气雾化制粉技术发展历程及展望

气雾化制粉具有环境污染小、粉末球形度高、氧含量低以及冷却速率大等优点。经过多年的不断创新和完善,气雾化制粉技术已发展为生产高性能金属及合金粉末的主要方法,成为支撑和推动新材料研究及新技术开发的先导因素。然而,气雾化制粉工艺本身是一个多相流相互耦合作用的复杂过程,人们对气雾化机理至今仍未能透彻认识;在大批量低成本制备均匀、微细粉末方面仍面临严峻的挑战。期待技术的改进,甚至雾化原理的突破。就此,本文简要回顾了气雾化制粉技术的发展历程,着重介绍了近年来的研究进展和技术创新成果,并对其发展前景进行了探讨和展望。

粉体混合技术的研究进展

总结了影响粉体混合过程和混合效果的几个主要因素 ,讨论了粉体混合的相容性和混合机制 ,并对近年来粉体 (颗粒 )混合过程的数值模拟研究和实验研究进展情况作了简要介绍。

粉末冶金TiAl合金排气门的研制

利用元素粉末冶金方法制备了TiAl合金排气阀。为提高排气门杆部的致密度、均匀度 ,设计了特有的径向热压工艺 ,并从理论上分析了与该工艺相关的压坯密度、致密化和应力变化规律。制备出高径比为 10 .7,密度为 3.79g/cm3

圆筒型混合器中颗粒混合运动的研究

采用2种不同颜色的硅胶颗粒,研究混合器的填充率、转速等对颗粒混合过程的影响,探明颗粒在圆筒型混合器中的运动形态和混合机理。研究结果表明:混合过程中颗粒运动的流线不断被拉伸和弯曲,是形成颗粒扩散运动的重要机制;填充率和转速对颗粒的混合运动有明显影响:在填充率不变时,混合效果随混合器转速的提高(接近离心状态之前)而提高;当转速不变时,混合效果随填充率的提高(不超过70%)而提高;随填充率和转速的提高,颗粒的运动模式由Rolling模式逐步向Cascading模式发展。

粉体混合过程的实验和数值模拟研究

讨论和总结了粉体混合过程的基本特征和混合机制。对近年来粉体(颗粒)混合过程的数值模拟研究和实验研究进展作了简要介绍。

TiAl基合金排气阀的研制和应用前景

优良的综合性能使TiAl合金成为制造未来高性能汽车发动机排气阀的首选材料。开发低成本高质量大批量生产TiAl合金排气阀的技术成为当前的研究热点。回顾和总结了近年来国内外研发TiAl合金排气阀的进展。

紧耦合气雾化制备Al基合金非晶粉末的研究

研究了紧耦合气雾化制粉过程中AlNiY合金熔滴的冷却行为以及非晶颗粒的形成机制。结果表明:(1)AlNiY合金非晶化的临界冷却速率大致为103K/s;(2)熔滴的冷却速率与直径成反比,当直径小于25μm时,熔滴达到临界冷却速率实现非晶化。当直径大于25μm时,熔滴无法获得非晶化临界冷却速率,只能发生形核结晶;(3)熔滴的非晶化还与雾化过程相关,由于熔滴破碎时的位置和温度不同,获得的冷却速率将不同,出现了相同直径(小于25μm)的颗粒存在非晶和结晶两种状态。

开涡状况下紧耦合气雾化的成膜机理

为了探明紧耦合气雾化制粉过程中金属熔液在气流作用下的雾化机理,采用降低金属过热度,使部分金属液流在雾化过程中提前凝固的方法,研究了开涡状况下(气体压力为2.1 MPa)金属液流的成膜机制.结果表明:雾化过程中液膜不是连续生成的,而是以离散方式形成的;开涡状况下的'实心锥'雾化存在将液滴挤压成液膜的成膜过程.这个成膜过程可表述为:金属液流进入回流区,经'初次雾化'破碎成离散的液滴,并在湍流层中进一步破碎细化,从滞留点前端穿过马赫盘,被挤压成厚度约为10～30μm、面积大约为10～50 mm2的液膜.

紧耦合气雾化制粉中熔体过热度对雾化模式和粉末粒度的影响

采用紧耦合气雾化制粉设备,研究了熔体过热度对紧耦合气雾化模式和粉末粒度的影响。实验中,保持其他气雾化工艺参数不变,熔体(金属铜)过热度分别设定为150,200,250和300 K,得到相应的粉末平均粒度分别为34.88,32.33,30.87和19.74μm。对雾化过程的理论分析结果表明:当熔体过热度从250 K提高到300 K时,液滴的破碎模式发生了改变,即由袋式转变为延展式,粉末粒度显著下降。但是,过热度的变化对雾化粉末粒度的正态分布规律没有明显影响;通过优化工艺参数,有潜力获取粒度更细、分布更均匀的粉末。

利用“球化效应”激光扫描制备球形Ti粉的研究

利用'球化效应',在SLS设备上探索将异形Ti粉转化为高性能球形粉末的可行途径。通过系统地改变激光功率、扫描速度,以及选取合适的激光扫描间距,探明了形成'球化效应'的工艺条件,并在激光功率为600W,扫描速度为30mm/s时,获得了较为理想的球形Ti粉。通过对球化过程进行理论分析,得出了选取激光扫描制备球形Ti粉工艺参数的准则。

激光扫描金属粉末的“球化效应”及其应用

为了利用激光束扫描金属粉末时的"球化效应"将异形金属粉末球化,通过采用正交实验法,系统探明了获得球化效果的激光工艺参量,得到相应的球形粉末。结果表明,金属粉末的球化能力决定于金属粉末的粒径、导热性、熔点和激光吸收率等因素,可用球化因子K表征;当激光扫描速度与激光功率(高于临界功率后)的比值大致等于K时,可获得球形粉末。

3种二组元粉体的混合特征

为了探明粉末物性差异对混合过程效果的影响,将形状不规则的Ti粉、近球形的Al2O3粉和Al粉分别与Fe粉按相同比例构成3种二元粉末体系,并通过实验测定了这3种粉末体系在圆筒型混合器中混合过程均匀度的变化,并对混合过程进行了理论分析。结果表明:粉末物性的差别对混合过程产生明显的影响,在相同填充率和转速下,经过50s的混合,流动性较好的Al2O3粉、Al粉与Fe粉的混合均匀度分别达到0.048和0.025,扩散系数分别为0.293和0.375;而流动性较差的Ti粉与Fe粉却未得到有效的混合,混合均匀度只达到0.275,扩散系数为0.064。

粉末冶金TiAl基合金排气门的研制

与常用的钢质排气门相比,ＴｉＡｌ基合金排气门的耐高温、抗磨损、抗氧化和导热性等性能更好,而且质量减轻一半。本文采用元素Ｔｉ、Ａｌ粉末混合、冷等静压和径向热压相结合的工艺,制备出高径比为１０．７,密度为３．７９ｇ/ｃｍ３的粉末冶金ＴｉＡｌ基合金汽车发动机排气门,为制备合格的ＴｉＡｌ基合金排气门探索了一条新的途径。同时指出,要大范围应用ＴｉＡｌ基排气门必须降低其成本。

颗粒物质的堵塞行为与非晶相变

近年来研究发现,颗粒物质堵塞(Jamming)和非晶相变(Glass-transition)这两个看似毫不相干的体系之间有着密切关联:颗粒物质的堵塞与非晶相变、颗粒堆积与非晶结构之间有着惊人的相似性,对颗粒物质堵塞过程的研究被认为是微观非晶转变的宏观化研究。本文概述了颗粒物质堵塞行为的基本特征和颗粒堆积结构等问题的重要研究进展,阐述了颗粒物质堵塞临界行为与非晶相变的内在联系和相互借鉴的科学意义。

TiAl基合金发动机排气门的制备和台架试验

采用真空离心铸造 +机加工工艺制备的TiAl基合金排气门在 483Q柴油发动机台架上进行了 48h耐久性试验。结果表明 :TiAl基合金排气门质量轻 ,约为 2 1 4材料排气门质量的 50 % ;TiAl基合金排气门与原气门座组成的摩擦副具有更好的磨合性和耐磨性 ,并且实际接触面积由原来的 30 %提高到 70 % ,相对下沉量由 8.0×1 0 - 3 m降低至 1 .0× 1 0 - 3 m ,说明TiAl基合金排气门可满足高性能发动机的服役要求。

颗粒物质的堵塞行为

在无序状态体系中形成了屈服应力或者是当应力的驰豫时间超过实验时间尺度时就会形成堵塞(jamming)。近年来,堵塞行为已成为颗粒物质研究中的一个热点和难点问题。文内概述了颗粒物质堵塞的基本概念和临近堵塞的行为特征(如颗粒间应力的形成和分布特征、颗粒构形和密度),以及相关实验和数值模拟研究得出的重要结论。有关颗粒物质堵塞行为的研究,对探明颗粒物质的本质特征,非晶相变机制,以及人流、物流、交通流、信息流中的瓶颈效应等重大问题的解决将产生积极的推动作用。

球形粉末堆积密度的计算方法

为提高球形粉末体系的堆积密度,介绍了单一尺寸球形颗粒堆积密度与配位数和排列方式的关系,讨论了双组元球形粉末堆积密度与配位数、粒度比和大颗粒的质量分数的关系。根据分形原理,提出了计算多组元粉末体系堆积密度的方法,计算结果与实验数据基本吻合。此外,提出了提高堆积密度的有效方法。

纳米铁及氧化铁粉制备技术的进展

纳米铁及氧化铁粉广泛用于磁记录、气敏元件、光吸收材料、高效催化等领域。近年来,纳米铁及氧化铁粉的制备技术和物性研究取得了较大进展,应用领域进一步扩展。该文着重介绍国内外纳米铁及氧化铁粉的几种基本制备方法及其关键技术的发展现状,并分析了用不同方法制备的纳米粉末的物理特性。

装粉方式对钛粉压制成形影响的数值模拟

用MSC.Marc软件模拟了3种不同装粉方式下钛粉压制成形过程中粉末的流动情况及压坯的密度分布规律。结果表明:粉末装粉方式对粉末压制过程及压坯密度有较大的影响,与平式装粉方式相比,采用凸式装粉,试样的烧结坯密度提高了6%,孔隙分布的均匀性也得到相应的改善。

降低厢式货车空气阻力的数值仿真研究

采用拟压缩性方法数值求解二维不可压Ｎ—Ｓ方程，模拟计算了解放牌厢式货车加装空气动力学附加装置——导流罩前后的汽车外流场。计算中使用两步显式ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ差分格式、Ｊｏｈｎｓｏｎ－Ｋｉｎｇ代数湍流模型、贴体局部加密Ｈ型代数网格。车身表面压力系数的计算结果与风洞试验结果有合理的一致性；加装导流罩后车身表面的正压有显著降低，从而能起到降低空气阻力的作用。