熱等離子技術(shù)在粉體球化/致密化的研究進(jìn)展

陳 強(qiáng)，馮鵬發(fā)，武 洲，胡 林

（金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710077）

在熱噴涂、粉末冶金等領(lǐng)域，粉體的表面形貌、致密化程度等指標(biāo)，對終端產(chǎn)品的品質(zhì)有著極為關(guān)鍵的影響。近年來，隨著多孔材料、高致密粉體熱噴涂以及粉末冶金注射成型等技術(shù)的發(fā)展，球形致密粉體的發(fā)展日益受到人們的關(guān)注［1，2］。在熱噴涂領(lǐng)域，經(jīng)過處理的球形粉體流動(dòng)性好，在噴涂過程中粉體輸送會更加均勻，所制得的涂層組織均勻，其耐磨性更佳。粉末冶金工藝中，因球形粉的流動(dòng)性好，堆積密度大，燒結(jié)收縮小，壓坯在燒結(jié)過程中收縮非常均勻，可實(shí)現(xiàn)良好的尺寸控制，獲得理想燒結(jié)坯體材料，利于燒結(jié)坯的后續(xù)加工。在多孔材料的制備中，粉體的形貌和粒度對材料的孔結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生很大的影響，進(jìn)而影響材料的性能。采用球形致密鉬粉制備的多孔鉬基體能夠提供均勻的連通孔結(jié)構(gòu)，可以確保銅的熔滲通道暢通，這樣就可以組織均勻的鉬銅合金材料，防止因?yàn)椴牧辖M織不均勻而產(chǎn)生的局部過渡燒蝕或擊穿，提升觸頭的性能。

粉體的球化技術(shù)比較成熟的就是霧化法。其基本原理就是借助高壓液流（水或油）或氣流（空氣或惰性氣體）沖擊破碎金屬液流，使其碎化收縮為球形，制得致密的球形粉體。這種技術(shù)可以制備熔點(diǎn)較低球形金屬粉體，如鉛、錫、鋁等，也可制備熔點(diǎn)較高的金屬粉體，如黃銅、合金鋼、不銹鋼等。

但對于熔點(diǎn)很高的難熔金屬如鉬、鎢等或陶瓷，從工藝技術(shù)、工裝設(shè)備等角度考慮，該技術(shù)則難滿足上述材料的霧化造粒。

相對于普通熱源，熱等離子體炬溫度很高（等離子炬中心溫度可達(dá)10 000℃以上），可以實(shí)現(xiàn)難熔金屬的球化及致密化。熱等離子氣技術(shù)制備致密球形粉體的原理［3，4］為：利用溫度可達(dá)上萬度的高溫等離子體（包含電子、離子及處于激發(fā)態(tài)的活性粒子），使原料粉體顆粒表面迅速熔融，在表明張力作用下，顆粒收縮球化，制得致密的球形粉體。等離子體反應(yīng)器內(nèi)的溫度梯度大，易獲得高過飽和度，易實(shí)現(xiàn)粉體快速淬冷，使合成的粉體具有粒度細(xì)小、分散性好等優(yōu)點(diǎn)。與其他球化設(shè)備相比，等離子體反應(yīng)器內(nèi)氣氛純凈、清潔，避免了霧化設(shè)備對粉體的污染，這對制備高純度粉體是很重要的。

2 數(shù)種典型等離子氣相蒸發(fā)制粉方法簡介

一般來說，熱等離子球化造粒設(shè)備主要包括反應(yīng)、冷卻、收集三大部分。冷卻、收集裝置大多類似，而隨著最終產(chǎn)品的粒度略有區(qū)別，如最終產(chǎn)品的粒度為納米級，需要添加真空手套箱等。反應(yīng)裝置部分按產(chǎn)生等離子體的方式可分為直流（DC）型、射頻（RF）型和微波（MV）等離子體3種。

2.1 直流（DC）等離子法

直流等離子制粉就是靠直流電源來產(chǎn)生等離子體，從而實(shí)現(xiàn)原料粉體顆粒致密化、球化［5］。直流等離子氣相蒸發(fā)制粉具有電源不怕干擾、弧柱穩(wěn)定、輻射小、功率大等優(yōu)點(diǎn)，但存在電極腐蝕和電極污染等問題。

紫銅等離子槍產(chǎn)生高溫等離子炬，以惰性氣體為載體，將原料粉體送入等離子炬，使其被加熱收縮而生成致密球形粉體。尚書勇等以微米級鋁粉為原料，制備了純凈的超細(xì)氮化鋁粉體［6］。

如果以大塊固體作原料，可讓原料作為一極，在其與另一電極間直接加電場而起弧，產(chǎn)生等離子體，該法又可稱為電弧法。吉林大學(xué)沈龍海博士［7］利用直流電弧等離子氣相蒸發(fā)方法在5～10 kPa的相對較低的氮?dú)鈮合?，成功地合成了立方相的CrN、γ－Mo2N和β－W2N納米超細(xì)粉。

2.2 高頻感應(yīng)等離子法

高頻感應(yīng)等離子法制粉就是靠高頻電磁感應(yīng)水冷銅圈提供能量來產(chǎn)生等離子體，從而制備致密球形粉體。由于該方法無電極，因此等離子炬非常純凈，而且感應(yīng)等離子氣的流速較小，加熱效率較高，但等離子炬易受干擾而不穩(wěn)定，且其電效率較低［8－10］。其原料形態(tài)可以是氣態(tài)物質(zhì)，也可以是固態(tài)的粉體，還可以是液體，不過需將其噴霧后送入?？傮w說來，前兩者效果較好。葉高英等［11］利用該種設(shè)備實(shí)現(xiàn)了納米Ti粉批量生產(chǎn)，加拿大M.Boulos等［12-15］在該方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究，成功實(shí)現(xiàn)了多種高熔點(diǎn)金屬及氧化物、氮化物、碳化物等超細(xì)粉的合成與球化。

2.3 微波（MV）等離子氣相蒸發(fā)法

微波放電是將微波能量轉(zhuǎn)換為氣體分子的內(nèi)能，使之激發(fā)、電離以產(chǎn)生等離子體的一種放電方式。在微波放電中，通常采用波導(dǎo)管或天線將由微波電源產(chǎn)生的微波耦合到放電管內(nèi)，放電氣體存在的少量初始電子被微波電場加速后，與氣體分子發(fā)生非彈性碰撞并使之電離。若微波的輸出功率適當(dāng)，可以使氣體擊穿，實(shí)現(xiàn)持續(xù)放電，這樣產(chǎn)生的等離子體稱為微波等離子體。由于這種放電無需在放電管中設(shè)置電極，而輸出的微波功率可以集中，因此能獲得高密度的等離子體。Brenner等在微波等離子體中制備出了以碳為載體的金屬Fe、Co以及二元金屬Co-Mo等納米顆粒材料，平均粒徑小于10 nm［16］。微波等離子技術(shù)除可以制備金屬納米粉外，還可廣泛應(yīng)用于合成氧化物、氮化物及納米復(fù)合材料的制備與合成。

3 研究現(xiàn)狀及存在問題

3.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近20年來國內(nèi)外對熱等離子體法制粉研究都給予了高度重視。國外，一些主要的發(fā)達(dá)國家都在大力進(jìn)行這一方面的研究工作。比如，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的E.Pfender研究組［17，18］，他們主要從事基本原理及其傳熱、傳質(zhì)等基礎(chǔ)理論研究和開發(fā)方面的研究工作。俄羅斯拉脫維亞科學(xué)院無機(jī)化學(xué)所進(jìn)行了多年的射頻等離子制粉技術(shù)研究，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了半工業(yè)化生產(chǎn)多種氧化物、氮化物等的水平。英國鈦公司使用兆瓦級電弧氣體加熱器可大規(guī)模地生產(chǎn)鈦白粉。日本從事等離子體制粉研究工作較早，也提出了不少新技術(shù)。比如混合等離子體制粉方案就是東京大學(xué)的明石和夫等［19］提出的。

國內(nèi)，中科院袁方利等制備出了球形SiO2粉、AL2O3粉、ZnO粉及Ni粉等［20，21］。核工業(yè)西南物理研究所和兵器科學(xué)研究院等［22］也在等離子制粉方面開展了大量的研究工作，并取得了豐碩的成果，比如制備出了納米級Ta粉、SO2粉、及W粉等。筆者用自行設(shè)計(jì)的等離子設(shè)備實(shí)現(xiàn)了鉬粉的球化、致密化。等離子體處理后產(chǎn)品仍為純金屬鉬粉，形狀由不規(guī)則變?yōu)榍蛐?，顆粒的粒度從數(shù)十微米到上百微米不等，振實(shí)密度由1.2 g/cm3提高到5.0 g/cm3。研究表明，等離子氣相蒸發(fā)法是制備高振實(shí)密度球形鉬粉的有效手段。等離子體處理前后鉬粉的掃描電鏡（SEM）照片見圖1。

3.2 存在問題

雖然熱等離子技術(shù)制備高致密球形難熔金屬粉有一定優(yōu)勢，但熱等離子設(shè)備昂貴的價(jià)格和較低的生產(chǎn)效率是制約等離子制備球形粉技術(shù)快速發(fā)展的重要原因。其存在問題具體如下：

（1）設(shè)備復(fù)雜、昂貴。熱等離子制粉設(shè)備一般包括等離子發(fā)生裝置、水冷卻及氣體循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，設(shè)備構(gòu)造非常復(fù)雜。目前我國用于工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)率較高的等離子制粉設(shè)備絕大部分依靠進(jìn)口，價(jià)格非常昂貴。也有部分大型企業(yè)及科研院所自行組裝設(shè)備，但所組裝的設(shè)備自動(dòng)化程度低，安全隱患大，生產(chǎn)效率低。

圖1 原料鉬粉（a）和等離子體處理后鉬粉（b）的SEM照片

（2）生產(chǎn)成本高、產(chǎn)率低下。等離子法制粉時(shí)等離子體產(chǎn)生與維持過程能耗很大，氣體（Ar和H2）消耗量大，熱利用率很低，加之原料粉通常都需要經(jīng)過傳統(tǒng)工藝預(yù)處理后，大大提高了生產(chǎn)成本。此外，等離子處理后的粉體活性極高，通常需要經(jīng)過長時(shí)間鈍化后處理才能取出，致使產(chǎn)率降低。因此，目前等離子制粉主要用于下列兩種情況：一是產(chǎn)品附加值高；二是性能獨(dú)特。其他工藝難以取代。

（3）熱等離子生產(chǎn)球形粉技術(shù)還不完善。目前，直流電弧等離子技術(shù)、感應(yīng)等離子技術(shù)已經(jīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)，而微波等離子尚未達(dá)到大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的條件，這主要是由于該技術(shù)還不完善，如制約微波等離子氣相蒸發(fā)法制備納米材料發(fā)展的主要問題是微波發(fā)生裝置中磁控管的功率低、壽命短，只能局限于實(shí)驗(yàn)室研究。

4 未來發(fā)展趨勢

雖然等離子制備超細(xì)粉技術(shù)存在上述一些不足，但作為可制備高球化率、高致密性粉體的新型技術(shù)，還是受到了極大的關(guān)注。目前，等離子制粉技術(shù)發(fā)展趨勢歸納如下：（1）等離子體控制技術(shù)的優(yōu)化和等離子發(fā)生裝置的改進(jìn)是熱等離子技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。極有希望的是新型等離子反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，例如多炬裝置、把直流炬和射頻炬組合起來的混合反應(yīng)器以及不僅提高產(chǎn)品質(zhì)量而且提高加工效率的其他創(chuàng)新設(shè)計(jì)。（2）用其他熱源難以制備的球形粉是熱等離子技術(shù)制粉的優(yōu)勢。難熔金屬和陶瓷的高熔點(diǎn)特性，決定其他熱源難以實(shí)現(xiàn)其熔融球化及致密化。

當(dāng)前，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)的研究和利用越來越受到重視［23，24］，我們相信，隨著等離子體控制技術(shù)的提高、發(fā)生裝置的改進(jìn)以及生產(chǎn)成本的降低，熱等離子將廣泛應(yīng)用于制備和合成高純度、高球化率、窄粒度分布的超細(xì)粉。

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