气雾化制粉的原理

气雾化粉体的形貌可分为规则的球形和不规则形状，这与金属熔体破碎后，形成的液滴球化时间和凝固时间的相对大小有关。当金属液滴的球化时间比凝固时间短，在凝固前液滴能够充分球化，凝固后形成的粉末颗粒形状较规则，表面比较光滑；若雾化液滴球化时间比凝固时间长，液滴在凝固前不能进行充分球化，凝固后则形成不规则形状的粉末颗粒。液滴的球化时间主要取决于液态

金属粘度、表面张力和液滴尺寸；凝固时间主要取决于液滴的比热熔、液滴的热导率和金属的过热度。

1.熔体过热度的影响

有研究认为，随着过热度的增大，粉末由不规则的哑铃状、棒形变为球形。朱建勇等在用气体雾化钎料粉末时，发现金属液流的过热度对粉末形貌有一定的影响，提高雾化温度能提高粉末的成球率，并指出原因，雾化温度提高在延长凝固时间的同时，还能使金属液流的粘度降低从而使球化时间缩短。

2 雾化介质的影响

许天昊等采用空气、氩气、氮气和氦气4种不同雾化介质雾化SnAgCu粉末，发现生产的粉末球形度依次变好，以空气为雾化介质生产的粉末球形度最差，形貌极不规整。另外雾化介质的纯度直接影响粉末成球率的高低，这是因为雾化介质的纯度过低会导致熔滴表面形成氧化膜使熔滴粘度增加。普友福等对比空气、氦气、氮气、氩气、氮氦气混合、氮氩气混合气氛下雾化焊锡粉的粒度分布也得出了类似结论。Nichiporenko通过改变雾化介质来雾化铅，发现采用空气进行雾化，所得粉末皆为非球形；而雾化介质改为氩气，则85%粉末为球形。

3 雾化压力的影响

雾化压力对粉末形貌也有一定的影响。雾化压力高时，金属粉末的粒度较细，许多细粉末之间发生粘连。这是因为雾化气体压力较高时，雾化气体与金属液滴的能量较多，气体提供给金属液流更多的能量使之破碎成细小液滴，使粉末越细；同时，雾化气体与金属液流的热交换更多，导致金属粉末凝固速度更快，使得微细粉末之间发生粘连形成团聚。

空心粉形成机理及控制方法

空心粉是气雾化粉末中常见的一类缺陷，孔洞在粉体中一般以两种形式存在：一种是雾化气体被包裹在粉体内部形成的封闭孔隙，其尺寸一般为粉体的10%～90%，一般在较粗粒径（＞70 μm）的粉体中最为常见；另一种是枝晶间凝固收缩形成的孔隙，其尺寸一般小于粉体尺寸的5%，在粉体内部和表面均有分布。一般来说随着粉末粒度的增加，粉末中的孔隙数量、大小、气体含量都会相应增加。空心粉的形成与雾化过程中液滴破碎机制有关。在气雾化过程中，根据雾化气体与熔融金属相互作用的能量不同，有多种不同类型的液滴破碎机制同时发生。当能量最大的机制之一袋式破碎发生时，大液滴会在气流作用下形成袋状薄片，沿垂直于气体流动的方向扩散。当液体粘度较小时，液膜外侧破碎形成细小液滴；但在气雾化过程中液滴冷却速度非常快，随着液滴温度快速下降，粘度急剧升高。当液滴粘度足够高时，袋装薄膜的破碎被抑制，液膜两侧的端口结合，形成一个包裹着雾化气体的空心液滴，如下图所示。因此，要想抑制空心粉的产生，必须降低破碎过程的能量，以避免袋式破碎的发生，但如果没有对雾化过程的精确控制，就很难做到这一点。

袋式破碎机制及空心粉形成机理

卫星粉形成机理及控制方法

卫星粉指小尺寸粉末粘附在大尺寸粉末表面，形成卫星状的粉末结构，如下图所示。卫星粉会降低粉末的球形度、流动性和松装密度等，是气雾化制粉中常见的另一种缺陷。目前有两种不同理论来解释卫星粉的出现。一种经典的理论将卫星粉的出现归因于细粉和粗粉在雾化室向下飞行过程中的碰撞粘连。研究

表明，在雾化过程中，细小液滴在较大液滴凝固之前冷却和凝固，在高速气流中加速，最终撞击并焊接到较大的熔滴上，从而形成卫星粉。Ozbilen研究发现，当雾化粉末粒度分布较宽，且大颗粒粉末表面粗糙时，出现卫星粉的几率变大。

Anderson等在雾化实验中观察到，沿着雾化室的壁面可以看到垂直向上的细粉流，气流将这些细粉送入喷嘴下方的流场中，由此提出了另外一种理论：认为已经凝固的细小粉末被回旋气流卷吸到喷嘴下方的喷射区内，并与还未完全凝固的液滴发生碰撞，最终形成卫星粉。由此开发出一种直径30 cm的雾化室，并通过实验证明降低了卫星粉出现的概率。但这种方法会导致液滴过早地与雾化室内壁碰撞，降低粉末收得率。

卫星粉形貌特征

综上，目前的研究主要通过两种方法减少卫星粉的出现。首先，通过控制雾化过程和熔体特性，减小雾化粉末的粒度分布宽度，即减小粉末的粒度差异，原则上可以减少粉体间运动状态的差异，从而降低粉末和液滴之间的碰撞频率；其次，通过向雾化室引入辅助气流或优化雾化室的结构，抑制雾化室内的气流回旋，从而降低粉末与液滴之间的碰撞几率。

1．熔体过热度的影响

吕海波研究了过热温度对粉末粒度的影响，发现随着过热度增大，粉末的粒度变细。欧阳鸿武也发现，随着过热度的提高，细颗粒呈增加趋势，粉末平均粒度下降。当金属熔体达到一定温度后，再改变金属熔体的温度来提高合金粉的粒度，效果不明显。其主要原因可能是雾化时金属熔体不可避免地与空气接触，随着温度的升高，金属的氧化趋势也加强，生成的氧化物夹杂在熔体中，降低了金属的流动性，粘度就会增加，当其作用与因温度升高而降低金属熔体粘度的作用相抵消时，此时升高温度雾化粉的粒度也不会明显增加。

粉末粒度分布示意图

2.雾化压力的影响

有研究发现，随着雾化压力的增大，细粉的收得率增加。但是当雾化压力增大到一定程度时，再增大雾化压力，细粉末的增加量也不是很大，说明雾化压力有一个最佳值。还有人发现，雾化压力超过最佳值时，细粉收率反而随着雾化压力的增加而降低，这是由于雾化压力过高，射流气体的抽吸力增强，导致金属液流的流量加大所致。Mates等发现随着雾化压力的提高，所得粉体的粒度分布的标准方差减小，说明雾化压力越高，粒度分布越窄。

3.气液比（GMR）的影响

Wolf发现质量平均粒径随着气液质量流速比（GMR）的增加而连续减小，但是当比值超过一个定值，通过加大雾化气体压强或减小金属液流的流速，粉体粒度不会进一步减小。此值就是所用雾化设备的雾化极限，也是雾化超细粉体最经济的值。

4．雾化气流特征的影响

金属液流和气体射流的相对速度在整个雾化过程中起到重要作用，相对速度越大，则雾化粉体的平均粒径越小。Ünal通过改变雾化气流的超音速区长度，来研究其对粉末粒径的影响。认为雾化气流中超音速区越长，所得粉末的粒径越小。这是因为在金属液流的气雾化过程中细粉体主要通过二次破碎得到的。在发生二次破碎的区域，雾化气流的速度越大，此时金属液滴的临界尺寸越小，也就是说破碎后的母液滴尺寸越小，因此所得雾化粉末的平均粒径越小。

随着现代科技的发展，粉末材料对于品质与成本的要求渐高，金属粉末的表面几何特性对于保证高品质产品的精确性与稳定性已经变得与材料本身的性能同等重要。相信随着基础工艺和气雾化制粉机理的深入研究，气雾化制粉技术会不断得到发展和完善。