保溫溫度對氬氣霧化制備高熵合金粉末粒徑的影響

作者：江蘇威拉里（葉國晨 魏放 姜謀偉）

高熵合金是由5種以上（一般不會超過13種）主要元素（金屬或金屬與非金屬）組成，每種主要元素的原子分數(shù)要大于5%且不能超過35%。實驗采用FeCoNiCrMn高熵合金，其理論原子比為1∶1∶1∶1∶1，質量分數(shù)范圍如表1所示。

表1 FeCoNiCrMn成分表

粒徑數(shù)據(jù)以體積堆積百分比顯示，例如，檢測結果為Dv(50)=100μm，即表示：粒徑小于等于100μm的粉末占樣品總量的50%。由于氣霧化粉末的球形度很好，且空心球數(shù)量非常少，可以將樣品Dv(50)對應的粒徑值視為樣品的中位粒徑。

圖1 不同保溫溫度下粉末累積曲線

為了研究中間包的溫度對粉末粒徑的影響，在過熱度為200℃、霧化壓力為4.0MPa的條件下，觀察不同的中間包溫度對粉末粒徑的影響。測試結果如圖1所示。
根據(jù)實驗結果，保溫溫度為1100℃時，Dv(50)=56.2μm；保溫溫度為1150℃時，Dv(50)=56.9μm；保溫溫度1200℃時，Dv(50)=57.3μm。由于馬爾文3000激光粒徑儀在50~80μm的檢測誤差為±1μm，可以認為，保溫溫度對粉末粒徑幾乎沒有影響。保溫是氣霧化制粉過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，是指將合金液倒入一個漏斗狀的中間包里，通過中間包底部特制的導流管進入霧化器，再被霧化成粉。在保溫過程中，合金液通過中間包的緩沖，變成穩(wěn)定連續(xù)的低速液流進入霧化器，為平穩(wěn)霧化粉末提供了先決條件。


在通常情況下，合金液經(jīng)過導流管后會在其內表面形成很薄的凝固層，隨著合金液的不斷流動，該凝固層會被過熱度較高的合金液不斷加熱直至再次熔化，最終完成霧化時，導流管內表面不會附著凝固層。由于導流管內徑只有幾毫米，在合金液倒入保溫坩堝前，保溫坩堝需要預先加熱到一定溫度，這一溫度可以控制初始凝固層的厚度。保溫溫度不夠，初始凝固層則會變厚，導致導流管的實際通徑遠小于其設計通徑，合金液的流速大幅減少，其帶來的熱量不足以熔化已經(jīng)形成的凝固層，凝固層會繼續(xù)變厚，直至導流管完全堵塞。

本實驗中設計的1100℃~1200℃保溫溫度范圍，是根據(jù)江蘇威拉里新材料科技有限公司長期生產(chǎn)總結的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，在1100℃以下時，堵爐概率大幅提高，而在1100℃以上時，幾乎不發(fā)生堵爐。由于保溫溫度在1100℃以上，凝固層不再影響導流管的實際通徑，合金液的流速只受其過熱度和霧化壓力影響，在不改變這兩個參數(shù)時，合金液的初次破碎和二次破碎狀態(tài)就不會改變，其最終粒徑也不會出現(xiàn)大的變化。
在過熱度、霧化壓力不變的情況下，保溫溫度對粉末粒徑的影響可以忽略。