金属粉末的制备方法及基本原理
1 引言金属粉末尺寸小 ,比表面积大 ,用其制得的金属零部件具有许多不同于常规材料的性质 , 如优良的力学性能、特殊的磁性能、高的电导率和扩散率、高的反应活性和催化活性等。
这些特殊性质使得金属粉末材料在航空航天、舰船、汽车、冶金、化工等领域得到越来越广泛的应用。
2 金属粉末的制备方法
2.1机械法机械法就是借助于机械力将大块金属破碎成所需粒
径粉末的一
种加工方法。
按照机械力的不同可将其分为机械冲击式粉碎法、气流磨粉碎法、球磨法和超声波粉碎法等。
目前普遍使用的方法还是球磨法和气流磨粉碎法 ,其优点是工艺简单、产量大,可以制备一些常规方法难以得到的高熔点金属和合金的纳米粉末。
2.1.1球磨法
球磨法主要分为滚动球法和振动球磨法。
该方法利用了金属颗粒在不同的应变速率下因产生变形而破碎细化的机理。
其优点是对物料的选择性不强 ,可连续操作 ,生产效率高 ,适用于干磨、湿磨,可以进行多种金属及合金的粉末制备。
缺点是在粉末制备过程中分级比较困难 [3] 。
2.1.2气流磨粉碎法
气流磨粉碎法是目前制备磁性材料粉末应用最广的方法。
具体的工艺过程为 : 压缩气体经过特殊设计的喷嘴后 , 被加速为超音速气流 , 喷射到研磨机的中心研磨区 , 从而带动研磨区内的物料互相碰撞 , 使粉末粉碎变细 ; 气流膨胀后随
物料上升进入分级区 , 由涡轮式分级器分选出达到粒度的物料 , 其余粗粉返回研磨区继续研磨 , 直至达到要求的粒度被分出为止。
整个生产过程可以连续自动运行 , 并通过分级轮转速的调节来控制粉末粒径大小（平均粒度在 3～ 8
μm）。
气流磨粉碎法适于大批量工业化生产 , 工艺成熟。
缺点是在金属粉末的生产过程中 , 必须使用连续不断的惰性气体或氮气作为压缩气源 , 耗气量较大; 只适合脆性金属及合金的破碎制粉。
2.2物理法
物理法一般是通过高温、高压将块状金属材料熔化 , 并破碎成细小的液滴, 并在收集器内冷凝而得到金属粉末 , 该过程不发生化学变化。
目前研究和使用最多的物理法主要有等离子旋转电极法和气体雾化法。
2.2.1 等离子旋转电极法等离子旋转电极法的原理是将金属或合金制成特定规格的棒料 , 然后装入旋转模腔 ,再将等离子枪移至棒料前 , 在等离子束的作用下 , 棒料端部开始熔化 , 形成的液体受到离心力和液体表面张力的双重作用,被破碎成液滴飞离电极棒 ,最终冷凝成球形金属粉末 [4] 。
该方法根据电极转速和等离子弧电流的大小调节控制粉末粒径。
优点是所得粉末球形度好 , 氧含量低 ; 缺点是粉末不易制取 , 每批次的材料利用率不高。
2.2.2气体雾化法气体雾化法是生产金属及合金粉末的主要方法之一。
气体雾化的基本原理是用高速气流将液态金属流破
碎成小液滴并凝固成粉末的过程。
雾化粉末具有球形度高、粉末粒度可控、氧含量低、生产成本低以及适应多种金属粉末的生产等优点 , 已成为高性能及特种合金粉末制备技术的主要发展方向。
喷嘴是气体雾化的关键技术 , 其结构和性能决定了雾化粉末的性能和生产效率。
因此 , 喷嘴结构设计与性能的不断提高决定着气体雾化技术的进步。
从雾化喷嘴结构设计的改进历程可以将雾化技术分为传统雾化技术和新型雾化技术。
2.2.2.1 传统雾化技术
传统雾化技术主要包括超声雾化技术、紧耦合雾化技术和高压气体雾化技术。
超声雾化技术最初由瑞典人发明 , 后由美国 M IT 的 Grant改造完善。
这项技术利用 2～2.5 M a 的超音速气流和 80～100 kHz的脉冲频率 , 气体介质压力为1.4 ～8.2 M Pa, 气流的最高速度 640 m/s, 粉末冷凝速度可达 104~105 K/s 。
用该方法制备的铝粉平均粒度可达到 22 μ m,且粉末呈表面光滑的球状。
该项技术的优点是效率较高, 缺点是只能在金属液流直径小于 5 mm 的情况下才具有较好的效果, 因此, 适用于铝等低熔点金属粉末的生产 , 而对高熔点金属还处于实验阶段。
据报道 , 美国坩埚材料公司（ CrucibleMaterials）已引进该项技术进行工业化生产。
紧耦合雾化技术是一种对限制式喷嘴结构进行改造的雾化技术。
由于其气流出口至液流的距离达到最短 [7], 因而提高了气体动能的传输效率。
这种技术目前已被大多数雾化设备
采用。
雾化粉末的特点是微细粉末收得率高 , 粒径小（如铁合金粉末的平均粒度达 10～20 μm）, 粒度分布窄 , 冷却速度高。
高的冷却速度有利于快速冷凝合金或非晶合金粉末的生产。
缺点是当雾化气压增加到一定值时 , 导液管出口处将产生正压 , 使雾化过程不能进行 ; 在高压雾化下 , 导液管出口处将产生真空（负压过低）, 使金属液流率增加不利于细粉末的产生。
高压气体雾化技术是由美国爱荷华州立大学 Ames实验室的 Anderson 等人提出。
该技术对紧耦合喷嘴结构进行进一步改进 , 将紧耦合喷嘴的环缝出口改为20～ 24 个单一喷孔 , 通过提高气压和改变导液管出口处的形状设计 , 克服紧耦合喷嘴中存在的气流激波 , 使气流呈超声速层流状态 , 并在导液管出口处形成有效的负压[13] 。
这一改进有效提高了雾化效率。
高压气体雾化技术在生产微细粉方面很有成效 , 且能明显节约气体用量。
2.2.2.2新型雾化技术随着微细粉末在高新技术新材料中的应
用 , 需要大量粒径小于
20 μm 或 10 μ m 的金属及合金粉末 , 传统的雾化方法在生产这类粉末时仍然存在不足 : ①细粉末的产出率低（小于20% ）; ②气体消耗量大,生产成本高。
为此 ,自20 世纪90 年代,人们对新型雾化技术进行大量的研究 , 并取得了可喜成果。
这些新型雾化技术大大提高了微细粉末的收得率 , 并且正在进入工业化规模应用。
新型雾化技术主要分为层流雾化技术、超声紧耦合雾化技术和热气体雾化技术 3 类。
层
流雾化技术是由德国 Nanoval公司等提出 [14] 。
该技术对常规喷嘴进行了重大改进。
改进后的雾化喷嘴雾化效率高 , 粉末粒度分布窄,冷却速度达106～107 K/s 。
在2.0 M Pa 的雾化压力下 ,以Ar或N2 为介质雾化铜、铝、 316L 不锈钢等 , 粉末平均粒度达到 10 μm。
该工艺的另一个优点是气体消耗量低 , 经济效益显著 , 并且适用于大多数金属粉末的生产。
缺点是技术控制难度大 ,雾化过程不稳定 , 产量小（金属质量流率小于 1 kg/min）, 不利于工业化生产。
Nanoval 公司正致力于这些问题的解决。
超声紧耦合雾化技术是由英国 PSI公司提出。
该技术对紧耦合环缝式喷嘴进行结构优化 , 使气流的出口速度超过声速, 并且增加金属的质量流率。
在雾化高表面能的金属如不锈钢时 , 粉末平均粒度可达 20μm 左右, 粉末的标准偏差最低可以降至 1.5 μ m。
该技术的另一大优点是大大提高了粉末的冷却速度 , 可以生产快冷或非晶结的粉末 [7] 。
从当前的发展来看 , 该项技术设备代表了紧耦合雾化技术的新的发展方向 ,且具有工业实用意义 , 可以广泛应用于微细不锈钢、铁合金、镍合金、铜合金、磁性材料、储氢材料等合金粉末的生产。
近年来,英国的PSI公司和美国的 HJF 公司分别对热气体雾化的作用及机理进行了大量的研究。
HJF公司在1.72 M Pa 压力下, 将气体加热至 200～400 ℃雾化银合金和金合金 , 得出粉末的平均粒径和标准偏差均随温度升高而降低 [15] 。
与传统的
雾化技术相比 , 热气体雾化技术可以提高雾化效率 , 降低气体消耗量 , 易于在传统的雾化设备上实现该工艺 ,是一项具有应用前景的技术。
但是, 热气体雾化技术受到气体加热系统和喷嘴的限制 , 仅有少数几家研究机构进行研究。
2.3 物理- 化学法
物理-化学法是指在粉末制备过程中 , 同时借助化学反应和物理破碎 2 种方式而获得粉末的方法。
该方法中最具代表性的是以氢气为反应介质的氢化 -脱氢法( HDH) 。
氢化脱氢法利用原料金属易吸氢增脆的特性 , 在一定的温度下使金属与氢气发生氢化反应生成金属氢化物 , 然后借助机械方法将所得金属氢化物破碎成期望粒度的粉末 , 再将破碎后的金属氢化物粉末中的氢在真空条件下脱除 , 从而得到金属粉末。
氢化脱氢法已被成功用来制取 Ti粉、Zr粉、Hf粉、Ta 粉、 NdFeB 磁粉等金属和合金粉末 , 是一项成熟的工艺技术[19,20] 。
其优点是操作简单 , 工艺参数易于控制 , 生产效率高 , 成本较低 , 适合工业化生产 ; 缺点是只适用于易与氢气反应、吸氢后变脆易破碎的金属材料。