過熱度對氬氣霧化制備高熵合金粉末粒徑的影響

作者：威拉里（葉國晨  魏放 張柯  李兆寬）

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?jǐn)?shù)要大于5%且不能超過35%,。實(shí)驗(yàn)采用FeCoNiCrMn高熵合金,，其理論原子比為1∶1∶1∶1∶1，質(zhì)量分?jǐn)?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(jié)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(yīng)的粒徑值視為樣品的中位粒徑,。

圖1 不同過熱度下粉末累積曲線

為了研究過熱度對粉末粒徑的影響，實(shí)驗(yàn)分別在過熱100℃,、150℃,、200℃、250℃時進(jìn)行霧化,，霧化壓力控制在5.0MPa,，保溫溫度控制在1100℃。霧化后的粉末經(jīng)50目篩分并混勻后,，測試其粒徑,。測試結(jié)果如圖1所示。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),，過熱度為100℃時,，Dv(50)=71.4μm；過熱度為150℃時,，Dv(50)=68.9μm,；過熱度為200℃時，Dv(50)=65.6μm,；過熱度為250℃時,，Dv(50)=65.5μm,。可以看出,，當(dāng)合金液過熱度提高時,，中位粒徑Dv(50)隨之減小,；當(dāng)過熱度達(dá)到200℃以后,，過熱度的增長對粉末粒徑的影響變小。氣體霧化合金液體的過程通常分為3個階段：初次破碎,、二次破碎和冷卻凝固。合金液在接觸霧化氣體后,，首先被拉成液膜,，其次液膜再被二次破碎成細(xì)小液滴，最后液滴冷卻成固體粉末,，粉末最終的粒徑大小主要取決于二次破碎的狀態(tài),。

如果合金液的過熱度較低，在其初次破碎后就會凝固,，在二次破碎階段就不會被氣體進(jìn)一步破碎成更小的顆粒,，因此粉末的粒徑較粗。同時,，當(dāng)過熱度低于100℃時,，由于霧化使用的是常溫高壓氣體，經(jīng)過霧化器狹小的噴嘴噴出后,，進(jìn)入相對開放的霧化桶內(nèi),，氣體在參與霧化的同時迅速膨脹，大量吸熱,，會導(dǎo)致約束合金液的噴嘴快速降溫,。由于噴嘴內(nèi)徑很小，內(nèi)部的合金液會因?yàn)榱魉佥^慢而直接凝固,，導(dǎo)致霧化過程中止,。過熱度由100℃向200℃增加的過程中，初次破碎時就凝固的粉末會隨之減少,，能夠被二次破碎的粉末的比例增加,，因此粉末粒徑會變小。當(dāng)過熱度超過200℃時,，初次破碎后就凝固的液滴數(shù)量已經(jīng)降到了足夠低的水平,，絕大多數(shù)液滴都會參與二次破碎的過程，進(jìn)一步增加過熱不再能明顯地增加其比例,。因此,，過熱度超過200℃以上后,，粉末的粒徑大小不再隨溫度的增加出現(xiàn)明顯的變化。

采用氣霧化法制備FeCoNiCrMn高熵合金時,，在霧化壓力,、保溫溫度都不變的情況下，改變過熱度可以改變合金液的霧化狀態(tài),。過熱度越高,，粉末的粒徑越細(xì)。當(dāng)過熱度超過200℃時,，過熱度對粉末粒徑的影響大幅減小,。