中國粉體網(wǎng)訊  隨著現(xiàn)代工業(yè)與科技水平的迅速發(fā)展，不同行業(yè)對粉體材料的性能要求越來越高，粉體材料除了要具備極低的雜質(zhì)含量、較細(xì)的粒徑，較窄的粒度分布，還需具有一定的顆粒形貌。其中球形粉體由于在表面形貌、粒徑分布和流動性等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，因此在高端產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

等離子體球化法

隨著高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展和對納米新材料、制備新工藝的迫切需求，等離子態(tài)化學(xué)的研究和運用越來越受到重視。等離子體球化法具有高溫、高焓、高化學(xué)反應(yīng)活性、反應(yīng)氣氛和反應(yīng)溫度可控等特點，非常適合制備純度高、粒度小的球形粉體，尤其適用于高熔點金屬球形粉體的制備。

等離子體球化法通過不同的工作氣體對反應(yīng)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物進(jìn)行循環(huán)利用，其過程分為等離子體生成階段、化學(xué)反應(yīng)階段和驟冷反應(yīng)階段。根據(jù)等離子體的產(chǎn)生方式，可分為直流電弧熱等離子體球化法和射頻感應(yīng)等離子體球化法。

射頻感應(yīng)等離子體球化裝置

感應(yīng)等離子球化原理

粉體的感應(yīng)等離子球化過程如下：首先將球化系統(tǒng)抽真空后建立穩(wěn)定的感應(yīng)等離子體炬，然后由載氣通過送粉裝置將原料粉體送入感應(yīng)等離子體炬中，粉體顆粒穿過等離子體炬高溫區(qū)域時在輻射、對流、傳導(dǎo)等機(jī)制作用下迅速吸熱熔融，并在表面張力作用下形成球形液滴，接下來球形液滴離開等離子體炬后進(jìn)入熱交換室中冷卻凝固形成球形粉體，最終球形粉落入球化裝置底部的收集裝置中。球化過程中邊氣主要起保護(hù)作用，中心氣被用作電離產(chǎn)生感應(yīng)等離子體，邊氣、中心氣和載氣的種類均可以根據(jù)實際需要調(diào)整。

感應(yīng)等離子球化系統(tǒng)示意圖

感應(yīng)等離子體球化法的應(yīng)用

感應(yīng)等離子體球化法具有熱源穩(wěn)定、能量密度大、加熱溫度高、冷卻速度快、無電極污染等諸多優(yōu)點，對難熔金屬也能達(dá)到良好的球化效果，可以改變不規(guī)則粉體材料的形貌，增大粉體顆粒的球形度，同時還能減少缺陷粉體。該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于難熔金屬和陶瓷材料的球形粉體制備，如鎢粉、鉻粉、鈦粉及其合金、高純石英和氧化鋁等。

鎢粉

眾多研究者對射頻等離子體制備球形鎢粉工作開展相應(yīng)研究，通過優(yōu)化工藝參數(shù)可以使鎢粉的球化率和球形度均接近100%。研究結(jié)果表明，所得鎢粉的球化率和球形度與送粉速率、載氣量、原始粒度、粒度分布等工藝參數(shù)密切相關(guān)，鎢粉的球化率會隨送粉速率的增加明顯下降，粒度分布均勻的原料球化效果更好。

鈦及鈦合金

球形鈦及鈦合金粉體具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、流動性好以及生物相容性優(yōu)良等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、海洋工程和生物醫(yī)療等領(lǐng)域。

古忠濤等以不規(guī)則鈦粉為原料利用射頻感應(yīng)等離子球化技術(shù)制備了球形鈦粉，并主要研究了送粉速率和載氣流量等工藝參數(shù)對球化效果的影響，研究結(jié)果表明送粉速率增大和載氣流量增大均會導(dǎo)致球化率降低，松裝密度也隨之降低。球化后的粉末粒徑分布變窄并且粉末中的C、H、N等雜質(zhì)元素含量有所降低，表明射頻等離子球化過程還具有一定的純化作用。

盛艷偉等以不規(guī)則Ti-6Al-4V（TC4）粉體為原料，經(jīng)過射頻等離子體處理后得到球形鈦合金粉體，制備的球形TC4材料表面光滑，球形度好，最佳的球化率可達(dá)100%，且球化處理后TC4粉體的松裝密度和振實密度得到了明顯的提升。

鉬粉

鉬及其合金具有高熔點、高硬度、高強(qiáng)度、良好的耐腐蝕和抗熱震性等優(yōu)良性能，球形鉬粉因良好的流動性和松裝密度而被廣泛應(yīng)用于熱噴涂、粉末冶金、注射成型等領(lǐng)域。

趙鴻雁等初步探索了等離子球化對鉬粉性能的影響，結(jié)果表明球化后粉末流動性和松裝密度顯著提高并且碳和氧等雜質(zhì)含量明顯降低。盛艷偉等以形狀不規(guī)則的鉬粉為原料，使用射頻等離子球化技術(shù)制備了純凈微細(xì)球形Mo粉，并指出送粉速率是影響球化率的重要因素，粉末球化率隨著送粉速率增加而降低，在送粉速率2~5g/min時粉末球化率可達(dá)100%，且球化后粉末的松裝密度和振實密度隨球化率的增大而提高。

鉻粉

邱振濤采用感應(yīng)等離子體球化工藝對鉻粉進(jìn)行球形化改善，相較于原始鉻粉，其粉體流動性與松裝密度都得到了顯著提高。邱振濤還將球化后的鉻粉應(yīng)用于多孔鉻基體材料的制備，制得的成品孔隙結(jié)構(gòu)規(guī)整，開孔率高。

石英玻璃

王廣雷等采用射頻等離子體法制備石英玻璃微球，通過優(yōu)化工藝參數(shù)（原料粒徑、進(jìn)料速率、分散氣體流量）后，在分散氣體體積流量為1L/min時，原料的分散程度較好，石英玻璃微球的球化率能達(dá)到99%。

陶瓷復(fù)合粉體材料

Sun等著重研究了ZrB₂-SiC陶瓷復(fù)合粉體材料的球化工藝，利用感應(yīng)等離子球化技術(shù)，實現(xiàn)了ZrB₂-SiC球形粉體中裂紋、孔隙等微觀缺陷的有效消除，使粉體材料性能得到提升。

感應(yīng)等離子球化后的ZrB₂-SiC粉體形貌

氧化鋁

Yuge等則針對傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)中制備Al₂O₃時成本高、粒徑分布過大等問題，利用感應(yīng)等離子體技術(shù)對其進(jìn)行改進(jìn)，制備出了粒徑分布窄、球形度高且分散均勻的Al₂O₃粉體。

球化工藝參數(shù)對球化效果影響

粉體的球化率直接影響粉體的流動和松裝密度等性能，是衡量球化效果的首要指標(biāo)。粉體顆粒在等離子體炬中能否球化主要取決于其能否吸收足夠的熱量從而熔化并在表面張力作用下形成球形，因而影響球化效果的工藝參數(shù)實質(zhì)上都影響了粉體在等離子體炬內(nèi)的吸熱熔化行為。影響球化效果的工藝參數(shù)可以分為兩類：一類是和粉體顆粒完全熔化所需熱量相關(guān)的工藝參數(shù)，主要是原料粉體本身的性質(zhì)如粉體成分和粒度分布，另一類是影響粉體顆粒在等離子體炬中熱量吸收的工藝參數(shù)，主要包括送粉速率、載氣流量、等離子體功率、等離子氣氛等。

原料粉體狀態(tài)對球化效果的影響

原料粉體對球化效果的影響主要體現(xiàn)在粒徑尺寸及其分布方面。如果粉體中含有較大尺寸顆粒，可通過破碎研磨的方法減小初始粉體粒徑，以便其在與感應(yīng)等離子體炬相互作用的過程中完全熔融，使球化效果進(jìn)一步提高。

輸入功率及工作氣體對球化效果的影響

感應(yīng)等離子體焰炬的溫度主要由輸入功率決定，而與之相匹配的工作氣體種類和流量同樣會對焰炬溫度產(chǎn)生影響。另一方面，等離子體焰炬位置也會影響溫度作用區(qū)域，這些因素的綜合協(xié)同效應(yīng)將會對球化效果起到重要影響。

感應(yīng)等離子體球化的氣體系統(tǒng)主要包括工作氣（用于產(chǎn)生等離子體炬焰）、保護(hù)氣（用于使反應(yīng)室與外界氣氛隔絕）和載氣（用于將粉末送入等離子體炬內(nèi)）。在工作氣體這方面，決定球化效果的關(guān)鍵因素是產(chǎn)生等離子炬焰流的工作氣體種類，通過添加其他高焓值氣體來提高焰炬溫度的方法可以作為一項研究工作進(jìn)行深入探究。

送粉速率和氣氛環(huán)境對球化效果的影響

感應(yīng)等離子球化過程中的送粉速率將決定粉體材料經(jīng)等離子炬加熱后的熔融狀態(tài)，應(yīng)選取合適的送粉速率避免出現(xiàn)團(tuán)聚或者粘附等問題。

此外，環(huán)境氣體的存在會影響球化效果，實際應(yīng)用前，應(yīng)考慮對球化系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)處理，采取通入惰性氣體或載氣等措施凈化反應(yīng)室和收集系統(tǒng)中殘留的環(huán)境氣體，以避免球化質(zhì)量問題。

小結(jié)

目前，等離子體球化技術(shù)正逐漸展現(xiàn)出成為制備高質(zhì)量球形粉體主要加工方法的應(yīng)用潛力。但在感應(yīng)等離子球化技術(shù)大力發(fā)展的過程中，也面臨著許多問題需要研究解決。未來仍需要加強(qiáng)對球形粉體制備技術(shù)的研究。

參考資料：

張慶磊等.感應(yīng)等離子體球化法制備球形金屬粉體的研究進(jìn)展

趙陽等.感應(yīng)等離子體球化熱噴涂粉體材料研究進(jìn)展

彭琳等.球形粉體制備技術(shù)研究進(jìn)展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）

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