射頻等離子體球化處理氫化釹鐵硼粉末

毛瑞奇，郝俊杰，郭志猛，舒進(jìn)鋒，王建軍

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射頻等離子體球化處理氫化釹鐵硼粉末

毛瑞奇，郝俊杰，郭志猛，舒進(jìn)鋒，王建軍

(北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京 100083)

利用氬氣射頻等離子體球化處理形狀不規(guī)則的氫化釹鐵硼粉末。采用掃描電子顯微鏡、能譜儀、X線衍射儀、激光粒度分析儀對射頻等離子體處理前后粉末顆粒的形貌、元素分布、物相、粒度分布進(jìn)行測試和分析。結(jié)果表明：不規(guī)則形狀的氫化釹鐵硼粉末的脫氫分解和球化過程可在等離子體中一步完成，得到球形度高、分散性好、球化率接近100%的球形粉末。球形粉末較氫化釹鐵硼原料粉末，粒度分布明顯變窄，平均粒度稍有減小。球形粉末的相組成主要為Nd2Fe17(B)和α-Fe。元素分布測試表明，經(jīng)射頻等離子體處理獲得的球形粉末有輕微的元素偏析。隨載氣流量增加，粉末的球化率降低。結(jié)合FLUENT數(shù)值模擬分析得出載氣流量的變化對等離子體炬的溫度場有很大影響。

射頻等離子體；氫化釹鐵硼；球化；數(shù)值模擬

釹鐵硼稀土永磁材料自問世以來，就以其擁有高的綜合磁性能而被稱作“磁王”，被廣泛地應(yīng)用于電子、汽車工業(yè)、電力機(jī)械、能源環(huán)保、國防軍工、辦公設(shè)備以及醫(yī)療器械等諸多領(lǐng)域，在以信息科技領(lǐng)航的知識經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的環(huán)境下，釹鐵硼磁體現(xiàn)已成為當(dāng)前世界上應(yīng)用最廣、生產(chǎn)總量最大、市場和發(fā)展前景最好的永磁材料[1?3]。在釹鐵硼永磁體的生產(chǎn)過程中，優(yōu)質(zhì)磁粉的制備作為生產(chǎn)高性能釹鐵硼產(chǎn)品的基礎(chǔ)，在整個工藝中起著至關(guān)重要的作用。釹鐵硼磁粉的制備方法主要包括：速凝薄帶(SC)+氫破碎(HD)+氣流磨法(JM)、HDDR法、機(jī)械合金化法、氣霧化法等[4?7]。其中前兩種方法現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，但制備的釹鐵硼粉末顆粒形狀不規(guī)則，流動性較差，在進(jìn)行磁場取向壓制時，盡管添加潤滑劑可以降低在轉(zhuǎn)動過程中顆粒相互間接觸產(chǎn)生的摩擦力，顆粒形狀不規(guī)則造成的機(jī)械阻力仍然存在，從而大大降低了磁粉的取向度，影響產(chǎn)品的最終性能，因此通過改變磁粉顆粒形狀來解決這一問題十分必要。在各種形狀的粉末顆粒中，球形顆粒因其具有比表面積小，振實(shí)密度和松裝密度大，流動性好等特點(diǎn)，在取向壓制、注射成形、凝膠注模、3D打印快速成形技術(shù)等領(lǐng)域的優(yōu)勢十分明顯，因而倍受材料科學(xué)研究者的青睞[8?10]。射頻等離子體的加熱溫度范圍大(10 000～30 000 K)、能量密度高、等離子體炬體積大、化學(xué)活性高、反應(yīng)氣體可控、不存在電極污染、傳熱和冷卻速度快，因此成為制備球形度高、流動性好、粒度分布窄的微細(xì)球形粉末材料的良好途徑[11?12]。射頻等離子體的顯著技術(shù)優(yōu)勢，使其在金屬、陶瓷及納米球形粉末制備等領(lǐng)域占據(jù)著不可或缺的地位[13?14]。射頻等離子體球化處理系統(tǒng)的工作原理為：在電磁場強(qiáng)烈的耦合作用下，誘導(dǎo)電流產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)將工作氣體加熱至極高的溫度，形成穩(wěn)定可自持續(xù)的等離子體；通過載氣氣流將前驅(qū)體粉末送入高溫的等離子體區(qū)域，粉末顆?？焖傥鼰嶂帘砻婊蛘w熔融，并在表面張力的作用下縮聚成球狀，飛離等離子高溫區(qū)后進(jìn)入冷卻室，在極高冷卻速度(≥105K/s)作用下，球形液滴遇急冷凝結(jié)，從而獲得球形粉末[15?16]。本文以形狀不規(guī)則的氫化釹鐵硼粉末為原料，將射頻等離子體球化處理技術(shù)與氫化脫氫(HDH)過程相結(jié)合，制備粒度分布集中的球形釹鐵硼粉末。對球化處理前后粉末物相的變化進(jìn)行分析，并研究載氣流量對球化效果的影響，以期為球形釹鐵硼粉末的制備和應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用自行研制的100 kW型射頻等離子體微粉處理系統(tǒng)對氫化釹鐵硼粉末進(jìn)行脫氫、球化處理。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要包括射頻感應(yīng)等離子發(fā)生器(頻率為3.5 MHz，額定功率為100 kW)、三層水冷石英等離子體燈炬、不銹鋼分級冷卻室、振動螺旋粉末進(jìn)料系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、供電及供氣系統(tǒng)、產(chǎn)品收集系統(tǒng)等。實(shí)驗(yàn)原料為天津麥格昆磁公司提供的MQP?B型釹鐵硼快淬磁粉經(jīng)(300 ℃，0.1 MPa)吸氫處理1 h后得到的不規(guī)則形狀氫化釹鐵硼粉末，平均粒徑128.8 μm。

1.2 球形釹鐵硼粉末制備

球形釹鐵硼粉末的制備過程：1) 實(shí)驗(yàn)前將射頻等離子體球化系統(tǒng)預(yù)抽真空至8×10?3Pa；2) 采用氬氣(純度≥99.99%)作為工作氣和邊氣，建立起穩(wěn)定自持續(xù)的氬氣等離子體炬，輸出功率為65 kW，系統(tǒng)負(fù)壓80 kPa；3)以氬氣(純度≥99.99%)為載氣將氫化釹鐵硼粉末經(jīng)進(jìn)料系統(tǒng)，由送粉槍軸向勻速連續(xù)注入等離子體炬中，經(jīng)快速吸熱、脫氫、熔融、驟冷凝結(jié)，最終在產(chǎn)品收集系統(tǒng)中收集，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)詳如表1所列。

圖1 射頻等離子體裝置示意圖

表1 射頻等離子體球化處理的實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1.3 試樣表征

采用LEO?1450型掃描電鏡及配套X射線能譜儀(EDS)對粉末進(jìn)行形貌和微觀結(jié)構(gòu)觀察和分析；球形顆粒的橫截面樣品采用冷鑲、磨樣、拋光方式制備。采用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的D/MAXRB型X線衍射儀進(jìn)行粉末物相組成分析；采用LMS?30型激光粒度分析儀對粉末粒度分布進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與分析

2.1 形貌、粒度分析

圖2所示為載氣流量1.0 L/min時，氫化釹鐵硼粉末經(jīng)射頻等離子體球化處理前后的SEM像。如圖2(a)所示，氫化釹鐵硼原料粉末顆粒形狀不規(guī)則，棱角分明。由圖2(b)可見，采用1.0 L/min的載氣流量時，經(jīng)過等離子體球化處理，可以得到分散性良好、球形度高、表面光滑的球形釹鐵硼粉末，球化率達(dá)99%。

圖3所示為射頻等離子體球化處理前后粉末的粒度分布圖。經(jīng)球化處理后，粉末的平均粒度由128.8mm減小到123.4mm，球化處理前后的粉末平均粒度變化很小，但粒度分布曲線明顯變窄，粒度分布更為集中。這主要是由于釹鐵硼粉末在氫化處理時，粉體發(fā)生破碎并產(chǎn)生足夠微觀裂紋。實(shí)驗(yàn)過程中，氫化釹鐵硼原料粉末在等離子體高溫區(qū)吸熱，氫沿這些微裂紋較為容易釋放出來，并伴隨著顆粒表面或整體融化，因此脫氫二次破碎現(xiàn)象不明顯。細(xì)微顆粒(＜5mm)迅速熔化為液滴，且飛行速度較大，更容易與相碰撞的熔融粒子合并，在表面張力的作用下形成球形顆粒；而粒度過大的形狀不規(guī)則顆粒則因球化過程中棱角消失，形成粒徑較小的球形顆粒。

圖4所示為球化處理后得到的釹鐵硼粉末的表面和橫截面SEM像。由圖4(a)可見，球形釹鐵硼粉末無明顯的棱角，具有較高的球形度，粉末的長徑比接近1:1；結(jié)合圖4(b)可知，球形釹鐵硼粉末內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，未發(fā)現(xiàn)明顯的孔隙及其它缺陷，說明等離子體可以提供足夠的能量使氫化釹鐵硼粉末顆粒表面或整體熔融，實(shí)現(xiàn)致密化過程。

圖2 等離子體球化處理前后粉末SEM像

圖3 等離子體球化處理前后粉末粒度分布

2.2 物相及成分分析

圖5所示為射頻等離子處理前后粉末的XRD譜。由圖5(a)可知，原料粉末為Nd2Fe14BH1.86和少量NdH，經(jīng)等離子體處理后得到的球形粉末主要為Nd2Fe17(B)和α-Fe(見圖5中b譜線)。其原因主要為氫化釹鐵硼原料粉末經(jīng)過等離子體高溫區(qū)吸熱脫氫、熔化，合金液相過熱，與Nd2Fe14B相晶體結(jié)構(gòu)相似的短程原子團(tuán)被熱運(yùn)動所破壞，遇冷凝結(jié)過程中，因缺少Nd2Fe14B相的結(jié)晶晶核而更容易形成Nd2Fe17(B)亞穩(wěn)相，并在后續(xù)較大冷卻速度作用下保存下來；合金液相過熱，遇冷發(fā)生亞穩(wěn)結(jié)晶過程，包晶反應(yīng)的化學(xué)成分范圍擴(kuò)大，即γ-Fe初次晶的成分區(qū)域變寬，γ-Fe初次晶更容易形成，在后續(xù)冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe。

圖4 球化后粉末表面和橫截面的SEM像

圖5 等離子體球化處理前后粉末XRD譜

圖6所示為等離子體球化前后粉末的元素分布，從圖6(b)、(c)中可以看出：Nd、Fe元素密集分布在氫化釹鐵硼原料粉末顆粒上，且分布均勻，不存在明顯偏析。圖6(d)所示為球化處理后粉末單顆粒SEM像從圖6(e)、(f)中可以看出：在球形釹鐵硼粉末顆粒的近表面區(qū)域出現(xiàn)Nd元素聚集和Fe元素缺失，表現(xiàn)出輕微的元素偏析。這主要是由于氫化釹鐵硼粉末經(jīng)等離子體高溫區(qū)迅速吸熱至表面或整體熔融形成液滴，在飛離等離子體高溫區(qū)后，在極大冷卻速度下非平衡凝固，而液滴近表面區(qū)域的溫度梯度較其內(nèi)部大很多，導(dǎo)致近表面局部區(qū)域的元素來不及擴(kuò)散均勻便已凝結(jié)成球形顆粒。

2.3 載氣流量對等離子體球化效果的影響

工藝參數(shù)的合理設(shè)定，在射頻等離子體球化處理的過程中極為重要。在其它參數(shù)一定的情況下，不同的載氣流量對釹鐵硼粉末球化效果的影響不同。圖7所示為采用不同的載氣流量時球化處理后粉末SEM像，由圖7可以看出，隨載氣流量不斷增加，射頻等離子體處理后的粉末球化率呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)載氣流量為1.0 L/min，釹鐵硼粉的球化率高達(dá) 99%，接近完全球化，當(dāng)載氣流量大于到3.5 L/min時，球化后很多粉末顆粒呈橢球形或仍保持原料粉末的不規(guī)則形狀特征。

為了研究載氣流量對等離子體球化過程的影響，以自主開發(fā)的射頻等離子體炬作為研究對象，根據(jù)其特征尺寸在GAMBIT中進(jìn)行幾何建模，導(dǎo)入商用CFD軟件包Fluent中，并進(jìn)行二次開發(fā)，通過UDF添加自定義標(biāo)量，借以研究載氣流量對等離子體炬內(nèi)溫度場的影響。將等離子體作為磁流體(MHD)處理，且等離子體炬為純氬氣的等離子體。數(shù)值模擬過程中，整個等離子體炬內(nèi)包含流場、溫度場和電磁場3部分，由質(zhì)量連續(xù)方程、動量守恒方程、能量守恒方程和Maxwell電磁場方程組共同控制。預(yù)先假設(shè)等離子體為光學(xué)薄、不可壓縮流體；等離子體處于局部熱力學(xué)平衡(LTE)狀態(tài)，即認(rèn)為等離子體微區(qū)中各組分粒子無溫度差異；等離子體發(fā)生器為軸對稱結(jié)構(gòu)；在燈炬內(nèi)等離子體做定常、湍流運(yùn)動；忽略能量方程中粘性耗散功和壓力功，加入焦耳熱項(xiàng)；忽略Maxwell電磁場方程組中的位移電流項(xiàng)。采用FLUENT中雙精度、基于壓力的分離式求解器，選擇標(biāo)準(zhǔn)的-湍流模型。為了更為方便、準(zhǔn)確的獲得模擬結(jié)果，先后采用一階迎風(fēng)格式和二階迎風(fēng)格式對控制方程進(jìn)行離散，并選擇壓力與速度耦合的SIMPLE算法進(jìn)行迭代計算，壓力、動量、能量、、松弛因子分別取0.3，0.8，0.5，0.5，0.5，采用亞松弛控制。保持工作氣流量25 L/min，邊氣流量80 L/min不變，考察載氣氣流量對等離子體炬溫度場的影響，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，等離子體區(qū)的最高溫度因載氣流量的加大而有所減小，并且載氣流量的增大，會將等離子體炬吹離中心約束管，等離子體高溫區(qū)會被“吹散”，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時，當(dāng)載氣流量足夠大時就會出現(xiàn)滅弧的現(xiàn)象。

圖6 等離子體球化前后粉末面元素分布

圖7 不同載氣流量球化處理的粉末SEM像

結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨載氣流量增加，粉末的飛行速度增大，在等離子體高溫區(qū)的停留時間縮短；同時，等離子體炬最高溫度降低，中心高溫區(qū)體積有一定程度收縮。這就使得一些大顆粒原料粉末在等離子體區(qū)域吸收的能量不足以使其充分熔化和球化，顆粒在冷卻后呈橢球形或仍保持不規(guī)則形狀，致使粉末的球化率降低。因此，在其它工藝參數(shù)一定的條件下，合理選擇載氣流量是射頻等離子體制備高球化率粉末的重要條件。

圖8 不同載氣流量的等離子體炬溫度場

3 結(jié)論

1) 以氫化釹鐵硼粉末為原料，經(jīng)射頻等離子體球化處理可制備球形度高、分散性良好的球形粉末，粉末平均粒徑變化較小，粒度分布明顯變窄。

2) 經(jīng)射頻等離子體球化處理制備的球形粉末主要為Nd2Fe17(B)和α-Fe相，在球形顆粒近表面區(qū)域有輕微元素偏析。

3) 載氣流量是球化處理過程中的一個重要影響因素。在其它工藝參數(shù)一定的條件下，隨著載氣流量的增加，粉末的球化率下降。

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(編輯 高海燕)

Spheroidization of hydrogenated Nd-Fe-B powder by RF induction plasma

MAO Ruiqi, HAO Junjie, GUO Zhimeng, SHU Jinfeng, WANG Jianjun

(Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Spherical powders were prepared by radio frequency (RF) plasma with irregular hydrogenated Nd-Fe-B powders. The morphology, elemental distribution, phase composition and particle size distribution of the powders before and after spheroidization were characterized by scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD), and laser micron sizer (LMS). The results show that dehydrogenation decomposition and spheroidization processing of the irregular hydrogenated Nd-Fe-B powders can be finished with one step in the plasma. Powders after plasma processing have good spherical shape and dispersity, and their spheroidization ratio is almost 100%. The particle size distribution becomes narrow after spheroidizing, and the average size decreases slightly. The spherical powders consist of Nd2Fe17(B) and α-Fe phases. The analysis of element distribution by EDS indicates that slight element segregation exists on the cross section of powders after plasma processing. The spheroidization ratio gradually decreases with increasing the carrier gas flow rate. Results of numerical simulation through FLUENT software show that change of carrier gas flow rate has a great influence on the temperature field of plasma torch.

radio frequency plasma; hydrogenated Nd-Fe-B; spheroidization; numerical simulation

TF123

A

1673?0224(2016)03?475?07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51274039)；國家教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20120006110007)

2015?07?02；

2015?09?12

郝俊杰，教授，博士。電話：010-82371528；E-mail: haojunjie@ustb.edu.cn