等离子旋转雾化制备粉体材料

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1、等离子旋转雾化法制备粉体材料姓名：周阳学号：S161301254课程：现代材料制备技术老师：陈刚2016年10月26日1概况等离子旋转雾化法是快速凝固技术的一种，快速凝固技术是将金属、合金熔体直接雾化制得球形粉末，或通过高压雾化介质（水或气体）的强烈冲击，或通过离心力使之破碎，高速冷却凝固实现的。目前非常热门的3D打印技术中，获得高品质、低成本的球形粉体材料是满足金属3D打印技术及制备高性能金属构件的关键环节。现阶段，快速凝固制粉工艺是制备金属3D打印粉体材料的核心技术之一。目前，应用于金属3D打印粉体材料制备的快速凝固技术主要有惰性气体雾化法（AA法）、真空感应气

2、雾化法（VIGA法）、无坩埚电极感应熔化气体雾化法（EIGA法）、等离子火炬法（PA法）以及等离子旋转雾化法（PREP法）等。其中，PREP法制备的粉末具有表面清洁、球形度高、伴生颗粒少、无空心/卫星粉、流动性好、高纯度、低氧含量、粒度分布窄等优势，适合金属3D打印。将金属或合金制成自耗电极，电极端面受电弧加热而熔化为液体，通过电极高速旋转的离心力将液体抛出并粉碎成细小液滴，最后冷凝成粉末的方法就是旋转电极法。这种制粉方法在1974年由美国核金属公司首先开发成功，可根据等离子弧电流的大小和电极转速调控粉末的粒径，其原理示意图[1]见图1图1等离子旋转电极原理示意图[

3、1]日本早在1990年就采用等离子旋转电极法在用来制作人造骨和过滤器的大粒径（几百微米）钛合金粉末的制备上实现了突破，并且表明等离子旋转电极法是最清洁的粉末制备方法之一，并预言该种方法将成为工业制备钛粉的主流技术。2010年利用等离子旋转电极法制备出了TC11钛合金球形粉末[2]，所制备的粉末的化学成分与原料棒材成分近似，且球形度好，无空心，颗粒表面光滑，行星颗粒少，粉末的流动性好。由此可见，相对于气雾化法，等离子旋转电极法的优点是，所制备的粉末无空心结构，可制备出球形度较好且没有行星颗粒的钛合金粉末。但缺点也是显而易见的，利用PREP法制备的球形钛粉[2]的粒度多

4、集中在106~246μｍ，小于106μｍ的球形钛粉的收得率较低。综合比较气雾化法和等离子旋转电极法发现，用PREP法制备的球形粉的综合性能较好，能满足等静压工艺对粉末的要求，且在粉末处理、运输、除气时均可表现出良好的性能2等离子旋转雾化制粉工艺参数对粉末性能的影响2.1电极棒直径与极限转速根据等离子旋转雾化制粉机理，对液滴进行受力分析，可得到液滴形成的临界条件，即：σπd≤mω2D/2(1)其中，σ为液滴表面张力，d为液滴直径、D为电极棒直径、ω为电极棒角速度。整理可得：d=（3σ/ρπ2）1/2·（1/n）·（1/D1/2）(2)其中，ρ为液滴密度、n为电极棒转速

5、。由公式(2)可知，等离子旋转雾化制粉粒径与液滴表面张力成正比关系，与液滴密度、电极棒极限转速、电极棒直径成反比关系。各类金属、合金的表面张力数值，获得几类典型金属、合金粉末粒径的理论计算公式[3,4]，具体如表1所示。表1典型金属、合金粉末粒径理论计算公式类别理论计算公式电极棒极限速/(r/min)电极棒直径/mm理论平均粒径/μm实际平均粒径/μm钛合金d=1.665×107/[n·D1/2]1500050157.00161.831800070110.51117.19222227089.5593.923000010055.5063.01镍基合金d=1.297×1

6、07/[n·D1/2]3000010043.2346.74钴基合金d=1.336×107/[n·D1/2]3000010044.53—铝基合金d=1.727×107/[n·D1/2]3000010057.5762.78镁基合金d=1.659×107/[n·D1/2]3000010055.3—铁基合金d=1.406×107/[n·D1/2]3000010046.8755.96由表1可知，理论平均粒径与实际检测的平均粒径结果相吻合，造成偏差的原因主要是粉末颗粒尺寸大小受棒料振动等影响，在理论值附近波动。随转速加快，粉末中小粒径粉末比例增加，粒度分布曲线向小粒径方向移动。

7、硅（Si）含量相对较少则小颗粒粉末所占比例更大，因为合金中形成的硅化物会增加液态金属表面张力，金属液膜在被甩出合金棒料时需要更大的离心力。2.2等离子弧电流强度由于每次等离子雾化制粉过程严格控制充入雾化室的Ar气体量（雾化室压力130kPa），故在整个制粉过程中等离子弧电压的变化不大，等离子弧电流的强度变化基本上反映了等离子枪输出功率的变化。研究发现，粉末平均粒径随等离子弧电流强度的增大而有明显细化的趋势。但是，提高电流会带来诸多弊端，其一是粉末粒度的分布范围随电流强度的增大而变宽的趋势十分明显，如图2所示。电流大小反映等离子枪的能量。增大电流的另一弊端在于，能