球形粉末低熔点金属雾化的双层限制性喷嘴设计(2)
雾化法与其他制备方式得到的粉末相对比，具有雾化效率高、适应性强的优点，包括双流雾化、离心雾化、机械雾化。双流雾化是由高压高速流体从雾化喷嘴喷出冲击熔融金属，熔体被粉碎成非常细的液滴，并迅速冷却，得到细金属粉末[1]。所用的雾化介质是水则称为水雾化，若是气体则称为气雾化。水雾化制备的金属粉末常为片状，产率高而且经济性好，冷却速度快，但该粉末的氧含量较高，形态不规则。气雾化制备的金属粉末常为球形，尺寸小，氧含量低，能大批量生产，成本低[2] ，在近200年的发展中，已成为生产高性能球形金属及合金粉末的重要方法[3]。
1.1 雾化喷嘴原理及结构
气雾化基本原理是高速流体粉碎熔融金属液成细小液滴后冷却凝固形成粉末[4]，如图1-1所示。
在雾化设备中，输入的雾化气体加速，并在雾化装置中，输入加速度雾化气体和熔融金属的进入流的相互作用，形成一个流场，该流场中熔融金属的流动、粉、冷却，固化获得具有某种特性的粉末。雾化设喷嘴结构包括导液管的结构和位置，导管突出高度等。雾化气体工艺参数中的气体性质，进气压力，流速等。金属流动工艺参数中的金属液性质，过热度，流量，直径等。
当前对气雾化的研究考虑主要集中以下两个方面。一方面是结构参数和雾化气流的特性的研究。其目的是提供了用于喷嘴的设计和加工提供了理论依据，通过获得流场和喷嘴结构之间的关系，使得气体在出口处具有最大的流速和最小的流量。另一方面是粉末雾化工艺参数和性能[5]。根据粉末特性，设计雾化工艺参数，研究参数对雾化喷嘴效率影响，目的是优化粉末生产工序，提高生产率和降低气体消耗，引导气雾化技术的发展方向。
图1 气雾化过程
1.2 雾化机理分析
关于雾化机理的研究，已经形成了三阶段雾化理论[6]。Hinze 提出，在雾化过程当中存在三种破碎形状：扁豆状、雪茄形和膨胀型。在1878 年时L. rayleig对液体流破碎成液滴的过程剖析，连续的金属液流起初破碎成带，继而破碎成液滴；液滴直径为带直径的1. 88倍，Dombrowski波动模型至今仍在引用。Jo1nson和See将整个气雾化过程细化为三个阶段：金属液流的初始破碎、液滴的二次破碎、凝固。
图2 波动模型
1.3 喷嘴分类
a) 超声雾化技术喷嘴结构[7]，超声波雾化喷嘴管组合了拉瓦尔喷嘴和哈特曼振动管在一起，能够产生2〜2.5M的超音速流，80〜100kHz的脉冲频率，1.4〜8.2MPa的介质压力，空气流的最大流速可以达到640m/s，粉末冷却速度速度可以达到 。当雾化的铝粉末时平均粒径能够达到22um，粉末形状为球形，并且表面光滑，基本无卫星粒子存在。
b) 紧耦合雾化技术喷嘴结构，该结构缩小了气流到液流汇交的距离。有研究表明，这类喷嘴在生产细粉末方面很是有效，已成为当前大多雾化装置的首选喷嘴[8]。
紧耦合雾化喷嘴的特点是微细粉末收得率高，对高熔点金属如钢铁合金，粉末平均粒度能够达到 ，低熔点则能够低至 ；其次粉末粒度分布窄。
c) 高压气体雾化技术喷嘴结构, 该结构能够产生更高的超音速气流和均匀的气体速率，在低压力下，更有效地抑止有害振动波的产生，气体的动能显著增大，雾化效率更高。在较低压力下就可以产生于高压喷雾喷嘴相同的雾化效果。
对比这几种结构可以看出，超声波雾化技术提高了雾化技术的空气流速，雾化效率有了很大的提高。然而，该技术也只能是其中的金属熔液直径是小于5mm具有良好的效果，因此它适用于生产低熔点金属粉末如铝，而高熔点金属是情况下仅仅是试点阶段。