» » Газовое распыление расплава
15.01.2016

Различные виды распыления расплавленного металла с использованием газового потока (энергоносителя) и распыления растворенным газом широко применяют для многотоннажного получения металлических порошков.
Процесс распыления расплава существенным образом зависит от вязкости, поверхностного натяжения и плотности расплава. Вязкость характеризует сопротивление расплава сдвигу и связана с наличием у него свободного объема, дополнительного по отношению к объему твердого тела; она зависит от прочности межатомной связи, плотности упаковки атомов. Поверхностное натяжение расплава характеризует работу образования поверхности раздела фаз и существенно влияет на процессы, сопровождающие диспергирование. Плотность расплава зависит от температуры расплава и уменьшается с ее повышением из-за увеличения объема,
На структуру, физические свойства и форму частиц, получаемых распылением расплава, большое влияние оказывает перегрей расплава выше температуры ликвидуса. При высокоскоростном затвердевании капель расплава наблюдается переохлаждение, объясняющееся с достаточно высокой энергией активации зарождения центров кристаллизации. Степень переохлаждения определяется разностью температур ликвидуса и начала кристаллизации капли расплава. Чем выше температура перегрева расплава, больше скорость охлаждения и меньше капля, тем большее переохлаждение достигается. Благодаря сильному переохлаждению расплава в процессе распыления можно получать сплавы, аномально пересыщенные по одному или многим элементам, а также аморфные материалы.
При распылении расплава энергоносителем возможно изменение состава расплава из-за взаимодействия с распыляющей средой при плавлении и охлаждении воздухом, азотом, водой и др.
Взаимодействие расплава с газами состоит из первоначальной стадии физической адсорбции на поверхности расплава; хемосорбции газа при химическом взаимодействии с образованием на поверхности расплава оксидов, нитридов и пр.; диффузии атомов газа в объем расплава с образованием химического соединения.
Обычно наиболее важны процессы взаимодействия расплава с кислородом, азотом и водородом. При взаимодействии расплава с кислородом образуются первичные оксидные пленки. Тугоплавкие оксидные пленки существенно влияют на процесс формообразования частиц при затвердевании, поскольку подавляют действие сил поверхностного натяжения, определяющих процесс сфероидизации капли. Это приводит к формированию быстрозакаленных порошков осколочной формы с рельефной, развитой поверхностью.
Интенсивность взаимодействия кислорода с расплавом зависит от его химического состава, размера капель расплава, типа энергоносителя. Поэтому при распылении расплавов, легированных титаном, алюминием, хромом, ванадием и другими элементами, образующими прочные оксиды, в качестве энергоносителей используют инертные газы.
Водород в зоне распыления может выделяться в результате диссоциации паров воды. Тi, Zr интенсивно взаимодействуют с водородом, образуя гидриды. В некоторых металлах водород находится в адсорбированном виде на поверхности расплавленных капель. При снижении температуры выделение водорода сопровождается формированием пористости распыленных порошков.
Азот хорошо растворяется в железе, титане, цирконии и других металлах, образует нитриды, что приводит к повышению твердости и снижению пластичности порошков, поэтому азот является нежелательной примесью.
Механизм распада струн расплава при внешнем воздействии на нее определяется неустойчивостью движения струи, неоднородностью трения на границе жидкость — окружающая среда. Вытекающая струя цилиндрической или плоской формы на выходе из отверстия под влиянием малых возмущений несколько деформируется. Силы поверхностного натяжения стремятся вернуть струсравновесную форму и участвуют в создании колебательного движения струи (возникает повторяющийся цикл деформации струи) и образовании волн. Нарастание амплитуды волн приводит к разделению струи на пряди и дроблению их на капли.
Интенсивное внешнее воздействие энергоносителя на струю существенно влияет на процесс ее разрушения и повышает дисперсность капель. Эффективность внешнего воздействия повышается при истечении расплава в форме тонкой струи или пленки, которые обладают наибольшей поверхностной энергией и, соответственно, максимальной неустойчивостью.
Диспергирование металлического расплава осуществляется при поддержании его высокой температуры (с необходимым перегревом) и сохранении в допустимых пределах его основных физикохимических параметров. Это существенно усложняет технологию, так как указанные выше параметры расплава значительно изменяются в ходе диспергирования.
Рассмотренный механизм диспергирования расплава подтверждается экспериментально скоростной киносъемкой. По высоте струи можно выделить три зоны: первая (вблизи среза сопла) — нераспавшийся (сплошной) металлический столбик расплава длиной от 1—2 до 8—10 мм; вторая — на протяжении 10—20 мм разрушение струи на отдельные пряди и дробление их на капли; третья — деформация капель и их диспергирование на капли меньшего размера. Скорость движения капель изменяется от нескольких метров в секунду на расстоянии 30—70 мм до 30—40 м/с на расстоянии 250—350 мм от среза сопла форсунки,
Разрушение плоских струй газом-энергоносителем происходит вследствие потери ими устойчивости, которая тем больше, чем больше отношение ширины струи к ее толщине. Наиболее выгодно диспергировать струю, у которой это отношение находится в пределах от 2 до 10. Решающее влияние на распад плоских струй оказывает амплитуда возникающих колебаний.
Энергия потока газа или жидкости-энергоносителя при диспергировании расходуется на преодоление полной энергии струи расплава и образование поверхности разрыва, основная работа при распылении металлических расплавов затрачивается ка преодоление сил поверхностного натяжения.
Существует физический предел диспергирования металлических жидкостей, в связи с чем повышение скорости и температуры газа или температуры расплава сверх критических значений не приведет к получению более дисперсных порошков; перегрев расплава и температура газа-энергоносителя влияют на фракционный состав порошка.
Процесс распыления и его параметры эффективно воздействуют на форму частиц порошка. В первый момент образования любые капли (крупные первичные, средние и мелкие вторичные) жидкого металла имеют неправильную форму и под действием сил поверхностного натяжения стремятся к минимизации поверхности, т.е. стремятся принять сферическую форму. Однако это стремление капли к сфероидизации может не реализоваться, если она быстро затвердеет (закристаллизуется). Поэтому, если время сфероидизации капли меньше времени ее затвердевания, то она успеет принять форму шара, если же наоборот, то образуются твердые частицы неправильной формы.
Время затвердевания жидкой капли диаметром d складывается из времени ее охлаждения до температуры затвердевания и времени выделения скрытой теплоты кристаллизации.
На форму частиц порошка большое влияние оказывают скорость, удельный расход и угол атаки струи энергоносителя, физические свойства расплава и другие факторы.
Обычное газовое распыление. Методы распыления металлического расплава потоком энергоносителя широко применяют для получения металлических порошков. Возможны три схемы диспергирования струи расплава газом-энергоносителем: поток газа обтекает ее соосно, направлен к ее оси под некоторым углом либо под прямым углом. Наиболее распространено распыление под углом от 30 до 90°. Схему с вертикальным расположением форсуночного устройства обычно используют при диспергировании свободно истекающей струи металлов и сплавов. Она достаточно универсальна, обеспечивает высокую производительность процесса, позволяет применять различные энергоносители (воздух, азот, аргон, гелий, углекислый газ и др.).
Распыление струи расплава в результате воздействия на нес газового потока (экзогенное газовое распыление) происходит поя действием аэродинамических сил, определяемых скоростью газового потока, превышающей некоторое критическое значение, которое зависит от природы расплава, вязкости, поверхностного натяжения, плотности и др. Механизм распыления струи расплава за счет кинетической энергии газа — распыляющей среды — заключается в последовательном диспергировании расплава на мелкие капли.
В процессе распыления струи расплава формируется зона распыления, представляющая собой смесь газа и дисперсных капель расплава, скорость которых резко увеличивается за счет кинетической энергии газа. Взвешенные в газовом потоке дисперсные капли расплава на выходе из зоны распыления интенсивно охлаждаются со скоростями 10в3—10в4 К/с в зоне быстрой закалки преимущественно за счет конвективных потоков в газовой среде, частично за счет излучения.
Для подвода газа применяют одно- и многосопловые устройства с линейным, круговым или комбинированным каналами; используются дозвуковые и сверхзвуковые газовые струи.
Методы распыления высокоскоростным потоком газа применяются для получения порошков сплавов на основе железа, титана, меди. Инертный газ аргон используется при распылении никелевых и титановых жаропрочных сплавов, а также других сильно окисляющихся металлов.
Схема метода приведена на рис. 7.1. Параметры: давление и скорость газового потока 14 10в5—45*10в5 Па, 50—150 м/с соответственно; скорость охлаждения 10в2 К/с. Кристаллизация капель расплава происходит в основном в виде сферических гранул, однако возможно образование и частиц неправильной глобулярной формы. Размер гранул уменьшается с увеличением скорости газа (рис. 7.2).
На рис. 7.3 представлено распределение гранул по размерам и выделен соответствующий интервал скоростей охлаждения при промышленном распылении аргоном жаропрочного никелевого сплава IN 100.
Газовое распыление расплава

Одним из недостатков метода газового распыления является наличие газовых пор в отдельных гранулах, образующихся в результате захлопывания газовых пузырьков в процессе распыления струи расплава.
Применение для распыления воды (давление (35—210)*10в5 Па, скорость 40—150 м/с) позволяет получить более высокие скорости охлаждения 10в3—10в4 К/с. Более высокая плотность воды по сравнению с газами, применяемыми для распыления, приводит к увеличению кинетической энергии потока воды. При контакте воды с расплавом происходит интенсивное образование паровой оболочки, которая резко снижает скорость охлаждения капель расплава из-за ухудшения теплопередачи через пар по сравнению с теплопередачей в контакте с водой. Взаимодействие расплава с кислородом, образование тугоплавких оксидных пленок влияет на процесс формообразования частиц быстрозакаленных сплавов. Действие сил поверхностного натяжения, определяющих сферическую форму частиц, подавляется, и формируются частицы неправильной (осколочной) формы с рельефной поверхностью.
Возможные схемы распыления струи расплава водой аналогичны схемам распыления газом. Отличие заключается в возможности изменять в более широких пределах взаимное расположение струи расплава и воды. Это связано с сохранением высокой скорости энергоносителя — воды на существенно большем расстоянии от среза сопла, чем при использовании газового потока.
Распыление расплава водой применяется при получении порошков низко- и высоколегированных сталей, включая нержавеющие. Следует отметить, что в тех случаях, когда к порошкам быстрозакаленных сплавов предъявляются повышенные требования по содержанию кислорода, в качестве распыляющего потока используют азот или инертный газ (аргон, гелий).
Распыление растворенным газом. Метод распыления растворенным газом (эндогенное газовое распыление) основан на предварительном насыщении расплава газом, например водородом под давлением -0,7 МПа, при котором запасается значительная энергия -420 Дж/моль, и при последующем вакуумировании происходит интенсивное кипение расплава с выделением растворенного газа и образованием дисперсных микрослитков (рис. 7.4). Количество энергии, высвобождающееся при выделении водорода в молекулярном виде, превышает энергию, необходимую для распыления расплава на микрослитки диаметром 25 мкм. Часть энергии расходуется на перегрев расплава, снижение поверхностного натяжения, облегчение процесса распыления. Охлаждение микрокапель расплава путем излучения требует длины пролета - 50 м. Возможность уменьшения до 20 м по высоте и 4 м в диаметре размеров колонны промышленной установки для распыления - 1000 кг жаропрочного сплава за цикл обусловлена эффектом конвективного и адиабатического охлаждения при выделении газа.
Газовое распыление расплава