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超声雾化制备金属粉末的原理及技术要点
2014年12月24日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:11091
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      微细金属粉末作为一类重要的工业原料,在电子、信息、冶金、能源、宇航等领域的应用日益扩大。随着金属注射成形、热喷涂、金属快速成形、电子表面贴装等技术的发展,对微细粉体材料的粒度、纯净度、形貌等方面的性能要求逐渐提高,进而推动粉末制备技术朝着窄粒度、低氧含量、高效率、低成本的方向发展。虽然传统微细粉末的制备方法如高能破碎、水雾化、气雾化和离心雾化等技术已经进入大规模的工业生产阶段,但由工艺方法决定的粉体特性诸如颗粒尺寸、粒度分布、粉末几何形状等方面却难以满足某些领域对高性能金属粉末的使用要求。为适应这种新形势的需要,人们在发展和完善传统金属粉末制备技术的同时,也在不断开发新的金属粉末超声雾化技术


超声雾化制备的金属粉末形貌


      瑞典率先开展了超声雾化制取金属粉末的尝试,他们利用特殊喷嘴产生的脉冲超声气流冲击金属液流,成功制备了铝合金、铜合金等材料,这就是后来被称为超声气雾化的金属粉末制备技术,超声气雾化即是利用超声振动能量和气流冲击动能使液流破碎,制粉效率显著提高,但仍需要消耗大量惰性气体。随后行业内又提出单纯利用高频超声振动直接雾化液态金属的设想。随着压电陶瓷材料、换能器制作技术、超声功率电源及其信号跟踪技术的发展,金属超声振动雾化技术相继在中、低熔点金属粉末制备领域得到应用。近年来功率超声技术的快速发展和各种新金属粉末材料的涌现推动着金属超声雾化技术不断更新换代,从最初仅适用于制备低熔点金属发展到目前已尝试用于不同熔点的金属与合金粉末的制备,超声雾化技术在工艺装置和关键技术方面发生了深刻的变革。与传统雾化技术相融合也是超声雾化技术发展的一个显著趋势,目前已出现了多种复合高效雾化制粉技术,相关的金属超声雾化机制和超声雾化关键技术研究也引起了国内外广泛关注。


      金属熔体超声雾化的基本原理


      金属超声雾化的基本原理是利用功率源发生器将工频交流电转变为高频电磁振荡提供给超声换能器,换能器借助于压电晶体的伸缩效应将高频电磁振荡转化为微弱的机械振动,超声聚能器再将机械振动的质点位移或速度放大并传至超声工具头。当金属熔体从导液管流至超声工具头表面上时,在超声振动作用下铺展成液膜,当振动面的振幅达到一定值时,薄液层在超声振动的作用下被击碎,激起的液滴即从振动面上飞出形成雾滴。

      在实际雾化过程中,当超声强度超过液体的空化域值时往往会在振动表面液体介质中产生强烈的空化作用,空化效应造成的大量气泡在振动过程中不断生长和溃灭,对周期性表面张力波规律造成非周期性的扰动,如果考虑空化效应,雾化机制将比较复杂。目前关于超声雾化机制的解释仍存在两种不同的观点,折中的观点认为超声空化与张力波效应共同发挥作用。该理论认为超声振动雾化以张力波激发形成的液滴为主,而声空化作为一种随机现象,构成对周期性表面张力波的干扰,随机产生不同粒度的液滴。


      金属超声雾化装置及其关键技术

      金属超声雾化制备装置一般由熔炼炉、雾化罐、超声雾化器、粉末收集罐、真空充气系统、馈液系统、控制系统构成,在雾化室中部安装有超声振动系统,由大功率压电换能器、变幅杆、工具头、陶瓷堆气体冷却罩组成,超声波发生器信号从雾化室外部引入,雾化室底部设置有粉末收集罐,通过改变流嘴孔径和调节熔化炉与雾化室之间压差控制雾化金属流量,正常雾化所需的功率输出是通过调节电流值使振幅达到雾化所需要的最佳临界状态。超声变幅杆选用声阻抗率小、抗机械疲劳性能优良、易于加工的合金材料,长度选择为λ/2与λ/4的整数倍,λ为对应频率声波在该材料传播的纵波波长。为利于振动表面均匀薄液膜的形成,工具头的顶端设计成利于熔体铺展的形状。通过熔体温度和流量控制可以实现雾化状态稳定、同时赋予粉末颗粒以低污染、球形度好和粒度分布较窄的优点。金属超声雾化技术涉及应用声学、材料、冶金、物理、电子、自动控制等学科,是真正意义上的多学科融合而发展起来的新技术。超声雾化技术的可控需要解决的关键技术包括高性能超声雾化器的结构设计、金属熔体与超声波相互作用的理论机制和实验规律的获取和关键部件材料的选择。具体说来主要研究内容包括建立功率超声场(超声频率、功率、振幅)与金属粉末特性(形貌、颗粒平均直径、粒度分布等)之间的关系,熔体性质、质量流量、围压、介质种类等因素对粉体特性的影响规律。相关的技术研究还包括精确的金属熔体输送与流量控制装置的开发、超声换能器强制冷却系统的优化设计和自动检测与自制控制系统的功能完善等。因此,如何通过数值模拟和物理模拟方法对超声雾化过程进行研究,揭示超声雾化的内在机制,是推进超声雾化制粉技术发展的关键。超声雾化器的材料在温升条件下连续工作时,既要具有较高的拉伸强度以及抗疲劳强度,又要保持良好的声学性能,特别是超声工具头与金属熔体相接触时空化腐蚀很严重,这些使用条件对关键部件材料的选取提出了苛刻的要求。超声信号发生器的频率自动跟踪能力对于提高功率源的功率输出,提高换能器的能量转换效率,发挥振动系统功效至关重要。


       近年来通过采取频率锁相控制技术和差动变量器桥式电路跟踪技术在改善超声波发生器频率跟踪方面取得了明显的效果,推动了超声雾化技术水平的提高。目前已有用微机控制的超声波发生器,它们能在调谐不当、功率过高或换能器有故障与失灵时,微机能自调停止超声波的输出。

(粉体圈  作者:梧桐)

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