金屬粉末作為粉末冶金、注射成型、增材制造等先進制造的關鍵原料，隨著制造技術的快速發展，高質量金屬粉末的生產制造及其供應需求日益增加。金屬粉末的制備方法較多，根據制備原理，主要可分為機械法和物理化學法兩類。機械法主要包括機械研磨法、冷氣體粉碎法等，物理化學法包括霧化法、還原法、沉積法、電解法。

其中機械法工藝簡單、產量大，但是雜質含量高、能效利用率低且易產生團聚、偏聚現象。化學法可以制備直徑均勻的細球形和低氧含量金屬粉末，但不能應用于具有任意化學成分的合金粉末。與其他制粉方法相比，霧化法生產效率高，普適性好，可實現大規模、低成本的生產，可生產具有2種元素及以上的合金粉末，是制備金屬粉末的主流生產方法之一。目前，采用霧化制粉技術生產的金屬粉末約占世界金屬粉末總產量的80%以上。

幾種制備金屬粉末的霧化法技術

主流制備金屬粉末的霧化制粉技術主要有水霧化、氣霧化、等離子旋轉電極霧化和組合霧化等幾種。

1.水霧化

水霧化是通過高壓水流沖擊金屬熔體，將金屬熔體打碎成熔滴，直接冷卻成為金屬粉末。在霧化過程中采用水作為霧化介質，冷卻凝固所用的時間較短，金屬熔滴在未充分球化的情況下，即開始冷卻并凝固成不規則的金屬粉末，因此，水霧化是一種高效生產金屬粉末的方法。

水霧法制備金屬粉末技術原理

水霧化冷卻速率高，霧化介質成本較低，易獲取，在工業生產中達到所需流速能耗較低，是成本最低的霧化制粉技術。其制備的粉末粒徑細小均勻、成分無明顯偏析而且具有良好的壓制成型性能，生產效率可達到氣霧化生產效率的數倍。采用水霧化制備的FeSiCr軟磁材料具有出色的磁性能，因此制備有關磁性能材料所用金屬粉末可以選用水霧化制備技術。

但是，水霧化粉末呈不規則的角狀結構，表面粗糙，流動性差，含有大量孔隙，且氧含量高，限制了其大規模應用。

水霧化不銹鋼粉

影響水霧化粉末特性的重要因素主要有：熔體溫度、霧化水壓力、霧化水流量。

水霧化制粉設備

2.氣霧化

氣霧化是通過高速氣流沖擊金屬熔體，將氣體動能轉化為金屬熔滴的表面能，熔滴隨后快速冷卻最終形成球形粉末。與傳統的機械粉碎工藝相比，氣霧化法具有簡單、經濟的特點。

氣霧化制粉原理

相對于水霧化工藝，氣霧化粉末具有較好的球形度、較平滑的表面以及較低的氧含量。氣霧化制備的金屬粉末具有粒徑細小、球形度高、氧含量低、成分均勻、固溶度高和環境污染小等優點。采用氣霧化技術制備的粉末占全球粉體產量的比例約為30%-50%。

氣霧化制粉形貌

影響氣霧化粉末特性的重要因素主要有：霧化介質、霧化壓力、過熱度。

氣霧化制粉設備

3.等離子旋轉電極霧化法

等離子旋轉電極霧化法(PREP)是一種離心霧化法，主要將母合金加工成棒料，作為自耗電極，在惰性氣體環境下，以等離子弧作為熱源加熱旋轉的金屬棒料，端面逐漸熔化形成金屬熔體，在離心力的作用下，熔融的金屬被破碎成熔滴，然后以極快的速度飛出，并在表面張力作用下冷卻凝固成球形粉末。

等離子旋轉電極霧化技術原理

PREP是真正能完全有效地避免氧化物夾雜污染的措施之一。PREP制備的粉末和其他方法相比，具有粉末球形度高、流動性好、雜質元素低、空心粉和衛星粉產量少的優點，適用于粉末冶金和金屬增材制造。

PREP制備粉末形貌

但是，由于小于50 um粒徑的細粉收粉率較低，導致生產成本較高，制約了其在粉末冶金及金屬增材等方面的推廣與應用。當前PREP粉末制備環境較為惡劣，生產智能化水平較低，許多環節都需要工人人工介入，操作人員的技術水平對粉末質量也有著很大的影響。

幾種球形粉末制備技術對比

目前，PREP可用于鎳基高溫合金、鈦合金、不銹鋼、鋁合金等多種金屬粉末的制備，廣泛應用于航空航天、生物醫療等領域。

影響PREP粉末特性的重要因素主要有：電極棒旋轉速度、電流強度和進給速率。

等離子旋轉電極霧化設備

4.新型霧化技術——組合霧化法

組合霧化是一種新的霧化技術，它是將兩種或兩種以上的霧化方法結合起來，以提高熔融金屬的霧化效率。目前市場上常見的組合霧化法有：離心霧化與氣體霧化組合和水氣聯合霧化兩種。

例如，水氣聯合霧化結合了氣霧化和水霧化的優勢，是近幾年興起的一種新型組合霧化法，能一定程度上降低粉末粒徑并改善粉末顆粒形貌，同時大大降低生產成本。其霧化機理是熔液在經保溫中間包流下的過程中，超高壓水及低壓氣體兩種霧化介質由噴嘴射出，將熔液強力破碎成大量細小液滴，并快速冷卻成金屬粉末。水氣聯合霧化的冷卻速率普遍高于氣體霧化。采用水氣聯合霧化工藝制備的粉末具有粒徑分布好、振實密度高、粉末組織均勻的特點，相比于氣霧化粉末，細粉得率和組織均勻性得到了極大的提高。

水氣聯合霧化技術原理

這種組合霧化工藝不僅有助于解決眾所周知的霧化類型的各種缺點，而且有助于提高金屬粉末的質量和霧化效率，產生分布均勻的極細球形粉末，其平均粒徑可減小到10 um或更小。目前，組合霧化仍處于初步發展階段，并有望成為滿足先進粉末冶金技術需求的新型粉末制備技術。

不同霧化方法制備粉末特性對比

總結

通過不同霧化技術的對比可以看出，組合霧化法是未來發展的重要方向，通過工藝調整，可制備出不同需求的金屬粉末。以現有的制粉技術，通過不同的組合，可使制備出的粉末性能得到提升，例如超聲技術和緊耦合技術結合出的超聲緊耦合霧化技術，以及目前研究火熱的氣霧化和離心霧化結合的組合霧化。另一個具有潛力的方向是能夠制備出無氧化物夾雜污染的技術（不使用霧化介質流破碎合金液流），這種技術是未來生產超高性能合金和金屬器件的一個發展方向。

隨著工業的不斷發展、技術的不斷革新，制粉行業需求不斷提高，目前粉末制備的技術難題主要集中在如何提高細粉收得率，縮小粒徑分布，降低氧含量以及降低成本等方面。

參考來源：

1.霧化法制備金屬粉末及其研究進展，張朔、高陽、馬佳俊、李霄亭、榮智崢、孫德建、高卡（鄭州航空工業管理學院學報）；

2.水霧化條件對于金屬粉末性能的影響，相樟祥（粉末冶金工業）；

3.增材制造用金屬粉末研究進展，許德、高華兵、董―濤（中國有色金屬學報）。

粉體圈小吉

本文為粉體圈原創作品，未經許可，不得轉載，也不得歪曲、篡改或復制本文內容，否則本公司將依法追究法律責任。