快速凝固制取金屬粉末技術的發(fā)展狀況(二)

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2.離心霧化法
    離心霧化法是把熔融金屬液從坩堝或澆包澆注到旋轉的圓盤或杯中,或者直接熔化旋轉金屬棒料的一端,在旋轉離心力的作用下金屬液被破碎成小液滴,隨后凝固成金屬粉末。
    2.1旋轉電極霧化法(REP)
    消耗電極圓形原料棒沿其長軸方向高速旋轉,末端伸入霧化室,被鎢電極的電弧熔化。由于旋轉,熔融金屬液流在切線方向上發(fā)散成小液滴。液滴在凝固前有足夠的時間球化,從而獲得光滑的球形粉末。旋轉電極霧化冷卻速度相對較低,約為103℃/s,粉末的粒度范圍為50-400μm,平均直徑約200μm[11]。棒料還可以采用等離子弧(PREP)、激光(LREP)或電子束熔化,以減少鎢電極的污染。旋轉電極法由于熔化不在坩堝內進行,熔液十分清潔,因此常用來生產活性金屬的高純粉末,如鈦、鈮、鉭、釩和其它金屬粉末[12]。在等離子旋轉電極法中,將等離子炬配置在稍微偏離電極表面和熔體中心線的位置,偏離量決定于電極材料和電極直徑,使金屬液熔體在旋轉電極的光滑表面上運動,這樣通過熔體偏離可獲得良好的球形粉末[13]。旋轉電極霧化法已應用于工業(yè)生產,但此工藝的工藝參數(shù)不易控制,因此所生產的粉末粒度分布難以符合預定要求。
    2.2快凝固速度法(RSR)
    快凝固速度法也稱作旋轉盤霧化法,其工藝原理為:熔融金屬液用底注式坩堝澆注到旋轉的凹形圓盤霧化器中,圓盤轉速達到35000轉/分鐘,在離心力作用下,金屬熔液沿切線方向噴射出來形成微滴,受到高速氦氣流的強制對流冷卻,液滴快速凝固成粉末。所得粉末為球形,冷卻速度估計達105℃/s[14]。與快凝固速度相關的還有兩個工藝:離心射鑄法(CSC)和電子束旋轉圓盤法(EBRD),它們分別通過電弧和電子束熔化自消耗電極[15]。目前,美國普拉特•惠特尼公司用快凝固速度法制取金屬粉末已進入穩(wěn)定的大工業(yè)生產階段,用來生產鋁、鎳、銦、鎳鋁鉬合金等多種金屬粉末,現(xiàn)已生產了200多種快速凝固高溫合金粉末[16]??炷趟俣确ㄈ菀滓鸬膯栴}有坩堝漏嘴的侵蝕和旋轉圓盤的變形,尤其是在生產高溫或活性合金粉末時問題更加突出。
    2.3旋轉帶孔杯法(RPC)
    旋轉帶孔杯法是把熔融金屬液澆注到快速旋轉的鋼杯中,在鋼杯的杯壁上鉆有許多小孔,在離心力作用下,金屬液從小孔中擠出,在空氣中飛行冷卻,形成針狀粉末顆粒,其尺寸為長1000-5000μm,直徑1000μm。粉末顆粒由于尺寸相對較大,飛行速度低,因此冷卻速度較小,約為101℃/s。旋轉帶孔杯法僅應用于低熔點金屬,如鋁、鉛、鋅等[17,18]。
    2.4熔液提取法
    熔液提取法是金屬或合金在電加熱槽中熔化后,通過提升裝置使液面與上部的旋轉輪輪緣穩(wěn)定接觸,輪緣上有許多缺口,粘附于輪緣的熔液停留一定時間后被離心力甩出,冷卻凝固成條狀、絲狀或纖維狀粉末。所得粉末的縱橫比取決于輪緣缺口的距離。粉末的直徑約10-60μm,長3-6mm,冷卻速度105-106℃/s[19,20]。熔液提取工藝已達到工業(yè)生產規(guī)模,可用來生產特定形狀的鈦、碳鋼、不銹鋼和高速鋼粉末,此工藝不存在噴嘴堵塞的問題,而且也可用于生產活性金屬粉末。
    3.機械霧化法
    機械霧化法是用純粹機械方法把金屬液破碎成小液滴,然后快速凝固成金屬粉末。
    3.1雙輥霧化法
    雙輥霧化法是用高頻加熱使坩堝內的合金熔化,待達到預定溫度后通入氬氣,在氬氣壓力下,熔融合金液經漏嘴噴射到高速反向旋轉的雙輥輥縫中,熔液通過輥縫時形成平板液流,隨后霧化成液滴,進入快冷熔池凝固成粉末[21]。金屬液流霧化成液滴被認為是由于形成氣穴的緣故。為了防止金屬液在輥縫中預先發(fā)生凝固,必須嚴格控制輥輪的熱擴散條件,一般輥面采用耐熱材料或在金屬輥面涂一層碳,使輥面的導熱系數(shù)大大減小。所形成的粉末顆粒的形狀可以是片狀、針狀、不規(guī)則形狀或球形狀,對于200μm厚的長片狀粉末其冷卻速度估計達105-106℃/s。雙輥霧化工藝可以用來生產Al、Pb、Sn等金屬粉末,還可以用來生產非晶粉末,如Ni75is8B17、Co72.5is12.5B15等[22,23]。雙輥法現(xiàn)主要用于工業(yè)大規(guī)模制取非晶態(tài)合金薄帶,而用于霧化制粉尚處于試驗研究階段。
    3.2振動電極霧化法
    振動電極霧化法是在真空或惰性氣體保護室中,一端自由的原料棒電極不斷向另一固定的水冷電極移動,原料棒的自由端由電弧熔化,熔化的金屬液由于電極的振動產生液滴,原料棒電極的振動由一共振器產生。由于液滴飛行速度慢,可以獲得球形粉末,但冷卻速度很小,估計小于101℃/s[24]。這種霧化方法可以用來生產高純度或者高活性金屬粉末,但沒有得到廣泛應用,也不具備進行工業(yè)大規(guī)模生產的潛力。
    3.3Duwez槍法
    較少的合金料(常小于500mg)在坩堝中感應熔化,由2-3Mpa或更高的高壓氣體作用,振動管中的振動膜片破壞,產生振擊波,使熔融金屬液破碎霧化成液滴,液滴的速度可達幾百米/秒,在與靜止基體撞擊后,冷卻成很薄的片狀粉末,片狀粉末厚度不均勻,在0.1-10μm范圍內變化。由于較大的沖擊速度和小的液滴尺寸,Duwez槍法工藝可獲得很高的冷卻速度,達109℃/s[25,26]。此法可應用于許多金屬和合金系統(tǒng),但僅限于實驗室研究。
    3.4錘砧法
    錘砧法是把金屬料放置在砧座的水平面上,用電弧、等離子束或電子束進行熔化后,將重錘直接砸在砧座上,從而獲得圓形片狀粉末,粉末尺寸為直徑25mm,厚約5-300μm。冷卻速度取決于片狀粉末的厚度,在104-106℃/s的范圍內[27]。與錘砧法原理相似的還有活塞砧座工藝和雙活塞工藝,它們分別是在運動的活塞和砧座之間,及兩個相向運動的活塞之間擠壓金屬液滴,從而獲得片狀粉末[28]。錘砧法被廣泛用于實驗室制取薄片狀粉末試樣,也適用于各種金屬和合金粉末。