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超聲霧化制備金屬粉末的原理及技術要點
2014年12月24日 發布 分類:粉體加工技術 點擊量:11288
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      微細金屬粉末作為一類重要的工業原料,在電子、信息、冶金、能源、宇航等領域的應用日益擴大。隨著金屬注射成形、熱噴涂、金屬快速成形、電子表面貼裝等技術的發展,對微細粉體材料的粒度、純凈度、形貌等方面的性能要求逐漸提高,進而推動粉末制備技術朝著窄粒度、低氧含量、高效率、低成本的方向發展。雖然傳統微細粉末的制備方法如高能破碎、水霧化、氣霧化和離心霧化等技術已經進入大規模的工業生產階段,但由工藝方法決定的粉體特性諸如顆粒尺寸、粒度分布、粉末幾何形狀等方面卻難以滿足某些領域對高性能金屬粉末的使用要求。為適應這種新形勢的需要,人們在發展和完善傳統金屬粉末制備技術的同時,也在不斷開發新的金屬粉末超聲霧化技術


超聲霧化制備的金屬粉末形貌


      瑞典率先開展了超聲霧化制取金屬粉末的嘗試,他們利用特殊噴嘴產生的脈沖超聲氣流沖擊金屬液流,成功制備了鋁合金、銅合金等材料,這就是后來被稱為超聲氣霧化的金屬粉末制備技術,超聲氣霧化即是利用超聲振動能量和氣流沖擊動能使液流破碎,制粉效率顯著提高,但仍需要消耗大量惰性氣體。隨后行業內又提出單純利用高頻超聲振動直接霧化液態金屬的設想。隨著壓電陶瓷材料、換能器制作技術、超聲功率電源及其信號跟蹤技術的發展,金屬超聲振動霧化技術相繼在中、低熔點金屬粉末制備領域得到應用。近年來功率超聲技術的快速發展和各種新金屬粉末材料的涌現推動著金屬超聲霧化技術不斷更新換代,從最初僅適用于制備低熔點金屬發展到目前已嘗試用于不同熔點的金屬與合金粉末的制備,超聲霧化技術在工藝裝置和關鍵技術方面發生了深刻的變革。與傳統霧化技術相融合也是超聲霧化技術發展的一個顯著趨勢,目前已出現了多種復合高效霧化制粉技術,相關的金屬超聲霧化機制和超聲霧化關鍵技術研究也引起了國內外廣泛關注。


      金屬熔體超聲霧化的基本原理


      金屬超聲霧化的基本原理是利用功率源發生器將工頻交流電轉變為高頻電磁振蕩提供給超聲換能器,換能器借助于壓電晶體的伸縮效應將高頻電磁振蕩轉化為微弱的機械振動,超聲聚能器再將機械振動的質點位移或速度放大并傳至超聲工具頭。當金屬熔體從導液管流至超聲工具頭表面上時,在超聲振動作用下鋪展成液膜,當振動面的振幅達到一定值時,薄液層在超聲振動的作用下被擊碎,激起的液滴即從振動面上飛出形成霧滴。

      在實際霧化過程中,當超聲強度超過液體的空化域值時往往會在振動表面液體介質中產生強烈的空化作用,空化效應造成的大量氣泡在振動過程中不斷生長和潰滅,對周期性表面張力波規律造成非周期性的擾動,如果考慮空化效應,霧化機制將比較復雜。目前關于超聲霧化機制的解釋仍存在兩種不同的觀點,折中的觀點認為超聲空化與張力波效應共同發揮作用。該理論認為超聲振動霧化以張力波激發形成的液滴為主,而聲空化作為一種隨機現象,構成對周期性表面張力波的干擾,隨機產生不同粒度的液滴。


      金屬超聲霧化裝置及其關鍵技術

      金屬超聲霧化制備裝置一般由熔煉爐、霧化罐、超聲霧化器、粉末收集罐、真空充氣系統、饋液系統、控制系統構成,在霧化室中部安裝有超聲振動系統,由大功率壓電換能器、變幅桿、工具頭、陶瓷堆氣體冷卻罩組成,超聲波發生器信號從霧化室外部引入,霧化室底部設置有粉末收集罐,通過改變流嘴孔徑和調節熔化爐與霧化室之間壓差控制霧化金屬流量,正常霧化所需的功率輸出是通過調節電流值使振幅達到霧化所需要的最佳臨界狀態。超聲變幅桿選用聲阻抗率小、抗機械疲勞性能優良、易于加工的合金材料,長度選擇為λ/2與λ/4的整數倍,λ為對應頻率聲波在該材料傳播的縱波波長。為利于振動表面均勻薄液膜的形成,工具頭的頂端設計成利于熔體鋪展的形狀。通過熔體溫度和流量控制可以實現霧化狀態穩定、同時賦予粉末顆粒以低污染、球形度好和粒度分布較窄的優點。金屬超聲霧化技術涉及應用聲學、材料、冶金、物理、電子、自動控制等學科,是真正意義上的多學科融合而發展起來的新技術。超聲霧化技術的可控需要解決的關鍵技術包括高性能超聲霧化器的結構設計、金屬熔體與超聲波相互作用的理論機制和實驗規律的獲取和關鍵部件材料的選擇。具體說來主要研究內容包括建立功率超聲場(超聲頻率、功率、振幅)與金屬粉末特性(形貌、顆粒平均直徑、粒度分布等)之間的關系,熔體性質、質量流量、圍壓、介質種類等因素對粉體特性的影響規律。相關的技術研究還包括精確的金屬熔體輸送與流量控制裝置的開發、超聲換能器強制冷卻系統的優化設計和自動檢測與自制控制系統的功能完善等。因此,如何通過數值模擬和物理模擬方法對超聲霧化過程進行研究,揭示超聲霧化的內在機制,是推進超聲霧化制粉技術發展的關鍵。超聲霧化器的材料在溫升條件下連續工作時,既要具有較高的拉伸強度以及抗疲勞強度,又要保持良好的聲學性能,特別是超聲工具頭與金屬熔體相接觸時空化腐蝕很嚴重,這些使用條件對關鍵部件材料的選取提出了苛刻的要求。超聲信號發生器的頻率自動跟蹤能力對于提高功率源的功率輸出,提高換能器的能量轉換效率,發揮振動系統功效至關重要。


       近年來通過采取頻率鎖相控制技術和差動變量器橋式電路跟蹤技術在改善超聲波發生器頻率跟蹤方面取得了明顯的效果,推動了超聲霧化技術水平的提高。目前已有用微機控制的超聲波發生器,它們能在調諧不當、功率過高或換能器有故障與失靈時,微機能自調停止超聲波的輸出。

(粉體圈  作者:梧桐)

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