1　前言
高温合金粉末冶金是60年代末发展起来的用于制造航空发动机重要部件（涡轮盘和压气机盘等）的一项*技术。制取高质量的合金粉末是制造无偏析、组织均匀和高性能部件的首要工序。目前,工业生产中制取高温合金粉末主要有氩气雾化法和等离子旋转电极法（ｐｒｅｐ）。ｐｒｅｐ制粉工艺具有设备结构紧凑、工艺参数控制简单、粉末粒度范围窄、粉末颗粒表面光滑洁净和生产效率高等优点。本文介绍了ｐｒｅｐ制粉设备的结构、主要工艺参数和粉末颗粒形成机理。研究了在不同电极棒料转速下的粉末粒度和粒度分布,并且通过理论分析计算出了不同转速下的粉末粒度。
2　试验方法
2.1实验设备和主要工艺技术参数
实验在从俄罗斯引进的ｐｒｅｐ制粉设备пур-1上进行,其结构如图1所示。пур-1制粉设备主要由以下部分和系统组成,（1）雾化室,等离子弧将高速旋转的棒料端面熔化,在离心力的作用下形成的液态金属薄膜并雾化成小液滴,在飞射过程中冷却并在惰性气体介质中图1　ｐｒｅｐ制粉设备пур-1结构示意图凝固成粉末颗粒;（2）料旋转和轴向移动机械装置室,其中装有两个支撑棒料的空心辊、一个棒料压紧辊、棒料推进器、控制器和分配棒料的机械装置;（3）电动机室,装有测速器、齿轮箱和电动机,用于旋转棒料;（4）真空系统,由机械泵、扩散泵、检测仪表等组成,为设备工作室和粉罐抽真空;（5）等离子体发生器,含有细棒状钨阴极和水冷铜阳极,用于熔化棒料;（6）气体系统,由两部分组成:氩气和氦气汇流排,用于向设备充混合惰性气体;惰性气体循环系统,在制粉过程中向等离子发生器中供应形成等离子体的惰性气体;（7）盛粉罐,罐中充有惰性气体用于收集粉末,使其不与空气接触,罐上装有真空阀和真空压力表;（8）料头收集罐;（9）冷热水供给系统;（10）废粉收集罐,用于装净化雾化室气氛的废粉;（11）粉末取样瓶,用于检测粉末的质量和粒度等;（12）粉末分配器,用于分离废粉、提取粉末试样进行质量检测和把粉末收集到盛粉罐;（13）装料机构室,由盛料箱和机械机构组成;（14）磁性分离器,用来去除在制粉过程中旋转棒料与辊子表面摩擦产生的磁性颗粒;（15）操作台;（16）供电系统。пур-1制粉设备主要工艺技术参数为:雾化室的直径2ｍ,雾化室内惰性气体的工作压力为0.1150.135ｍｐａ,设备工作体积4ｍ3;设备功率120ｋｗ;棒料尺寸φ50ｍｍ×（500700）ｍｍ,其zui大转速15000ｒ/ｍｉｎ;装炉量50根;惰性气体消耗量0.01ｍ3/1ｋｇ粉末;等离子弧zui大电流1500ａ,电压50ｖ;制粉粒度50500μｍ;生产率60ｋｇ/ｈ。
2.2粉末颗粒形成机理
等离子弧将高速旋转的棒料端面熔化,在离心力的作用下,熔化的液态金属薄膜流向棒料端面的边缘,由于表面张力的作用,液膜并不能立即从棒料端面甩出去,而是在端面形成了“冠”。金属熔体沿螺旋曲线不断地进入“冠”中,zui后形成“露头”,如图2、3所示。当“露头”中金属的质量增加到其离心力超过表面张力时,“露头”便从“冠”中飞射出去,形成小液滴。在惰性气体中液滴以很高速度冷却,凝固成球形粉末颗粒\[1\]。棒料转速越大,棒料端面熔膜变得越薄,“露头”也就越细小,因此粉末粒度越小。
2.3实验参数
制粉工艺参数主要是依据粉末粒度、粉末质量和生产率所制定的。实验用镍基高温合金棒料φ50ｍｍ×700ｍｍ,为了研究棒料在不同转速下粉末粒度和粒度分布的特点,其转速分别为7500ｒ/ｍｉｎ、图2　旋转棒料端面“冠”（ａ）和“露头”（ｂ）形成照片[1]图3　粉末颗粒形成过程示意图ｄ1—“露头”的直径,ｄ—液滴的直径,ｄ—棒料直径10500ｒ/ｍｉｎ、15500ｒ/ｍｉｎ。пур-1设备所用惰性气体为氩气和氦气的混合气体,氩气产生等离子弧,用于熔化棒料端面,氦气主要起冷却作用。混合惰性气体的组成、压力和纯度直接影响粉末颗粒的组织、粉末的质量（气体和空心粉含量等）以及等离子弧的稳定性等。所以,实验用高纯氩气和氦气,其混合比例为30%ａｒ+70%ｈｅ,工作压力为0.12ｍｐａ,等离子弧电流1000ａ,电压45ｖ。制粉工艺流程如图4所示。图4　ｐｒｅｐ制粉工艺流程
3　实验结果
在不同棒料转速下所制取的全粉的粒度组成见表1。由图5可知,ｐｒｅｐ粉末具有较窄的粒度分布,随着棒料转速ｎ的增大,粒度分布曲线向小尺寸方向移动,说明粒度减小,并且随着棒料转速ｎ的增大,粒度分布曲线的类型也发生变化,由正态分布变为对数正态分布。
4　讨论
由图3可知,粉末颗粒形成分为ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ四个阶段,当“露头”所受的离心力超过其表面张力时,便从“冠”中飞射出去,形成了小液滴。“露头”所受的离心力大小为ｍω2ｄ/2,其表面张力大小为σπｄ1,于是得出关系式:ｍω2ｄ/2≥σπｄ1（1）式中:ｍ—液滴的质量;ｄ—棒料的直径;ω—棒料旋转的角速度;ｄ1—“露头”的直径;σ—金属熔滴表面张力;“露头”的直径ｄ1可以用液滴的直径ｄ表示,即ｄ1=ηｄ,其中η≤1。在这种条件下,由关系式（1）可以得出形成液滴的临界条件表达式,即ｍω2ｄ/2=σπｄη,式中ω=2πｎ/60,ｍ=πｄ3ρ/6。对于镍基高温合金取σ=1778ｄｙｎ/ｃｍ,ρ=7.77ｇ/ｃｍ3\[2\],η=0.8,代入上述关系式中得出:ｄ=1.42×107×ｎ-1ｄ-1/2（2）式中: ｄ—棒料直径,ｍｍ;ｄ—液滴直径（粉末颗粒的理论直径）,μｍ;ｎ—棒料转速,ｒ/ｍｉｎ实际上,粉末颗粒的大小在理论尺寸附近波动。由于不可能制造出理想的平衡旋转机构和不存在椭圆度、具有理想光洁表面、均匀体密度等的棒料,棒料的振动可能使液滴在小于相应的在离心力作用下所脱离的质量的条件下脱离棒料端面,使得粉末颗粒尺寸小于理论计算值,或者在端面两个相邻的“露头”合并在一起,使粉末颗粒尺寸大于理论计算值。棒料振动越小,粒度范围越小[3]。由关系式（2）可知,在棒料直径一定时粉末粒度仅由棒料转速所决定。转速越高,粉末粒度越小。还可以计算出转速为7500、10500、15500ｒ/ｍｉｎ时制取的粉末颗粒的理论尺寸分别为268、191、130μｍ,试验结果分别为260、185、120μｍ。从图6可以求出粉末的中位直径ｄ50,可以看出,粉末粒度的理论计算值与实验结果非常吻合。图6　粉末粒度分布的积分曲线
5　结论
1）ｐｒｅｐ制粉设备结构紧凑,工艺参数控制简单,粉末粒度范围窄。
2）在棒料直径一定时,粉末粒度和粒度分布主要由棒料转速所决定。棒料转速增大,粉末粒度变小时,粒度分布峰变窄并且向小粒度方向移动,粒度分布的类型也发生变化。
3）对于镍基高温合金,粉末粒度的平均值与棒料直径和转速之间的关系由ｄ=1.42×107×ｎ-1ｄ-1/2表示。
4）在不同的棒料转速下,粉末粒度的理论计算值与实验结果相吻合。