D0I:10.13374/i.issnl00113.2009.10.017 第31卷第10期 北京科技大学学报 Vol.31 No.10 2009年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2009 超音速气雾化制备316L不锈钢粉末的表征 赵新明)徐骏2) 朱学新)张少明)朱盼星) 1)北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心，北京100088 2)北京康普锡威焊料有限公司，北京100088 摘要利用自行研制的超音速雾化技术制备了316L不锈钢粉末，采用激光粒度仪、扫描电镜、金相显微镜和X射线衍射仪 进行了表征·结果表明，316L不锈钢粉末的平均粒度约为24m,粒度分布的几何标准偏差ò为1.75：粉末内部存在三种典型 凝固组织，即具有发达二次枝晶的枝晶组织、胞晶组织以及枝状晶与胞状晶的混合组织：大粒径气雾化316L不锈钢粉末为单 一的Y奥氏体相，小粒径粉末由Y奥氏体相十少量ò铁素体相共同组成；熔滴的冷速随着粒径的减小而提高，平均冷却速率为 10~107Ks-1. 关键词不锈钢粉末：气雾化：凝固组织：金属注射成形 分类号TF123.2 Characterization of 316L stainless steel powders produced by supersonic gas atom- ization ZHAO Xin-ming.XU Jun2).ZHU Xuexin.ZHA NG Shoo-ming.ZHU Pan-xing 1)National Engineering and Technological Research Center for Non-ferrous Metals Composites,General Research Institute for Non-ferrous Metals. Beijing 10088.China 2)Beijing COMPO Solder Co.Ltd..Beijing 100088.China ABSTRACT 316L stainless steel powders were prepared by supersonic gas atomization.The characteristic of the powder particles was investigated by means of laser particle size analyzer.scanning electron microscopy (SEM),optical microscopy (OM)and X-ray diffraction(XRD)technique.The result indicates that the mass median particle diameter is about 24m and the geometric standard deviation is 1.75.Three main types of solidification microstructures were observed in the powders:well-developed dendrite,cellular and a mixture of dendrite and cellular.XRD measurements show that y-austenite phase is found in the big particle while small particle is a composite consisting of o-ferrite and y-austenite phases.The cooling rate is inversely related to the particle size,i.e..it increases with decreasing particle size.The mean coing rates of melt droplets range from107K. KEY WORDS stainless steel powders:gas atomization:solidification structure:metal injection molding 气体雾化技术可以制备一系列超细球形金属或 多研究结果证实，高的冷却速率和过冷度不仅与熔 合金粉末，其实质是一个通过雾化喷嘴产生的高速、 滴直径大小有关，还受雾化过程的工艺参数影 高压气流将金属熔体粉碎成细小的液滴，随后经过 响2] 球化、冷却和凝固成为金属粉体的过程。目前，世界 金属注射成形(metal injection molding,MIM) 范围内利用气雾化技术制备有色金属粉末已达到 是塑料注射成形和传统粉末治金结合而成的一项新 3.5×10ta1山，成为生产高性能金属粉末的主要 的近净成形技术，近年来，MIM产品销售额以 方法，金属熔滴在气雾化过程中获得了高的冷却速 20%~30%的速度增长，其中主要是M1M不锈钢 率和大的过冷度，使得金属粉末具有突出的材料性 零件销售额的增长，而316L不锈钢产值占MIM不 能，如细化微观组织、减少偏析以及提高固溶度，许 锈钢销售总额的50%以上，目前生产注射成形用不 收稿日期：2008-12-02 基金项目：科技部科研院所技术开发研究专项基金资助项目(No,NCSTE一2007一KZX-054) 作者简介：赵新明(1979-)，男，博士研究生：徐骏(1954-)，男，教授，博士生导师，E-mail:xjm@ginm~com
超音速气雾化制备316L 不锈钢粉末的表征 赵新明1） 徐 骏12） 朱学新1） 张少明1） 朱盼星1） 1） 北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心北京100088 2） 北京康普锡威焊料有限公司北京100088 摘 要 利用自行研制的超音速雾化技术制备了316L 不锈钢粉末采用激光粒度仪、扫描电镜、金相显微镜和 X 射线衍射仪 进行了表征．结果表明316L 不锈钢粉末的平均粒度约为24μm粒度分布的几何标准偏差δ为1∙75；粉末内部存在三种典型 凝固组织即具有发达二次枝晶的枝晶组织、胞晶组织以及枝状晶与胞状晶的混合组织；大粒径气雾化316L 不锈钢粉末为单 一的γ奥氏体相小粒径粉末由γ奥氏体相＋少量δ铁素体相共同组成；熔滴的冷速随着粒径的减小而提高平均冷却速率为 104～107 K·s －1． 关键词 不锈钢粉末；气雾化；凝固组织；金属注射成形 分类号 TF123∙2 Characterization of316L stainless steel powders produced by supersonic gas atomization ZHA O Xin-ming 1）XU Jun 12）ZHU Xue-xin 1）ZHA NG Shao-ming 1）ZHU Pan-xing 1） 1） National Engineering and Technological Research Center for Non-ferrous Metals CompositesGeneral Research Institute for Non-ferrous Metals Beijing100088China 2） Beijing COMPO Solder Co．Ltd．Beijing100088China ABSTRACT 316L stainless steel powders were prepared by supersonic gas atomization．T he characteristic of the powder particles was investigated by means of laser particle size analyzerscanning electron microscopy （SEM）optical microscopy （OM） and X-ray diffraction （XRD） technique．T he result indicates that the mass median particle diameter is about 24μm and the geometric standard deviationδis1∙75．T hree main types of solidification microstructures were observed in the powders：wel-l developed dendritecellular and a mixture of dendrite and cellular．XRD measurements show that γ-austenite phase is found in the big particle while small particle is a composite consisting of δ-ferrite andγ-austenite phases．T he cooling rate is inversely related to the particle sizei．e．it increases with decreasing particle size．T he mean cooling rates of melt droplets range from 104to107 K·s －1． KEY WORDS stainless steel powders；gas atomization；solidification structure；metal injection molding 收稿日期：20081202 基金项目：科技部科研院所技术开发研究专项基金资助项目（No．NCSTE－2007－JKZX－054） 作者简介：赵新明（1979－）男博士研究生；徐 骏（1954－）男教授博士生导师E-mail：xujun＠grinm．com 气体雾化技术可以制备一系列超细球形金属或 合金粉末其实质是一个通过雾化喷嘴产生的高速、 高压气流将金属熔体粉碎成细小的液滴随后经过 球化、冷却和凝固成为金属粉体的过程．目前世界 范围内利用气雾化技术制备有色金属粉末已达到 3∙5×105 t·a －1［1］成为生产高性能金属粉末的主要 方法．金属熔滴在气雾化过程中获得了高的冷却速 率和大的过冷度使得金属粉末具有突出的材料性 能如细化微观组织、减少偏析以及提高固溶度．许 多研究结果证实高的冷却速率和过冷度不仅与熔 滴直径大小有关还受雾化过程的工艺参数影 响［2－3］． 金属注射成形（metal injection moldingMIM） 是塑料注射成形和传统粉末冶金结合而成的一项新 的近净成形技术．近年来MIM 产品销售额以 20％～30％的速度增长其中主要是 MIM 不锈钢 零件销售额的增长而316L 不锈钢产值占 MIM 不 锈钢销售总额的50％以上．目前生产注射成形用不 第31卷 第10期 2009年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．10 Oct．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．10．017
第10期 赵新明等：超音速气雾化制备316L不锈钢粉末的表征 ,1271 锈钢粉末的方法主要为高压水雾化和气雾化法，气 6400型)对粉末的表面形貌进行观察，对筛分后不 雾化粉末颗粒形状为球形或近球形，注射料的流变 同粒度的粉末试样镶嵌、抛光后，采用盐酸一硝酸一 性好且能得到较大的装载量；粉末表面氧含量低，不 甘油溶液进行腐蚀，分别在光学金相显微镜下观察 仅能提高其烧结性能，而且对其力学或其他物理性 其微观组织，利用D8 Advance型X射线衍射仪对 能也有较大的影响，因此气雾化粉末非常适合于 不同粒度的粉末进行物相分析，测试参数：CuKa辐 MIM工艺要求[).此外，不锈钢粉末还可应用于激 射，电压为40kV,电流为50mA,扫描步长为 光快速成形]和电子束选区熔化]等技术，但是， 0.0330,20为10~90°. 目前气雾化细粉的产出率低、成本高.因此，为适应 2结果及讨论 MIM等技术对细粉的要求，本文利用新开发的超音 速喷嘴进行316L不锈钢粉末的制备，对所得粉末 2.1粉末粒度分布 的粒度分布、表面形貌、凝固组织及相结构进行了研 由空气动力学理论可知，要产生超音速气流，喷 究，并分析了粉末颗粒的冷却速率. 嘴内喷管的型线必须是先收缩后扩张，因此传统气 雾化喷嘴中所采用的是收缩或平直喷管，其得到的 1实验 气流最大速度仅为340ms1.通过提高雾化气体 实验中所用316L不锈钢成分（质量分数）为： 压强，或缩小喷管截面而得到超音速气流是不可行 0.02%C、17%Cr、12%Ni、2.5%Mo、Si≤1%、 的，本文所采用喷管型线为先收缩后扩张的喷嘴， Mn≤2%、余量Fe,采用自行研制的环孔型超音速 在雾化气体压强高于设计压强(2.0MPa)条件下， 紧耦合气体雾化设备，进行雾化实验，喷嘴结构如 雾化气流速度可达850ms1. 图1所示.其中，α为喷嘴气流夹角（°），3为金属导 由本超音速气雾化设备制备的316L不锈钢粉 液管的锥顶角（°），h为金属导液管的突出长度 末的区间粒度分布和累积粒度分布如图2所示.可 (mm),按照316L不锈钢的名义成分进行配制，称 以看出，粉末粒度呈近似正态分布，粒径≤74m 重后依次投入中频感应炉中熔化，熔体温度利用钨 (一200目)的粉末占所得粉末的98%，其中25m 铼热电偶进行测量，熔体过热度为200士10K,待原 以下（一500目）的粉末约占54%.以累积质量分数 料充分熔化并达到雾化温度后，再进行喷粉实验， 为50%所对应的粉末尺寸表示粉末的平均粒径 所用雾化介质为氮气，雾化压力为4.0MPa.雾化结 D0,其值大约为24m,同样，累积粒度分布中的 束后，将雾化罐和旋风分离器内粉末混合后进行表 D84(表示84%的粉末粒度小于此值)约为42m,如 征 图2中点画线所示，表征粒度分布宽度的函数为几 何标准偏差6，其中6=Ds4/D0·由以上数据可 知，所制备316L不锈钢粉末的结构标准偏差ò为 1.75.6值越小，则对应于一定D50的粉末产出率越 高.与传统气雾化技术所得粉末的6=2.0士0.3相 比，本文所制备的粉末粒度相当窄 粒度分布的另一个特点就是呈单峰分布 (图2)：而大多研究结果表明，气雾化所得粉末粒度 呈双峰或多峰结构，这与雾化过程中金属熔滴的破 碎机制有关，金属熔体自导液管内流出，经过高速 气流的初次破碎后，形成较大的熔滴，随后未破碎的 金属液流及初次破碎产生的大熔滴发生二次破碎， 图1紧耦合超音速气雾化喷嘴的结构图 成为细小熔滴，二次破碎对所得粉体的最终粒径起 Fig-I Configuration of a closed-couple supersonic atomization nozzle 着决定性的作用.有研究发现，所得<20m粉体中 (CCSN) 大多是通过雾化过程中的二次破碎产生的[门，决定 对粒径>25m的粉末用标准筛筛分，并分别 熔滴是否发生二次破碎的量纲一的参数是气体的韦 称重，粒径≤25m的粉末用激光粒度仪（欧美克， 伯数We,We=Pu2.Do1.式中，，为雾化气 JG POP(6)进行粒度分析，将两者加权叠加来确 体密度，，为气体与熔滴之间的相对速度，D为熔 定粉末的粒度分布.采用扫描电镜(JEOL JSM一 滴的直径，σ为熔滴的表面张力，因此，在韦伯数为
锈钢粉末的方法主要为高压水雾化和气雾化法．气 雾化粉末颗粒形状为球形或近球形注射料的流变 性好且能得到较大的装载量；粉末表面氧含量低不 仅能提高其烧结性能而且对其力学或其他物理性 能也有较大的影响因此气雾化粉末非常适合于 MIM 工艺要求［4］．此外不锈钢粉末还可应用于激 光快速成形［5］和电子束选区熔化［6］等技术．但是 目前气雾化细粉的产出率低、成本高．因此为适应 MIM 等技术对细粉的要求本文利用新开发的超音 速喷嘴进行316L 不锈钢粉末的制备对所得粉末 的粒度分布、表面形貌、凝固组织及相结构进行了研 究并分析了粉末颗粒的冷却速率． 1 实验 实验中所用316L 不锈钢成分（质量分数）为： 0∙02％ C、17％ Cr、12％ Ni、2∙5％ Mo、Si ≤1％、 Mn≤2％、余量 Fe．采用自行研制的环孔型超音速 紧耦合气体雾化设备进行雾化实验喷嘴结构如 图1所示．其中α为喷嘴气流夹角（°）β为金属导 液管的锥顶角（°）h 为金属导液管的突出长度 （mm）．按照316L 不锈钢的名义成分进行配制称 重后依次投入中频感应炉中熔化．熔体温度利用钨－ 铼热电偶进行测量熔体过热度为200±10K．待原 料充分熔化并达到雾化温度后再进行喷粉实验． 所用雾化介质为氮气雾化压力为4∙0MPa．雾化结 束后将雾化罐和旋风分离器内粉末混合后进行表 征． 图1 紧耦合超音速气雾化喷嘴的结构图 Fig．1 Configuration of a closed-couple supersonic atomization nozzle （CCSN） 对粒径＞25μm 的粉末用标准筛筛分并分别 称重粒径≤25μm 的粉末用激光粒度仪（欧美克 JG－POP（6））进行粒度分析将两者加权叠加来确 定粉末的粒度分布．采用扫描电镜（JEOL JSM－ 6400型）对粉末的表面形貌进行观察．对筛分后不 同粒度的粉末试样镶嵌、抛光后采用盐酸－硝酸－ 甘油溶液进行腐蚀分别在光学金相显微镜下观察 其微观组织．利用 D8Advance 型 X 射线衍射仪对 不同粒度的粉末进行物相分析测试参数：Cu Kα 辐 射电 压 为 40kV电 流 为 50mA扫 描 步 长 为 0∙03302θ为10～90°． 2 结果及讨论 2∙1 粉末粒度分布 由空气动力学理论可知要产生超音速气流喷 嘴内喷管的型线必须是先收缩后扩张．因此传统气 雾化喷嘴中所采用的是收缩或平直喷管其得到的 气流最大速度仅为340m·s －1．通过提高雾化气体 压强或缩小喷管截面而得到超音速气流是不可行 的．本文所采用喷管型线为先收缩后扩张的喷嘴 在雾化气体压强高于设计压强（2∙0MPa）条件下 雾化气流速度可达850m·s －1． 由本超音速气雾化设备制备的316L 不锈钢粉 末的区间粒度分布和累积粒度分布如图2所示．可 以看出粉末粒度呈近似正态分布粒径≤74μm （－200目）的粉末占所得粉末的98％其中25μm 以下（－500目）的粉末约占54％．以累积质量分数 为50％所对应的粉末尺寸表示粉末的平均粒径 D50其值大约为24μm．同样累积粒度分布中的 D84（表示84％的粉末粒度小于此值）约为42μm如 图2中点画线所示．表征粒度分布宽度的函数为几 何标准偏差 δ其中 δ＝ D84／D50．由以上数据可 知所制备316L 不锈钢粉末的结构标准偏差 δ为 1∙75．δ值越小则对应于一定 D50的粉末产出率越 高．与传统气雾化技术所得粉末的 δ＝2∙0±0∙3相 比本文所制备的粉末粒度相当窄． 粒度 分 布 的 另 一 个 特 点 就 是 呈 单 峰 分 布 （图2）；而大多研究结果表明气雾化所得粉末粒度 呈双峰或多峰结构这与雾化过程中金属熔滴的破 碎机制有关．金属熔体自导液管内流出经过高速 气流的初次破碎后形成较大的熔滴随后未破碎的 金属液流及初次破碎产生的大熔滴发生二次破碎 成为细小熔滴．二次破碎对所得粉体的最终粒径起 着决定性的作用．有研究发现所得＜20μm 粉体中 大多是通过雾化过程中的二次破碎产生的［7］．决定 熔滴是否发生二次破碎的量纲一的参数是气体的韦 伯数 WeWe＝ρg·v 2·Dl·σ－1．式中ρg 为雾化气 体密度v 为气体与熔滴之间的相对速度Dl 为熔 滴的直径σ为熔滴的表面张力．因此在韦伯数为 第10期 赵新明等： 超音速气雾化制备316L 不锈钢粉末的表征 ·1271·
,1272 北京科技大学学报 第31卷 定值(We≈13，即We高于13时，熔滴才会发生二 为基础。在雾化过程中，对于球形熔滴，热量的传导 次破碎)及金属熔体温度一定时，气体与熔滴之间的 主要以对流和辐射方式来实现，有研究发现，金属 相对速度。便对熔滴的二次破碎起决定性作用，当 熔滴通过对流传输的热量至少为辐射方式的10 ”值较小时，仅有D值很大的金属熔滴发生二次破 倍8]，因此熔滴的热传输主要由对流方式控制，考 碎，因此所得粉末粒度呈双峰结构分布，峰值分别为 虑到熔滴的Bot数较低(《1)，可忽略熔滴内部的 未经二次破碎的较大熔滴和二次破碎后产生的小熔 温度梯度，其冷却方式可视为牛顿冷却，则熔滴的平 滴，甚至经过二次破碎和未经二次破碎熔滴中粒径 均冷却速率由下式表示： 的部分重叠，导致出现第3个峰值：而当雾化气流保 T=6h(T-T,) Cp.1 Di (2) 持较高的速度(。较大)时，发生二次破碎的熔滴直 径范围也相应扩大：当)值足够大时，初次破碎产 式中，h为对流传热系数，Js1m2K;T1为熔 生的熔滴将全部经历二次破碎，生成细小熔滴，则所 滴温度，K;Tg为雾化气体温度，K;A为熔滴的密 得粉末粒度呈单峰分布，本文实验结果表明，当气 度，kgm3;Cp1为熔滴的比热容，Jkg1K-1D 雾化喷嘴产生高速气流时，将使熔滴进行充分的二 为熔滴的直径，m, 次破碎，具有较高的雾化效率 由式(2)可知，在工艺参数确定的情况下，熔滴 60 100 冷却过程中的平均冷速主要取决于对流传热系数 一口一区间粒度分布 50 一■一累积粒度分布 h.在牛顿冷却条件下，h的计算公式(Raz 80 Marshall方程)为： 40 60 30 A=2.0+0.6Rep,%) (3) 40 20 式中，kg为气体的传热系数，Js1m2,K1;Re 为雷诺数，Re=v·D·Pg·;Pr为普朗特数， P=Cpg··kg。为气体与熔滴之间的相对速 5.1310253845536274100 粉末粒径μm 度，ms1:0为气体密度，kgm3:为气体的黏 度系数，kgms:Cpg为熔滴的比热容，Jkg、 图2气雾化制备316L不锈钢粉末的粒度分布 K- Fig2 Particle size distribution of gas atomized 316L stainless steel 根据式(2)和式(3)，对熔滴的平均冷却速率进 powders 行计算，各参数取值为8)：T=1936.7K,Tg=298 2.2粉末冷却速率 K,A=7.94×103kgm-3,Cp1=565Jkg1.K-1, 在气雾化过程中，金属熔滴的凝固是一个高温 kg=2.59X102J91m2.k1,0=668m81, 高速过程，涉及从液态熔体到固态的转变，直接测量 0,=1.15kgm-3,n=1.77×10-5kgm-1s1, 其冷却速率是相当困难的；因此通常利用间接测量 Cpg=1.04×103Jkg1.K1.计算出的平均冷速 的方法来确定快速凝固气雾化粉末的冷却速率，常 与粉末粒度之间的关系曲线如图3中虚线所示 采用平均冷却速率(T)来表示冷凝过程中冷却速率 由经验式(1)和理论计算的结果可以看出，两种 的变化.一些研究者通过测定粉末粒径(D)与二次 方法所得结果差别不大，且具有一致的变化趋势，熔 枝晶臂间距的关系及计算的平均冷速与二次枝晶臂 滴的平均冷却速率与粒径成反比，即随着粒径的减 间距的关系，发现平均冷速与气雾化粉末粒径之间 小，熔滴的平均冷却速率随之提高，所制备316L不 存在以下关系： 锈钢粉末的平均冷却速率为104~10Ks1,较水 T=A·DR (1) 雾化所能达到的平均冷却速率小一个数量级0]. 式中，A、n是与合金成分、凝固时冷却类型有关的 粒径为25m的316L不锈钢粉末所对应的平均冷 常数，分别取3.54×107Ks-1.m和1.9393].由 却速率为9×105~20×105Ks-1,而相同粒径的水 此计算粉末平均冷却速率与粒度之间的关系曲线如 雾化粉末平均冷却速率高达20×105Ks-1.由图3 图3中实线所示， 还可以看出，通过理论计算要比由经验公式得到的 确定金属熔滴的冷却速率还可以采用理论计算 平均冷速高，这与理论计算中气体温度值选取偏低 方法，该方法是以熔滴快速凝固过程中的热流分析 及雾化气体与熔滴的速度差值的选择等因素有关
定值（ We≈13即 We 高于13时熔滴才会发生二 次破碎）及金属熔体温度一定时气体与熔滴之间的 相对速度 v 便对熔滴的二次破碎起决定性作用．当 v 值较小时仅有 Dl 值很大的金属熔滴发生二次破 碎因此所得粉末粒度呈双峰结构分布峰值分别为 未经二次破碎的较大熔滴和二次破碎后产生的小熔 滴甚至经过二次破碎和未经二次破碎熔滴中粒径 的部分重叠导致出现第3个峰值；而当雾化气流保 持较高的速度（ v 较大）时发生二次破碎的熔滴直 径范围也相应扩大；当 v 值足够大时初次破碎产 生的熔滴将全部经历二次破碎生成细小熔滴则所 得粉末粒度呈单峰分布．本文实验结果表明当气 雾化喷嘴产生高速气流时将使熔滴进行充分的二 次破碎具有较高的雾化效率． 图2 气雾化制备316L 不锈钢粉末的粒度分布 Fig．2 Particle size distribution of gas atomized316L stainless steel powders 2∙2 粉末冷却速率 在气雾化过程中金属熔滴的凝固是一个高温 高速过程涉及从液态熔体到固态的转变直接测量 其冷却速率是相当困难的；因此通常利用间接测量 的方法来确定快速凝固气雾化粉末的冷却速率常 采用平均冷却速率（ T · ）来表示冷凝过程中冷却速率 的变化．一些研究者通过测定粉末粒径（ Dl）与二次 枝晶臂间距的关系及计算的平均冷速与二次枝晶臂 间距的关系发现平均冷速与气雾化粉末粒径之间 存在以下关系： T · ＝ A·D － n l （1） 式中A、n 是与合金成分、凝固时冷却类型有关的 常数分别取3∙54×107K·s －1·μm n 和1∙939［3］．由 此计算粉末平均冷却速率与粒度之间的关系曲线如 图3中实线所示． 确定金属熔滴的冷却速率还可以采用理论计算 方法该方法是以熔滴快速凝固过程中的热流分析 为基础．在雾化过程中对于球形熔滴热量的传导 主要以对流和辐射方式来实现．有研究发现金属 熔滴通过对流传输的热量至少为辐射方式的10 倍［8］因此熔滴的热传输主要由对流方式控制．考 虑到熔滴的 Biot 数较低（≪1）可忽略熔滴内部的 温度梯度其冷却方式可视为牛顿冷却则熔滴的平 均冷却速率由下式表示： T · ＝ 6h（ Tl－ Tg） ρl Cpl Dl （2） 式中h 为对流传热系数J·s －1·m －2·K －1 ；Tl 为熔 滴温度K；Tg 为雾化气体温度K；ρl 为熔滴的密 度kg·m －3 ；Cpl为熔滴的比热容J·kg －1·K －1 ；Dl 为熔滴的直径m． 由式（2）可知在工艺参数确定的情况下熔滴 冷却过程中的平均冷速主要取决于对流传热系数 h．在 牛 顿 冷 却 条 件 下h 的 计 算 公 式 （RanzMarshall方程）为： h＝ kg Dl （2∙0＋0∙6Re 1／2Pr 1／3） （3） 式中kg 为气体的传热系数J·s －1·m －2·K －1 ；Re 为雷诺数Re＝ v·Dl·ρg·η－1 g ；Pr 为普朗特数 Pr＝Cpg·ηg·k －1 g ；v 为气体与熔滴之间的相对速 度m·s －1 ；ρg 为气体密度kg·m －3 ；ηg 为气体的黏 度系数kg·m －1·s －1 ；Cpg为熔滴的比热容J·kg －1· K －1． 根据式（2）和式（3）对熔滴的平均冷却速率进 行计算各参数取值为［8－9］：Tl＝1936∙7KTg＝298 Kρl＝7∙94×103 kg·m －3Cpl＝565J·kg －1·K －1 kg＝2∙59×10－2 J·s －1·m －2·K －1v ＝668m·s －1 ρg＝1∙15kg·m －3ηg＝1∙77×10－5 kg·m －1·s －1 Cpg＝1∙04×103 J·kg －1·K －1．计算出的平均冷速 与粉末粒度之间的关系曲线如图3中虚线所示． 由经验式（1）和理论计算的结果可以看出两种 方法所得结果差别不大且具有一致的变化趋势熔 滴的平均冷却速率与粒径成反比即随着粒径的减 小熔滴的平均冷却速率随之提高．所制备316L 不 锈钢粉末的平均冷却速率为104～107 K·s －1较水 雾化所能达到的平均冷却速率小一个数量级［10］． 粒径为25μm 的316L 不锈钢粉末所对应的平均冷 却速率为9×105～20×105 K·s －1而相同粒径的水 雾化粉末平均冷却速率高达20×106 K·s －1．由图3 还可以看出通过理论计算要比由经验公式得到的 平均冷速高这与理论计算中气体温度值选取偏低 及雾化气体与熔滴的速度差值的选择等因素有关． ·1272· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第10期 赵新明等：超音速气雾化制备316L不锈钢粉末的表征 ,1273 o 尺寸熔滴相比，其内部凝固组织类型有一定差异 由图2还可以看出，在气雾化过程中，会产生一 -于=AxD" 8 ----T=6h(Ti-Te)/p CD 系列大小不一的金属熔滴·由于熔滴体积（直径）和 6 所处位置不同，其经历的冷却过程也就不同，这就 是说，在雾化过程中，既存在已完全凝固的固相颗 粒，也有未开始凝固的金属熔滴，还有呈半固态的熔 滴.又由于重力及雾化气流的作用，直径不同的熔 ” 滴所具有的速度也不相同，？zbilent可认为，在一个 20 40 60 80 100 D/um 给定位置下，小的熔滴具有高的加速度和速度，同 时，由于雾化室内存在高速雾化气流形成的涡流，使 图3316L不锈钢粉末平均怜速与粒度之间的关系 得不同凝固状态、不同速度和不同直径的金属熔滴 Fig.3 Relationship between cooling rate and particle size of 316L 发生碰撞，从而引起熔滴之间的镶嵌、焊合及局部熔 stainless steel powders 化，而在凝固后的粉末表面形成卫星颗粒（图4） 2.3粉末形貌观察 图5所示为不同粒度316L不锈钢粉末的表面 2.3.1粉末表面形貌 凝固组织，主要由枝状晶和胞状晶组织组成，粒径 图4为气雾化316L不锈钢粉末的SEM形貌 较大的粉末(>74)表面为枝状晶组织，沿粉体表 照片，由图可以看出，所得粉末皆为球形或近球形， 面的晶核呈放射状生长（图5(a)、(b),并且具有发 部分粒径较大的粉末表面依附有小的卫星颗粒.气 达的二次枝晶甚至三次枝晶，其中二次枝晶臂间距 雾化所得粉体的形貌可分为规则的球形和不规则形 (SDAS)约为1.5m;粒径为53~62m的粉末表面 状，这与金属熔体经过破碎后熔滴球化时间？和 仍以枝状晶为主，但二次枝晶变短，很少出现三次枝 凝固时间τ的相对大小有关[叮.如果金属液滴的 晶，局部有胞状晶组织出现（图5(c)):粒径更小的 球化时间比凝固时间短时，则凝固后形成的粉末颗 粉末(<25m)表面呈胞状晶组织（约为0.5m), 粒形状较为规则，表面比较光滑：如果球化时间长， 几乎没有枝状晶存在（图5(d).从中可以看出，随 则凝固后则形成不规则形状的粉末颗粒， 着粉末粒径的减小，表面组织由枝状晶组织为主逐 Nichiporenko等山通过雾化金属铜、铝和铅的实验 渐过渡为以细小的胞状晶组织为主， 发现，熔滴的球化时间t较凝固时间to小6.5~ 2.3.2粉末内部组织 8.0个数量级，因此无论液态金属的表面张力是多 气雾化粉末颗粒的内部组织既反映了合金的最 少，假如没有阻碍液滴球化转变的因素（如熔滴表面 终凝固形态，也反映了凝固过程中合金的形核和长 形成氧化膜)存在，液滴都会为球形.此外，还可以 大状况2].316L不锈钢粉末的内部组织如图6所 看出粉末粒径越小，其球形度越高，表面粗糙度越 示，主要存在三种凝固组织，即枝状晶与胞状晶的混 小.Zhou等12]认为造成细小粉末颗粒表面光滑的 合组织（见图6(a))、胞晶组织（图6(b)和具有发达 主要原因是：体积小的金属熔滴具有较高的减小表 二次枝晶的枝晶组织（图6(c)、(d))·由图还可以看 面能的驱动力；凝固收缩时产生的体积变化小；与大 出，粒径较小的粉末内部组织多为发达的枝状晶，而 大粒径粉末为枝状晶与胞状晶的混合组织：这主要 是由不同粒径的熔滴凝固过程中所获得的不同冷却 速率造成的，Smugeresky等13]在对Fe基超合金粉 末进行了系统研究后指出，粉末内部组织不仅与冷 却速率有关，还受液相内的温度梯度G和固/液界 面推进速度（凝固速度）R影响，伴随着冷却速率的 增加，G/R值逐渐减小，晶面形貌由平面晶向胞状 晶转变，或者由胞状晶向枝状晶转变，在气雾化过 程中，随着熔滴直径的减小，冷却速率逐渐增加，同 图4316L不锈钢原粉SEM形貌照片 时G/值逐步降低，因此，粒径小的粉末多为发达 Fig-4 SEM image of raw 316L stainless steel powders 的枝晶组织（图6(d)又由于雾化室内涡流的出
图3 316L 不锈钢粉末平均冷速与粒度之间的关系 Fig．3 Relationship between cooling rate and particle size of 316L stainless steel powders 2∙3 粉末形貌观察 2∙3∙1 粉末表面形貌 图4 316L 不锈钢原粉 SEM 形貌照片 Fig．4 SEM image of raw 316L stainless steel powders 图4为气雾化316L 不锈钢粉末的 SEM 形貌 照片．由图可以看出所得粉末皆为球形或近球形 部分粒径较大的粉末表面依附有小的卫星颗粒．气 雾化所得粉体的形貌可分为规则的球形和不规则形 状这与金属熔体经过破碎后熔滴球化时间 τsph和 凝固时间 τsol的相对大小有关［11］．如果金属液滴的 球化时间比凝固时间短时则凝固后形成的粉末颗 粒形状较为规则表面比较光滑；如果球化时间长 则凝 固 后 则 形 成 不 规 则 形 状 的 粉 末 颗 粒． Nichiporenko 等［11］通过雾化金属铜、铝和铅的实验 发现熔滴的球化时间 τsph较凝固时间 τsol小6∙5～ 8∙0个数量级．因此无论液态金属的表面张力是多 少假如没有阻碍液滴球化转变的因素（如熔滴表面 形成氧化膜）存在液滴都会为球形．此外还可以 看出粉末粒径越小其球形度越高表面粗糙度越 小．Zhou 等［12］认为造成细小粉末颗粒表面光滑的 主要原因是：体积小的金属熔滴具有较高的减小表 面能的驱动力；凝固收缩时产生的体积变化小；与大 尺寸熔滴相比其内部凝固组织类型有一定差异． 由图2还可以看出在气雾化过程中会产生一 系列大小不一的金属熔滴．由于熔滴体积（直径）和 所处位置不同其经历的冷却过程也就不同．这就 是说在雾化过程中既存在已完全凝固的固相颗 粒也有未开始凝固的金属熔滴还有呈半固态的熔 滴．又由于重力及雾化气流的作用直径不同的熔 滴所具有的速度也不相同．? zbilen ［7］认为在一个 给定位置下小的熔滴具有高的加速度和速度．同 时由于雾化室内存在高速雾化气流形成的涡流使 得不同凝固状态、不同速度和不同直径的金属熔滴 发生碰撞从而引起熔滴之间的镶嵌、焊合及局部熔 化而在凝固后的粉末表面形成卫星颗粒（图4）． 图5所示为不同粒度316L 不锈钢粉末的表面 凝固组织主要由枝状晶和胞状晶组织组成．粒径 较大的粉末（＞74μm）表面为枝状晶组织沿粉体表 面的晶核呈放射状生长（图5（a）、（b））并且具有发 达的二次枝晶甚至三次枝晶其中二次枝晶臂间距 （SDAS）约为1∙5μm；粒径为53～62μm 的粉末表面 仍以枝状晶为主但二次枝晶变短很少出现三次枝 晶局部有胞状晶组织出现（图5（c））；粒径更小的 粉末（＜25μm）表面呈胞状晶组织（约为0∙5μm） 几乎没有枝状晶存在（图5（d））．从中可以看出随 着粉末粒径的减小表面组织由枝状晶组织为主逐 渐过渡为以细小的胞状晶组织为主． 2∙3∙2 粉末内部组织 气雾化粉末颗粒的内部组织既反映了合金的最 终凝固形态也反映了凝固过程中合金的形核和长 大状况［2－3］．316L 不锈钢粉末的内部组织如图6所 示主要存在三种凝固组织即枝状晶与胞状晶的混 合组织（见图6（a））、胞晶组织（图6（b））和具有发达 二次枝晶的枝晶组织（图6（c）、（d））．由图还可以看 出粒径较小的粉末内部组织多为发达的枝状晶而 大粒径粉末为枝状晶与胞状晶的混合组织；这主要 是由不同粒径的熔滴凝固过程中所获得的不同冷却 速率造成的．Smugeresky 等［13］在对 Fe 基超合金粉 末进行了系统研究后指出粉末内部组织不仅与冷 却速率有关还受液相内的温度梯度 G 和固／液界 面推进速度（凝固速度） R 影响．伴随着冷却速率的 增加G／R 值逐渐减小晶面形貌由平面晶向胞状 晶转变或者由胞状晶向枝状晶转变．在气雾化过 程中随着熔滴直径的减小冷却速率逐渐增加同 时 G／R 值逐步降低．因此粒径小的粉末多为发达 的枝晶组织（图6（d））．又由于雾化室内涡流的出 第10期 赵新明等： 超音速气雾化制备316L 不锈钢粉末的表征 ·1273·
.1274 北京科技大学学报 第31卷 (a) (b) (c) ×1000●1m 图5不同粒度316L不锈钢粉末表面凝固组织.(a)>74m:(b)图(a)的局部放大；(c)53~62m:(d)<25Hm Fig-5 Surface morphologies of 316L stainless steel powders with different sizes:(a)>74/m:(b)local magnification of Fig.5(a):(e)53 62hm:(d)<25hm (a) (b) 10m 20um (c) 10m 10um 图6316L不锈钢粉末的内部组织，(a)枝状晶与胞状晶的混合组织；(b)包晶组织：（©）多晶核的枝状晶组织；()单晶核的枝状晶组织 Fig.6 Internal microstructures of 316L stainless steel powders:(a)mixture of dendritic and cellular structures:(b)cellular structure:(e)den- dritic structure with multiple nucleation:(d)dendritic structure with single nucleation
图5 不同粒度316L 不锈钢粉末表面凝固组织．（a） ＞74μm；（b） 图（a）的局部放大；（c）53～62μm；（d） ＜25μm Fig．5 Surface morphologies of 316L stainless steel powders with different sizes：（a） ＞74μm；（b） local magnification of Fig．5（a）；（c） 53～ 62μm；（d） ＜25μm 图6 316L 不锈钢粉末的内部组织．（a） 枝状晶与胞状晶的混合组织；（b） 包晶组织；（c） 多晶核的枝状晶组织；（d） 单晶核的枝状晶组织 Fig．6 Internal microstructures of 316L stainless steel powders：（a） mixture of dendritic and cellular structures；（b） cellular structure；（c） dendritic structure with multiple nucleation；（d） dendritic structure with single nucleation ·1274· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷