快速凝固技术工艺方法.ppt

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1、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发明的一

2、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.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，并且能够大规模生产平均粒度5

3、0-100mm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该装置是采用等离子枪熔化液体用水冷铜坩埚装盛液

4、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的形成。当非轴对称雾化系统能够生成

5、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达到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。雾化高表面能的金属如不锈钢，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提高了粉末

6、的冷却速度，可以产生快冷或非晶结构的粉末。德国柏林NANOVALGMBH公司发明了一种层状气流雾化技术。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分离或波峰剥离。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。与稳定推动同时作用

7、，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，在表面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表面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。粉末冷速达到106－107K/s。Nano