火焰热喷涂方法制备金属粉末的研究
冯拉俊，梁天权，惠 博
中国粉体技术
摘 要：为了研究热喷涂方法制备金属粉末的可能性，用氧乙炔热喷涂方法将 Al、Zn 和 1Cr18Ni9Ti等线材制成金属粉末，采用光透射法测试粉末的粒度及其分布，用 SEM 观察粉末颗粒的形貌，分析了粉末粒径与喷涂工艺参数的关系。实验结果表明用热喷涂方法制备金属粉末是可行的，制备的粉末最大颗粒直径不超过 80µm ，分布范围窄；送丝速度的降低有利于制备较细的金属粉末。
关键词：火焰热喷涂；金属粉末；制备；粒径；热喷涂http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/
金属粉末在国民经济各领导中有着广泛而重要的应用[1]，涉及到了材料、化工、医药、食品、航空航天，它成为制造高性能材料和制品以及特殊性能材料的重要手段，并且越来越起着重要的作用。金属粉末的制备方法是多种多样的，主要有冶金法、机械法、还原法、雾化法以及电解法等。这些方法在实际生产过程中一般都存在着制备设备复杂、成本高、环境污染等问题。本文中研究了利用氧乙炔热喷涂方法来制备金属粉末（flam e therm alspray,FTS)使用的生产设备简单、生产场地小、操作简单、成本低廉，所制备的粉末平均粒度较小、分布范围较窄。该项研究为金属粉末的制备找到了一个新的方法，同时也拓宽了热喷涂技术的应用范围。
1 试验材料和设备
1.1 试验原料
实验原料为工业生产的纯 Al丝（φ3 m m )、Zn 丝（φ3 m m）和 1Cr18Ni9Ti丝（φ2 m m），以及 O2、C2H2，冷却剂为蒸馏水。
1.2 试验设备与仪器
QX-1 型线材火焰喷枪（中速和高速），V FY-3/10 型空气压缩机（额定排气压力 1.0 M Pa)，D G B20003 台式干燥箱（功率 0.6 kW , 最高温度 200℃，W ID-C301 粉末粒度分布测试仪，AM RAY1000B 型SEM（功率 30 kV)；比重瓶。
1.3 试验参数
参照火焰热喷涂工艺参数，优化得到本次研究的制粉工艺参数，见表 1。
2 FTS 法制备金属粉末的基本原理热喷涂技术是利用各种热源将欲喷涂的固体涂层材料加热至熔化或熔融状态，借助于高速高压气流的雾化效果使其形成微细液滴，喷射沉积到经过预处理的工件表面形成堆积结构涂层的技术[3]。
从喷涂材料进入热源到形成涂层在很短的时间内经历了材料被加热熔化、熔化的材料在高速高压的气流下雾化成为微细液滴、微细的液滴颗粒的喷射飞行、粒子在基体表面的碰撞、变形、凝固及堆积等几个阶段。从上述的热喷涂涂层形成过程中，有金属被雾化阶段，利用这一原理，将被加热至熔化或熔融状态的材料经过雾化后喷射到粉末收集器中，同时设有冷却装置，使被雾化形成的微细液滴颗粒迅速凝固形成粉末，以达到制备粉末的目的。
线材火焰喷涂（wire flam e spray,W FS）原理如图1 所示。在喷枪中以氧 - 燃气（乙炔）的混合燃烧火焰为热源，枪内送丝驱动机构均匀、连续送入火焰的线材或棒材加热熔化后被喷枪前端的雾化气流（压缩空气）雾化成微细的熔滴并形成射流。此时，将微细熔滴的射流喷射到设有冷却装置的粉末收集器中，冷却后形成粉末颗粒。
该工艺设备投资少、操作简便、易于控制和应用，因此热喷涂方法制备金属粉末的方案是可行的。
3 结果与讨论
3.1 粉末粒度及其分布
用 W ID-C301 粉末粒度分布测试仪测得喷涂方法制得的粉末 Al、Zn 和 1Cr18Ni9Ti粉末粒度分布和中值直径见表 2，粒度分布曲线如图 2 所示。由表 2 可知，粉末的粒度小且分布范围比较窄，即粉末颗粒比较均匀，因此其平均直径即中值直径均较小。其中，Al粉的分布范围较 Zn 和 1Cr18Ni9Ti粉的稍大，Zn 和 1Cr18Ni9Ti粉的分布相近；Al粉的平均直径是 38.37µm，Zn 和 1Cr18Ni9Ti粉的分别为29.87µm和 22.88µm。
由图 2 可直观地看到，3 种金属粉末的粒度分布 情 况 ：Zn 和 1Cr18Ni9Ti 粉分布 较集中，在10~30μm 间就占了大部分，Al粉的分布则分两大集中区即10~30μm 占 43.62% 和 70~80μm 占26.31% 。总体粉末的最大粒度不超过 80μm 。
由 Lubanska公式可以看出，在雾化过程中，液态金属流和雾化气体的速度相差越大，则雾化分散液滴的平均直径越小。从能量转化的角度分析[5，6]，认为雾化过程中的雾化气体的动能转化为液态金属的表面能、动能以及其他形式的能量的过程。雾化气体的速度愈大，可供转化反液态金属的表面能量就愈大。但雾化气体的速度也存在一个临界值，若气流流速超过这一临界值，金属液滴表面张力就会增大，造成雾化消耗的能量增大。另一方面，气流流速过大，喷枪走丝速度增大，金属材料在喷嘴处来不及熔化，使得金属材料不能被雾化。其次，气流流速过大，可能将火焰吹灭，使喷枪不能正常工作。
喷涂雾化中能够提高雾化效率的主要因素有火焰中心的最高温度、雾化气体的压力和速度。火焰喷枪在氧气和乙炔最佳配比的条件下，焰心温度都在2 500℃以上，对于大部分的金属材料已是很大的过热，使得送入喷枪中的金属丝在极短的时间内被加热至熔融状态。与此同时，金属液滴在 100~200 m /s[3]的高压高速气流下充分雾化。经计算，从线材金属丝进入喷枪被加热、雾化并冷却成为粉末的整个过程的时间约为 20 m s,而温度从 2 500℃即降到 60℃左右，粉末的冷却速度高于 104K/s。
3.2 粉末颗粒的形状
热喷涂方法制得的粉末的 SEM 图如图 3（a，b，c）所示。从图中可见，Al粉的颗粒形状多为丝状（见图 3-a);1Cr18Ni9Ti粉末的颗粒则近似于椭球形（见图 3—b);Zn 粉末则介于它们之间。同时还可以看到1Cr18Ni9Ti粉末颗粒大小比较均匀，而 Al粉的相差较大。
3.3 粉末的视密度
火焰热喷涂法制得的 Al、1Cr18Ni9Ti和 Zn 粉末的视密度的测量结果为 1.51、4.26、4.23 g/cm3（如表 3）。视密度与真实密度呈现出一定的比例关系，基本是真密度的 1/2。视密度不仅与粉末的颗粒形状、表面状态有关外，还与粉末原材料的密度有关。粉末的视密度与粉末颗粒的大小有一定的对应关系即视密度越小，粉末颗粒越小。
3.4 粉末粒径与喷涂工艺参数的关系
从表 2 可知，Al材料制备的粉末粒径较粗，1Cr18Ni9Ti材料制备的粉末粒径则较细，而 Zn 材料制备的粉末粒径在二者之间。这主要是由于 Al、Zn和 1Cr18Ni9Ti材料的熔点不同所至的。Zn 材料的熔点最低 ，1Cr18Ni9Ti 的 最高因此喷涂时将1Cr18Ni9Ti丝的走丝速度降至 Zn 的一半并且1Cr18Ni9Ti丝的直径选择为 φ2m m ，而 Zn 材料的直径选为 φ3 m m ，这使得在同样的热量条件下，要熔化的不锈钢材料的量降低，使不锈钢材料熔化的重量降至 Zn 材料的 67% ，熔化体积降至 Zn 材料的22% ，这足以保证了 1Cr18Ni9Ti材料充分熔化和雾化。结果发现 1Cr18Ni9Ti材料制备的粉末比 Zn 材料制备的还细。
而 Al的熔点比 Zn 的高，喷涂时采用与 Zn 材料相同的进丝速度，与 Zn 材料相比，Al材料不能被充分熔化，因为雾化效果也不好。从 SEM 照片比较可见，1Cr18Ni9Ti粉末颗粒为球状，Al粉末为丝状（未充分熔化和雾化就被高速气流剪切下来所至），Zn 粉末介于二者之间。在研究过程中若将 Zn 和 Al的送丝速度降至与不锈钢的送丝速度相同，发现可制备出比不锈钢材料更细的粉末。但由于 Al、Zn 材料在喷枪喷嘴处受热膨胀较大，使得走丝不畅，容易堵塞喷嘴，断丝严重。因此将 Zn 材料的送丝速度降至低于 6 m /s是不现实的。而对于 Al材料，走丝速度降至 4.5~5 m /s是可行的，可制备出与 Zn 材料同样粗细的粉末。若将 1Cr18Ni9Ti材料的送丝速度选择与 Zn 同样的送丝速度 6 m /s，发现不能制取粉末，不锈钢丝只能被烧红而不能被雾化制取粉末。因此在喷枪温度一定的条件下，走丝速度直接影响着制备粉末粒径的大小。
4 结 论
（1）研究认为,利用热喷涂方法制备金属粉末是可行的。制备金属粉末最佳的工艺参数为：氧气压力为 0.5 M Pa,乙炔压力为 0.1 M Pa,压缩空气压力为 0.6M Pa。
（2）制备的金属粉末最大粒径约为 80μm。Al、Zn和 1Cr18Ni9Ti粉末的平均粒径均分别为 38.37μm 、29.87μm 和 22.78μm ；Al粉末颗粒的形状为丝状，1Cr18Ni9Ti的为球状，Zn 介于二者之间。
（3）送丝速度的降低有利于制备较细的金属粉末。在粉末制备中，喷枪中的气体燃烧温度、雾化气体的流量和压力以及送丝速度是主要的控制因素。
图略
参考文献略
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