耦合压力—气体雾化制粉工艺及制备粉末性能的研究

发布时间：2020-05-21 21:14

【摘要】：微细球形金属粉末是粉末冶金、喷涂、增材制造(3D打印)等先进制造技术的重要原材料,金属熔体雾化是制备微细球形金属粉末的主要方法。基于多能源耦合雾化与低维度熔体雾化原理,以提高粉末细粉收得率并降低雾化气体消耗量为目标,本文介绍并验证了一种耦合压力-气体雾化制粉技术,利用该技术制备了若干选区激光熔化(SLM)工艺用铝合金粉末与模具钢粉末以及粉末冶金(PM)工艺用高温铝合金粉末。在耦合压力-气体雾化工艺中,通过在熔体上方施加正压驱动,使金属熔体能通过导流嘴出口孔径较小的导流嘴(3mm),形成低维度的熔体射流,该射流具有极高的表面张力与不稳定性,提高了后续的气体雾化效率,因此具有较高的细粉收得率。另外,由于熔体射流维度很低,所以在雾化时利用较低的雾化气压便能将金属熔体破碎成细小液滴并形成粉末,因此该技术能节约雾化气体用量。本文计算了常见金属熔体表面张力产生的阻力随导流嘴出口孔径和接触角变化的关系,当金属熔体与导流嘴管壁的接触角θ为定值(如0=120°)时,金属熔体表面张力产生的阻力随导流嘴出口孔径的减小而增大,譬如纯铝金属熔体在导流嘴中流动时,当导流嘴出口孔径从4mm逐渐减小至0.5mm,表面张力产生的阻力从435Pa增大至3480Pa。当导流嘴出口孔径为定值(如d=1mm)时,金属熔体表面张力产生的阻力随接触角(090°)增大而增大,比如铸铁的金属熔体在导流嘴中流动时,当接触角从100°增大至170°时,表面张力产生的阻力从798Pa增大至4530Pa。所以在熔体上方施加正压驱动,能够使金属熔体克服表面张力产生的阻力,从而能够顺利地通过孔径较小的导流嘴。采用该技术制备了选区激光熔化工艺用微细球形AlSi10Mg合金粉末,雾化气压2.0±0.3MPa,在熔体上方施加正压0.3±0.05atm,选取导流嘴出口孔径2mm,53微米以下粉末的收得率高于40%;将该粉末与市场上现有的国产及进口的AlSi10Mg合金粉末进行对比,发现使用耦合压力-气体雾化制粉技术制得粉末球形度高、卫星粉少、粒度细小,将该粉末制件与国外粉末制件进行力学性能对比,发现该技术粉末制件力学性能优于国外粉末制件。使用该技术制备了模具钢粉末,将制得的粉末使用选区激光熔化工艺与钢材进行嫁接打印、单独打印后制得的样品与未打印的模具钢样品进行冲击韧性对比,发现单独打印的样品的力学性能已经达到了模具钢制品的性能要求。该技术还能够解决粘性熔体导流时可能发生的导流嘴堵塞问题。采用该方法制备了含硅量18-20wt%,含铁量5-6wt%的高温铝合金粉末,熔体可以通过出口孔径为2mm的导流嘴,在较低的雾化气压下(2.5MPa),100微米以下粉末的收得率达到80%。
【图文】：

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电子弧图１．１等离子旋转电极原理示意图ｍ逡逑０年，日本采用等离子旋转电极法制备出了用于制作人造骨和过滤粉末，并且表明等离子旋转电极雾化法是最清洁的粉末制备方

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射频等离子体球化法［２２］是利用等离子炬产生的高温热将形状不规则的金属粉逡逑末快速熔融成液滴，熔融的金属液滴在表面张力的作用下形成球形度很高的液滴，逡逑并在极短的时间内迅速凝固，从而形成球形金属粉末。其示意图如图１．２所示。逡逑屏蔽气体１粉冷却水流出逡逑等离子区逡逑撕ｉ逦＾逡逑疆逡逑图１．２射频等离子体装置示意图逡逑目前，加拿大ＴＥＫＮＡ公司开发出的射频等离子粉体处理系统处于世界领先地逡逑、逦位。该公司利用射频等离子球化技术实现了对Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ等金属粉逡逑末进行球化处理。Ｈｅｄｇｅｉ？和Ｈａｌｌ等［２４］利用射频等离子球化技术对钛粉进行球化处逡逑理，但是处理后的粉末球化率最高只有８５％，并且需要经过多次筛分，生产效率较逡逑低，，成本较高。北京科技大学曲选辉等［２５］将氢化脱氢技术与射频等离子球化技术相逡逑４逡逑
【学位授予单位】：北京有色金属研究总院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TF123.112

【参考文献】