微細金屬粉末作為一類重要的工業(yè)原料，在電子、信息、冶金、能源、宇航等領(lǐng)域的應(yīng)用日益擴大。隨著金屬注射成形、熱噴涂、金屬快速成形、電子表面貼裝等技術(shù)的發(fā)展，對微細粉體材料的粒度、純凈度、形貌等方面的性能要求逐漸提高，進而推動粉末制備技術(shù)朝著窄粒度、低氧含量、高效率、低成本的方向發(fā)展。雖然傳統(tǒng)微細粉末的制備方法如高能破碎、水霧化、氣霧化和離心霧化等技術(shù)已經(jīng)進入大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)階段，但由工藝方法決定的粉體特性諸如顆粒尺寸、粒度分布、粉末幾何形狀等方面卻難以滿足某些領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芙饘俜勰┑氖褂靡蟆檫m應(yīng)這種新形勢的需要，人們在發(fā)展和完善傳統(tǒng)金屬粉末制備技術(shù)的同時，也在不斷開發(fā)新的金屬粉末超聲霧化技術(shù)。

超聲霧化制備的金屬粉末形貌

      瑞典率先開展了超聲霧化制取金屬粉末的嘗試，他們利用特殊噴嘴產(chǎn)生的脈沖超聲氣流沖擊金屬液流，成功制備了鋁合金、銅合金等材料，這就是后來被稱為超聲氣霧化的金屬粉末制備技術(shù)，超聲氣霧化即是利用超聲振動能量和氣流沖擊動能使液流破碎，制粉效率顯著提高，但仍需要消耗大量惰性氣體。隨后行業(yè)內(nèi)又提出單純利用高頻超聲振動直接霧化液態(tài)金屬的設(shè)想。隨著壓電陶瓷材料、換能器制作技術(shù)、超聲功率電源及其信號跟蹤技術(shù)的發(fā)展，金屬超聲振動霧化技術(shù)相繼在中、低熔點金屬粉末制備領(lǐng)域得到應(yīng)用。近年來功率超聲技術(shù)的快速發(fā)展和各種新金屬粉末材料的涌現(xiàn)推動著金屬超聲霧化技術(shù)不斷更新?lián)Q代，從最初僅適用于制備低熔點金屬發(fā)展到目前已嘗試用于不同熔點的金屬與合金粉末的制備，超聲霧化技術(shù)在工藝裝置和關(guān)鍵技術(shù)方面發(fā)生了深刻的變革。與傳統(tǒng)霧化技術(shù)相融合也是超聲霧化技術(shù)發(fā)展的一個顯著趨勢，目前已出現(xiàn)了多種復(fù)合高效霧化制粉技術(shù)，相關(guān)的金屬超聲霧化機制和超聲霧化關(guān)鍵技術(shù)研究也引起了國內(nèi)外廣泛關(guān)注。

      金屬熔體超聲霧化的基本原理

      金屬超聲霧化的基本原理是利用功率源發(fā)生器將工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l電磁振蕩提供給超聲換能器，換能器借助于壓電晶體的伸縮效應(yīng)將高頻電磁振蕩轉(zhuǎn)化為微弱的機械振動，超聲聚能器再將機械振動的質(zhì)點位移或速度放大并傳至超聲工具頭。當金屬熔體從導(dǎo)液管流至超聲工具頭表面上時，在超聲振動作用下鋪展成液膜，當振動面的振幅達到一定值時，薄液層在超聲振動的作用下被擊碎，激起的液滴即從振動面上飛出形成霧滴。

      在實際霧化過程中，當超聲強度超過液體的空化域值時往往會在振動表面液體介質(zhì)中產(chǎn)生強烈的空化作用，空化效應(yīng)造成的大量氣泡在振動過程中不斷生長和潰滅，對周期性表面張力波規(guī)律造成非周期性的擾動，如果考慮空化效應(yīng)，霧化機制將比較復(fù)雜。目前關(guān)于超聲霧化機制的解釋仍存在兩種不同的觀點，折中的觀點認為超聲空化與張力波效應(yīng)共同發(fā)揮作用。該理論認為超聲振動霧化以張力波激發(fā)形成的液滴為主，而聲空化作為一種隨機現(xiàn)象，構(gòu)成對周期性表面張力波的干擾，隨機產(chǎn)生不同粒度的液滴。

      金屬超聲霧化裝置及其關(guān)鍵技術(shù)

      金屬超聲霧化制備裝置一般由熔煉爐、霧化罐、超聲霧化器、粉末收集罐、真空充氣系統(tǒng)、饋液系統(tǒng)、控制系統(tǒng)構(gòu)成，在霧化室中部安裝有超聲振動系統(tǒng)，由大功率壓電換能器、變幅桿、工具頭、陶瓷堆氣體冷卻罩組成，超聲波發(fā)生器信號從霧化室外部引入，霧化室底部設(shè)置有粉末收集罐，通過改變流嘴孔徑和調(diào)節(jié)熔化爐與霧化室之間壓差控制霧化金屬流量，正常霧化所需的功率輸出是通過調(diào)節(jié)電流值使振幅達到霧化所需要的最佳臨界狀態(tài)。超聲變幅桿選用聲阻抗率小、抗機械疲勞性能優(yōu)良、易于加工的合金材料，長度選擇為λ/2與λ/4的整數(shù)倍，λ為對應(yīng)頻率聲波在該材料傳播的縱波波長。為利于振動表面均勻薄液膜的形成，工具頭的頂端設(shè)計成利于熔體鋪展的形狀。通過熔體溫度和流量控制可以實現(xiàn)霧化狀態(tài)穩(wěn)定、同時賦予粉末顆粒以低污染、球形度好和粒度分布較窄的優(yōu)點。金屬超聲霧化技術(shù)涉及應(yīng)用聲學(xué)、材料、冶金、物理、電子、自動控制等學(xué)科，是真正意義上的多學(xué)科融合而發(fā)展起來的新技術(shù)。超聲霧化技術(shù)的可控需要解決的關(guān)鍵技術(shù)包括高性能超聲霧化器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、金屬熔體與超聲波相互作用的理論機制和實驗規(guī)律的獲取和關(guān)鍵部件材料的選擇。具體說來主要研究內(nèi)容包括建立功率超聲場（超聲頻率、功率、振幅）與金屬粉末特性（形貌、顆粒平均直徑、粒度分布等）之間的關(guān)系，熔體性質(zhì)、質(zhì)量流量、圍壓、介質(zhì)種類等因素對粉體特性的影響規(guī)律。相關(guān)的技術(shù)研究還包括精確的金屬熔體輸送與流量控制裝置的開發(fā)、超聲換能器強制冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和自動檢測與自制控制系統(tǒng)的功能完善等。因此，如何通過數(shù)值模擬和物理模擬方法對超聲霧化過程進行研究，揭示超聲霧化的內(nèi)在機制，是推進超聲霧化制粉技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。超聲霧化器的材料在溫升條件下連續(xù)工作時，既要具有較高的拉伸強度以及抗疲勞強度，又要保持良好的聲學(xué)性能，特別是超聲工具頭與金屬熔體相接觸時空化腐蝕很嚴重，這些使用條件對關(guān)鍵部件材料的選取提出了苛刻的要求。超聲信號發(fā)生器的頻率自動跟蹤能力對于提高功率源的功率輸出，提高換能器的能量轉(zhuǎn)換效率，發(fā)揮振動系統(tǒng)功效至關(guān)重要。

       近年來通過采取頻率鎖相控制技術(shù)和差動變量器橋式電路跟蹤技術(shù)在改善超聲波發(fā)生器頻率跟蹤方面取得了明顯的效果，推動了超聲霧化技術(shù)水平的提高。目前已有用微機控制的超聲波發(fā)生器，它們能在調(diào)諧不當、功率過高或換能器有故障與失靈時，微機能自調(diào)停止超聲波的輸出。

(粉體圈  作者：梧桐)