流速控制，这通常靠改变溢流唇后坩埚内的液态金属的位置来调整。在轮上不
45、同位置刻槽，可以制备具有不同长度的细小纤维。用熔体溢流工艺制备的纤维容易得到变化的横截面，且被描述成扇形。这样就形成一扇平散热面，再加上纤维在轮上的拖拉时间较长，因而可获得大于106K/s的冷却速度。所有纤维厚度在20-25mm之间。a熔体溢流技术的示意图；熔体溢流技术的示意图；b溢流唇溢流唇-轮接触点处剪切区中熔池形状和物性轮接触点处剪切区中熔池形状和物性 双辊法熔化合金在氩气压力下经漏嘴喷射到高速反向旋转的双辊辊缝中，快速凝固成薄带。用双辊法可以生产厚度小于1mm的结晶带，带宽可达300mm。1-高频加热器高频加热器 2-射流射流 3-冷却辊轮冷却辊轮 4-薄带薄带 5-喷嘴喷嘴 6-熔融
46、金属液熔融金属液 7-坩埚坩埚双辊法工艺原理示意图双辊法工艺原理示意图9、静夜四无邻，荒居旧业贫。4月-234月-23Wednesday,April 19,202310、雨中黄叶树，灯下白头人。22:47:1222:47:1222:474/19/2023 10:47:12 PM11、以我独沈久，愧君相见频。4月-2322:47:1222:47Apr-2319-Apr-2312、故人江海别，几度隔山川。22:47:1222:47:1222:47Wednesday,April 19,202313、乍见翻疑梦，相悲各问年。4月-234月-2322:47:1222:47:12April 19,2023
47、14、他乡生白发，旧国见青山。19 四月 202310:47:12 下午22:47:124月-2315、比不了得就不比，得不到的就不要。四月 2310:47 下午4月-2322:47April 19,202316、行动出成果，工作出财富。2023/4/19 22:47:1222:47:1219 April 202317、做前，能够环视四周；做时，你只能或者最好沿着以脚为起点的射线向前。10:47:12 下午10:47 下午22:47:124月-239、没有失败，只有暂时停止成功！。4月-234月-23Wednesday,April 19,202310、很多事情努力了未必有结果，但是不努力却什么
48、改变也没有。22:47:1222:47:1222:474/19/2023 10:47:12 PM11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。4月-2322:47:1222:47Apr-2319-Apr-2312、世间成事，不求其绝对圆满，留一份缺乏，可得无限完美。22:47:1222:47:1222:47Wednesday,April 19,202313、不知香积寺，数里入云峰。4月-234月-2322:47:1222:47:12April 19,202314、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。19 四月 202310:47:12 下午22:47:124月-2315、楚塞三湘接
49、，荆门九派通。四月 2310:47 下午4月-2322:47April 19,202316、少年十五二十时，步行夺得胡马骑。2023/4/19 22:47:1222:47:1219 April 202317、空山新雨后，天气晚来秋。10:47:12 下午10:47 下午22:47:124月-239、杨柳散和风，青山澹吾虑。4月-234月-23Wednesday,April 19,202310、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。22:47:1222:47:1222:474/19/2023 10:47:12 PM11、越是没有本领的就越加自命非凡。4月-2322:47:1222:47Apr-2
50、319-Apr-2312、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。22:47:1222:47:1222:47Wednesday,April 19,202313、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。4月-234月-2322:47:1222:47:12April 19,202314、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。19 四月 202310:47:12 下午22:47:124月-2315、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。四月 2310:47 下午4月-2322:47April 19,202316、业余生活要有意义，不要越轨。2023/4/19 22:47:1222:47:1219