射频等离子体制备球形粉末及数值模拟的研究

发布时间：2020-07-05 08:08

【摘要】：射频等离子体具有温度高(～104℃)、等离子体炬体积大、能量密度高、传热和冷却速度快、无电极污染和反应气氛可控等优点,在材料的制备领域具有广阔的应用前景。本文以完成真空系统改造后的射频等离子体粉体处理系统为依托,针对难熔金属、陶瓷粉末的球化处理进行了系统研究。同时,开发了短流程制备球形TiC/Fe金属陶瓷复合颗粒、微细球形钛粉和四氧化三锰粉末的新工艺。此外,利用有限元分析软件对等离子体的流场、温度场和速度场进行了数值模拟,分析了工艺参数对等离子体炬的影响,并通过研究颗粒的运动轨迹探讨了粉末粒度分布和收粉率的问题。针对金属粉末易氧化的问题,对现有的100KW等离子体粉体处理系统进行了真空设计和改造。改造后的系统极限真空度达到1.0×10-3Pa,通过调整等离子体运行工艺参数,使等离子体炬达到连续稳定运行的工业生产要求。在运行功率为50KW、工作气流量为28L/min、边气流量为85L/min、系统压力为85KPa情况下,连续运行时间可达30h。采用射频等离子体直接球化处理技术,成功实现了对难熔金属粉末(Nb、Ta)和陶瓷粉末(SiO2、Al2O3)的球化处理。研究结果表明：制备的球形粉末表面光洁、分散性良好,球化率可达100%,球形粉末具有良好的球形度。球化处理后,粉末的松装密度和流动性得到明显改善。铌粉的松装密度由1.33g/cm3提高到4.35g/cm3,振实密度由1.95g/cm3提高到5.61g/cm3,粉末流动性提高为12.51s/(50g)。随着加料速率的增加,粉末球化率逐渐降低。一定粒度范围内,较小粒度粉末更易获得高球化率。此外,载气流量和等离子运行功率对粉末的球化处理也有重要影响。等离子体球化后的粉末比原料粉末性能更好。添加量相同时,球形非晶Si02粉制备的环氧塑封料体系黏度低,流动性更好,当球形硅微粉填充量为75%时,环氧塑封料的膨胀系数为10.1×10-6/℃。相同等离子喷涂工艺条件下,以自制球形A1203粉为原料制备的氧化铝涂层,结构最致密,微观组织缺陷少,显微硬度最高,达到HVo.3=957.6,优于以角形A1203和造粒A1203粉末为原料制备的涂层。将射频等离子体球化技术与自反应合成技术相结合制备的TiC/Fe金属陶瓷复合粉末,球形度高、致密度高、TiC尺寸细小且均匀分布、润湿性性良好,TiC体积分数高达82vo1.%,采用粉末冶金的压制烧结工艺制备的TiC/Fe复合材料性能优异,硬度达到HRA88.5,抗弯强度1360MPa。以不规则形状的大颗粒氢化钛粉末为原料,将射频等离子体球化处理技术与氢爆技术相结合,实现低氧含量微细球形粉末的短流程制备。平均粒径180.17μm的TiH2粉末经射频等离子体处理和后续脱氢处理后,可以得到球形度高、流动性好、平均粒径21.28μm的球形钛粉,氧含量控制在0.21wt.%。将射频等离子体球化技术与热分解技术相结合,以大尺寸的MnCO3为原料,成功制备了微细球形Mn304粉末,为微细Mn304粉末提供了新的途径。利用CFD流体力学计算软件,针对射频等离子体球化制粉过程建立了数值模拟模型,计算了流场、温度场和速度场,等离子炬中心区温度高达10100K,工作气流量和载气流量对等离子体炬的温度分布有显著影响,与实验结果相符。球化后粉末粒度分布的模拟结果与实验测试结果比较吻合,在制备特定尺寸球形粉时,可先根据数值模拟计算所需要的原料粉末的大致粒度范围,大大减少工作量。通过对收粉率问题的探讨,提出一种提高收粉率的方案,为设备的改进提供可行性指导。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TF123

【参考文献】