综述：金属粉末雾化：文献综述与实验对比

《Powder Technology》：Metal powder atomization: A literature review and experimental comparison

　　卢卡斯·M·埃里希 | 洛根·D·温斯顿 | 丹尼尔·奥罗佩萨
美国加州大学圣塔芭芭拉分校材料系，加利福尼亚州93106

**摘要**
粉末冶金领域严重依赖于金属粉末的雾化过程，以商业生产适合后续加工的粉末。在粉末生产技术中，雾化技术因其可扩展性和高质量而独树一帜。该过程涉及利用辅助流体或机械力将液态金属破碎成液滴，这些液滴随后凝固形成粉末。然而，这种过程的机制非常复杂，每种雾化技术都有其独特的原理，并未完全被理解。本文首先介绍了主要的雾化技术（水雾化、气体雾化、等离子体雾化、离心雾化和超声雾化），描述了每种技术的原理、发展历程、相关数学公式、行业标准、当前的能力和限制，以及未来展望。通过文献综述，我们对当前的雾化技术有了全面的了解。此外，由于直接比较不同雾化技术制备的粉末的案例较少，本文还提供了原创的实验研究。本文以常用的粉末冶金合金316L不锈钢和Ti-6Al-4V为例，研究了它们通过四种不同雾化技术制备后的粉末特性。通过显微镜观察和ASTM流变学标准，分析了粉末的粒径、形态和流变性质，揭示了这些性质与雾化过程原理之间的关系。文章最后对粉末冶金和增材制造领域进行了总体展望，指出了存在的问题（尤其是行业与学术界之间的脱节），并提出了加强合作以推进雾化技术和基础研究的建议。

**1. 引言**
1.1. 粉末冶金行业中的雾化技术
数十年来，雾化一直是金属粉末生产的主要方法。这种粉末原料对于通过粉末冶金制造零件至关重要，该市场每年生产超过150万吨金属粉末产品[1]。20世纪初，W.D. Coolidge开发了一种从粉末前体制造灯泡灯丝用延展性钨丝的工艺，从而推动了粉末冶金技术的发展[2][3]。此后，粉末冶金零件开始得到广泛应用，对高质量粉末的需求促进了雾化技术的发展。雾化金属原料对现代制造业至关重要：由雾化粉末制成的零件广泛应用于各行各业，从家用电器到大型机械，甚至航空航天和汽车领域；典型皮卡车的重量中有60-95磅（27-43公斤）来自粉末冶金工艺[4]。

许多零件是通过传统的压制-烧结粉末冶金方法制造的，但新兴的基于粉末的增材制造（AM）技术也开始得到广泛应用。传统粉末冶金和新兴AM技术相比金属铸造技术具有优势，如接近最终形状的制造能力、减少浪费和机械加工的需求，以及能够实现复杂几何形状的能力。2019年，传统粉末冶金方法占粉末消耗总量的93%[4]。然而，这些优势只有在金属处于适当特性的粉末形式时才能充分发挥。并非所有粉末的质量都相同；粉末原料的质量和特性直接影响加工性能、材料性能以及零件在特定应用中的表现。然而，选择合适的粉末生产技术往往被忽视。

粉末生产方法大致可以分为物理方法和化学方法[5]。物理方法利用外力将金属破碎成粉末，而化学方法则通过化学反应将矿物或非金属化合物转化为纯金属形态。这些方法主要包括六种技术：球磨（粉碎）、雾化、造粒、化学反应、氧化还原和电解法（图1）。不过，这一列表并不全面，因为还有其他新的物理方法（如非热加工）和化学方法（如金属热还原）正在不断发展[6][7]。尽管这些主要技术还细分为更多子技术（其中一些主要用于陶瓷等非金属材料），但雾化仍是金属粉末生产的核心技术，也是本文的重点讨论对象。

**图1. 粉末生产方法的层次结构图，突出了五种主要的雾化技术**。一种常见的分类方式是将粉末生产方法分为物理方法和化学方法，雾化技术属于物理方法类别。需要注意的是，还存在其他物理和化学方法的粉末生产方法（如带有省略号的框所示）。在本文中，我们将深入探讨雾化技术，并将其细化为更详细的子技术。

雾化是将液态金属破碎成液滴的过程[1]。该术语与化学和制药领域的“雾化”含义相同，有时也用于描述较大颗粒的形成过程（通常定义为大于150微米）。需要注意的是，“造粒”是一种将细粉通过团聚作用合成为较大颗粒的独立技术[9]。在金属粉末生产中，熔融金属液滴在雾化过程中形成，并凝固为粉末颗粒[1]。根据不同的破碎介质或驱动力，雾化方法可分为五类：水雾化、气体雾化、等离子体雾化、离心雾化和超声雾化。本文将详细探讨每种技术。

雾化的优势在于其卓越的粉末质量和出色的可扩展性[1]。在雾化技术早期（约20世纪40年代），加工细节和设备规格受到专利保护，大规模应用直到第二次世界大战后才得以实现[10]。20世纪70年代初，美国和加拿大的雾化铁粉产量超过了化学还原铁粉，标志着金属粉末生产历史的一个转折点[11]。到1980年，雾化技术占北美金属粉末产量的60%以上，2015年产量估计达到200万吨，并持续增长[8]。虽然其他粉末生产技术可以调节颗粒尺寸等参数，但雾化技术独特地结合了高质量（如颗粒形状）、可扩展性（多吨级生产）以及生产具有可调尺寸、形态和理想成分及微观结构的粉末的能力[1]。

雾化对粉末冶金行业和冶金界的影响不可低估。1983年，粉末冶金先驱尼古拉斯·格兰特称，在雾化技术发展之前，合金化领域“多年处于停滞状态”，而雾化技术的出现“再次开启了合金开发的新篇章”[12]。这一转变使雾化成为主导的粉末生产方法，促进了当今多样化的应用。

**1.2. 关于金属粉末雾化的先前文献综述**
此前，粉末冶金领域的权威学者如沃特金森（Watkinson）、古梅森（Gummeson）、迪克森（Dixon）、贝多（Beddow）、劳利（Lawley）、尤尔（Yule）和邓克利（Dunkley）等人发表了众多关于雾化的综合性研究[10][11][13][14][15][16]（见表1）。他们的研究详细介绍了各种雾化技术。然而，这些综述发表于增材制造还处于概念阶段或初期，缺乏与现代生产工艺的联系。此外，这些研究主要集中在当时商业化程度较高的技术上，尤其是水雾化和气体雾化。此后，等离子体雾化和离心雾化等较少应用的技术得到了工业发展，超声雾化技术也取得了研究进展。随着粉末冶金技术的持续发展和增材制造的兴起，人们开始重新系统地研究雾化技术，包括以前不受欢迎或技术不成熟的技术。

**表1. 以往关于金属粉末雾化的研究文章和书籍列表，包括作者、发表年份及研究的雾化技术、参数和条件**
这些综述在先前工作的基础上，加入了工业进展和技术更新的内容。

**结论**
本文基于现有研究，总结了雾化技术的现状和发展趋势。未来需要加强行业与学术界的合作，以深化对雾化技术和基础原理的理解，推动相关领域的发展。其次，我们提供了原创的实验数据，比较了316L不锈钢（SS）和Ti-6Al-4V合金，这两种材料在粉末冶金（PM）和粉末成形（AM）工业中都非常普遍。这两种合金均通过四种不同的雾化技术生产，并且经过处理或筛选以达到相似的粒径范围。通过这种方式，我们直接比较了这两种合金在多种技术下的性能，这比以往的研究更为全面。同时，我们涵盖了水雾化、传统的基于盘式的离心雾化（尽管在综述中较少见，但在PM工业中同样普遍）以及新型的超声雾化技术。通过对颗粒特性的定量和定性分析，我们提供了关于雾化技术的新的见解，这些见解在以往的文献中尚未出现。综合性的文献回顾和实验比较为业界提供了关于金属粉末雾化技术的最新知识和当前挑战的概述。

本文的其余部分组织如下：第一节的其余部分提供了关于粉末合成、表征和应用的额外背景信息，以便将雾化技术放在更广泛的PM背景下进行讨论。第二节介绍了所有雾化技术的共同基本原理，包括液滴破碎机制、凝固行为和颗粒形成。第三节到第八节分别详细介绍了五种主要的雾化技术：水雾化、气体雾化、等离子体雾化、离心雾化和超声雾化，涵盖了工艺机理、历史发展、数学描述、仪器配置、工业实践和粉末特性。第九节简要介绍了其他（非主流）的雾化方法。第十节阐述了我们的实验方法和316L不锈钢与Ti-6Al-4V粉末的对比表征结果。最后，第十一节讨论了雾化技术的发展前景，并指出了未来研究和合作的机遇。

1.3 粉末生产和表征的背景
1.3.1 不同生产方法产生的粒径范围
不同的粉末生产方法会产生不同的粒径范围和形状。尽管粉末的定义存在争议，但它通常被描述为直径小于1毫米的颗粒[19]。化学方法通常生产最细的粉末（<10微米），主要集中在亚微米范围内。相比之下，机械方法如雾化、碾磨/粉碎往往产生较大的粉末（1-1000微米），尤其是雾化方法具有较宽的粒径可调范围（见图2）。这种尺寸的多样性，加上第一节中描述的其他优点，使得雾化成为一种强大的金属材料生产方法。由于粒径范围（即平均值、全范围）的定义不同，以及颗粒表征和定义上的差异，直接比较通常比较困难。因此，图2展示了每种生产方法的粒径范围的大致范围。

即使生产方法产生的粉末在化学上是等效的，合成方法的选择也会直接影响其物理性质，如流变性和形态[18]。在雾化技术中，特定子技术（例如水雾化与气体雾化）的机制会显著影响这些性质。此外，即使在同一子技术内部，粉末性质也严重依赖于具体的加工条件[18]。这种敏感性强调了Beddow的观点，即性质一致性是“粉末制造的黄金标准”[13]。虽然每种雾化子技术都有由其物理原理决定的特征粒径范围，但仍然可以通过调整加工参数来调整粒径。例如，气体雾化通常产生的颗粒比离心雾化更细，而结合多种技术强化破碎效果的混合雾化技术通常能获得最小的颗粒尺寸（见图3）。然而，不同技术之间存在重叠，每种技术都有基于不同液滴形成和凝固物理原理的固有局限性。

1.3.2 应用特定的要求
粉末在特定应用中的最终加工性能很大程度上取决于其粒径和形状。每种加工技术都依赖于只在特定粒径范围内才能最佳运行的物理机制。偏离这些范围可能会导致成品质量下降，同时浪费材料、能源和经济资源。因此，粉末在生产后通常会通过筛分等方式进行分级，以满足应用特定的粒径要求，尽管也可以使用风选。美国材料与试验协会（ASTM）制定的粒径规格通常使用美国替代筛分标识（ASTM E11–24）来表示，该标识对应于单位长度网眼的数量[36]。这个筛网编号（即目数）与网眼的大小或标准筛分标识成反比，从而决定了能够通过的最大颗粒尺寸/直径。这个标准化系统有助于粉末冶金领域的标准化沟通。ASTM E11–24测试筛分标识的总结见补充表17[36]。

图4总结了主要PM和AM应用的粒径要求。传统的压锻烧结 PM使用广泛的粒径范围，包括相对粗糙和细小的粉末，通常会利用所有低于指定上限（例如-100目或<150微米）的粉末[37]。传统的压锻烧结是指先将零件压制成型，然后在无压力条件下进行烧结的两步过程。而锻造PM则将压制和烧结结合为一步，或者需要对未成型的粉末进行大量的机械加工（例如热压、热挤压、热等静压、等温锻造等）。锻造PM使用的粒径范围类似，但可以延伸到超过200微米[38]。各种焊接膏中使用的粉末粒径大约在2-150微米之间[39]，而用于高温 brazing 和电弧焊的粉末则更大。等离子喷涂和火焰喷涂（属于热喷涂技术）的粒径范围也较宽[40]。相比之下，较新的方法主要要求更细小、更可控的粒径范围。金属注射成型（MIM）通常使用约0.5至20微米的粉末，有时会混合稍粗的粉末以创建多模态分布并调整致密度[41]。基于烧结的AM技术如粘结剂喷射（BJ）通常需要0.5-45微米的粉末，但这个范围并不绝对，因为也可以使用相对较粗的粉末或纳米粉末[42, 43]；而材料喷射（MJ）则使用小于1微米的颗粒[44]。基于熔融的AM技术需要定义明确、相对均匀的粉末分布，既包括下限也包括上限：激光粉末床熔融（L-PBF）大约使用15-45微米的粉末，电子束PBF（EB-PBF）大约使用45-106微米的粉末，定向能量沉积（DED）使用的范围与EB-PBF相似，上限接近150微米[45, 46]。冷喷涂的原料粒径通常在10至100微米之间[47]。除了粒径之外，粉末的形态要求也因应用而异。AM技术通常受益于球形粉末，因为它们具有更好的流动性/可铺展性和层均匀性[48]。相反，传统的压锻烧结PM则受益于不规则或角状的粉末，因为它们在压实过程中能够提供更好的机械互锁，从而提高“绿色”（即压制后）强度[13]。雾化技术不仅能够生产适用于所有这些加工应用的粉末粒径，而且通过其子技术还可以调整颗粒形态，以确保最佳性能，因此对这些参数的准确表征和描述至关重要。

1.3.3 颗粒表征方法
粉末表征与雾化过程本身一样多样且重要。虽然粒径是PM中的一个重要指标，但由于测量方法和测量细节报告不足，所得结果可能存在差异[29]。随着粉末形态变得更加不规则，可能需要更多的尺寸参数来充分描述单个颗粒。粉末粒径通常根据颗粒的几何尺寸（如投影面积、体积或表面积）进行分类[5]。基于沉降或惯性分离等测量技术的行为等效直径也存在[49]。非量纲描述符包括宽高比、圆度、对称性和凸度[1]。这些简化表示方法之所以普遍，是因为许多技术无法直接测量体积数据，减少参数集有助于数据交流。

1.3.4 表征技术的总结
分析表征技术在测量原理、能力和局限性方面存在差异，即使测量的是相同的粉末，也可能导致数值上的变化。一个主要限制是分辨率，即能够可靠检测到的最小颗粒尺寸。显微镜是唯一能够直接观察单个颗粒的技术[49]，输出基于数量的计数数据。传统光学显微镜可以评估广泛的粒径范围，但在大约1微米以下会变得不准确，并且由于可见光衍射和物镜能力的限制，其理论分辨率接近0.2微米[49]。扫描电子显微镜提供了更高的分辨率，尽管大多数自动化的显微镜系统仍然使用光学成像。这两种技术在处理聚集颗粒时都会遇到困难。筛选（筛分）通过机械方式分离颗粒，并可以通过振动能量来减少聚集问题，尤其是对于较粗的颗粒。然而，筛子的制造限制了其表征能力：标准的筛孔尺寸最大只有635号（20微米）[36]。虽然可以电铸更细的定制筛网（<5微米），但细颗粒往往会附着在这些筛网上。此外，制造公差限制了标准筛孔在不同实验室间的重复性[29]，而且筛分只能部分控制颗粒尺寸，因为椭圆形颗粒可以沿着有利的方向通过筛孔[13]。筛分的主要优点是它同时具有表征和物理分离特定尺寸颗粒的能力。

重力和离心沉降可以依据颗粒在粘性流体中的沉降速度来确定颗粒尺寸，此时假设颗粒为球形并处于终端速度[29]。这些方法在处理小颗粒时会遇到热梯度和布朗运动带来的挑战，不过这些问题可以通过控制环境和使用离心加速度来部分缓解[29]。不规则或多孔颗粒以及颗粒的潜在分离也会增加复杂性[49]。

衍射（例如激光衍射）和光散射技术通过测量光传输的扰动来测定颗粒尺寸。它们的优点包括能够同时测量宽范围的颗粒尺寸、处理速度快、适用于多种介质（液体、喷雾、粉末）以及具有高精度[49]。然而，基于液体的系统存在材料兼容性问题，并且气泡可能会产生错误的测量结果[29]。各种子技术针对这些局限性提供了不同的解决方案，适用于不同的材料和尺寸范围。与衍射不同，光阻挡技术也利用流动的颗粒，但通过光电探测器中断来测定颗粒尺寸[29]。这些技术假设颗粒具有圆形等效面积（CE），并且在光学系统成像移动平台上的2D投影时与显微镜方法有所重叠。

电区传感（库尔特计数）通过测量悬浮在电解质中的颗粒置换液体时产生的电阻变化来测定颗粒尺寸[49]。这种方法自然可以提供体积数据，同时也能计算颗粒数量。局限性包括高浓度（可能遮挡计数或堵塞孔隙）以及多孔或形状非常不规则的颗粒可能导致的误差[49][49]。由于这些原因，该技术通常不适用于高密度材料（如耐火材料），因为它们会迅速沉降且流动性差[29]。

X射线技术利用不同的原理来确定颗粒尺寸。线宽分析（LBA）通过谢勒方程将峰宽与纳米晶粒尺寸联系起来，但这种关系仅适用于纳米尺度[50]。值得注意的是，单个颗粒通常包含多个晶粒（多晶结构），这不同于颗粒本身的尺寸[51]。残余应变可能会影响结果，但可以通过适当的校准来管理[29]。小角X射线散射（SAXS）通过低角度散射图案来测定颗粒尺寸，将散射与颗粒体积相关联[50]。SAXS适用于非常细的颗粒，但有时需要知道颗粒的具体形状[29]。X射线计算机断层扫描（CT）能够提供颗粒尺寸和形状的完整3D图像。

图6总结了各种表征技术的能力和尺寸范围限制。基于波长的原因，基于光的方法的分辨率低于X射线或电子方法，这影响了不同技术之间以及不同出版物之间结果的比较[1]。虽然像筛分这样的粗略方法放弃了分辨率，但它们能够快速分析统计上显著的样品量。关键的是，不恰当或不足的采样会破坏任何技术的结果。无论测量多么复杂，非代表性的采样都会导致不准确的表征。工业界通过在表征代表多公斤批次的小样本时采用严格的采样协议来解决这一挑战。标准定义了一致的样品采集程序，通过混合、搅拌、样品数量、样品位置和方法、样品尺寸乃至特定设备的规范来确保数据的代表性[52]。这些指南促进了粉末制造领域的批次一致性和样品均匀性。

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图6. 颗粒尺寸分析技术及其能够测量的粉末尺寸范围的一般界限[29]。该图显示了可见光技术的物理分辨率约为0.2微米，X射线、激光和电子技术的分辨率更高，而线网/筛子的尺寸范围更广。因此，粉末的类型（例如纳米粉末与粗颗粒）将决定哪种技术最适合进行正确的尺寸和形态表征。

1.3.5. 粉末流动性和堆积行为
粉末的流动性和扩散性对许多粉末制造（PM）和增材制造（AM）应用至关重要，它们与多种粉末特性相关。虽然难以归因于单一参数，但流动性通常取决于颗粒的球形度、尺寸、含水量以及颗粒间的相互作用力[18]。这些因素共同影响粉末的整体性能，如堆积效率和流动行为[1]。标准的流动性表征方法包括霍尔流或卡尼流、表观密度和敲击密度测试。单一分散的球形粉末可以达到高达74%的堆积密度。更宽的颗粒尺寸分布有时会改善堆积效果，因为较小的颗粒可以填充间隙[1]。然而，这些较小的颗粒也会增加摩擦，从而导致堆积密度与流动性之间的反比关系。斯特劳斯和邓克利指出，即使在平均尺寸相同的情况下，窄分布（例如最大/最小颗粒尺寸比为1.5:1）也比宽分布（例如10:1）具有更好的流动性，其中单一分散的粉末具有最佳的流动性[1]。颗粒尺寸也会显著影响流动行为。即使是单一分散的细粉末也无法克服颗粒间的摩擦和静电作用。例如，金属粉末（<20微米）即使分布均匀，也常常表现出较差的流动特性，如较长的霍尔流时间。随着颗粒尺寸的减小，表面能效应变得越来越重要。吸附的水分会导致<100微米的粉末严重聚集，而亚微米颗粒即使在干燥状态下也会自发聚集[29]。这里描述的表征方法和粉末行为原理有助于系统地比较各种雾化技术。了解如何测量和解释颗粒尺寸、形态和流动特性为将雾化处理条件与粉末特性以及最终在特定PM和AM应用中的性能联系起来提供了基础。以下部分将探讨雾化及其子技术如何控制这些关键粉末特性。

2. 雾化方法综述
2.1. 雾化原理简介和概述
雾化，顾名思义，是在不使液体汽化的情况下实现“最细小的颗粒状态”[53]。早期的定义侧重于用气体或液体将熔融金属流分解或分散成颗粒，但这一描述仅适用于“两流体”技术，并突显了该技术在20世纪70年代相对于其他成熟技术的早期发展[11]。现代雾化涵盖了更广泛的机制，具体内容将在后续章节中详细说明。所有雾化方法都包括四个基本阶段：熔化、雾化（液体破碎）、固化和收集[14]。在雾化阶段，液体被转化为离散的液滴，大大增加了表面积。这种表面积的增加需要能量输入，这些能量必须来自雾化机制，无论是通过高速喷射、机械力还是其他方式[1]。液体通常会通过形成球形来最小化其表面能，但实际上许多因素会妨碍这一理想结果。液体的性质显著影响雾化行为和最终的颗粒尺寸。低表面张力通过减少液滴破碎所需的能量来促进雾化，而高粘度则会阻碍雾化并倾向于产生较大的颗粒。表面张力和粘度通常随温度降低而减小，这使得熔体过热（温度超过熔点）有助于实现更细小的颗粒。通过特定机制的参数（如离心雾化中的更高旋转速度或超声波雾化中的更高频率）可以增加雾化所需的能量，从而产生更小的粉末，但代价是更大的能耗[1]。

几种方法可以促进颗粒呈现球形。最常见的是限制氧气（O）含量，以防止过早形成氧化层，从而避免不规则的形状。其他有益因素包括增加熔体过热、保持化学纯度和减少表面活性元素的吸附，这会暂时增加熔融液滴的比表面积并促进球形化[1][10][54]。降低热扩散率也可以通过减缓颗粒冷却来延长球形化时间[54]。关于固化过程对球形度的影响，文献中仍有争议[10]。一些资料认为，具有宽液相线-固相线范围的合金由于其较长的固化时间而有助于球形化[1]。然而，也有观点认为窄熔化范围更优，可能是因为宽“糊状”区域中的固液混合物粘度增加，阻碍了球形化，类似于这种区域限制了复杂几何形状零件的可铸性[13]。这种矛盾突显了控制最终颗粒形状的多种因素之间的复杂相互作用。在极端冷却条件下，粉末会在球形化之前就凝固，从而产生不规则的颗粒[1]。例如，水雾化结合了高速淬火和高氧气含量，通常会产生高度不规则的颗粒，除非它们足够小，在凝固前就能因表面张力的作用而形成球形[1]。这些形态学考虑因素可能会限制某些雾化方法在特定应用中的适用性，而其他技术（如空气雾化）由于产生的颗粒形状不规则和性能不佳而不再受欢迎[20]。

2.1.2. 球形化建模
预测球形颗粒的形成基本上是两个时间尺度的竞争：固化所需的时间（tsol）与球形化所需的时间（tsph）。劳利在关于液滴动力学的附录中概述了这些时间尺度，它们是决定最终颗粒形状的关键[14]。尼奇波连科和奈达开发了数学方程来描述颗粒从过热液体冷却到其熔点液体的冷却时间（tc）以及气体雾化过程中的球形化时间（tsph）[55]。后来约翰斯通通过加入熔化潜热项来修改了tc，以考虑颗粒从过热液体冷却到熔点固体所需的额外时间，从而将tsol与tsph进行比较[56]。他们清晰地展示了这两个结果[55][56]：
$$
(3) tsol = \frac{dm,50}{\rho_l 6hcC_p mlnT_i - T_g} \quad (4)
tsph = \frac{3\pi^2 \mu_l V \sigma_l R^4}{4 - r^4}
$$
其中 $dm,50$ 是颗粒的质量中位数直径，$\rho_l$ 是熔融金属的密度，$hc$ 是对流热传递系数，$C_p,m$ 是金属的比热容，$T_i$ 是颗粒的初始温度，$T_g$ 是金属的熔点，$\Delta H_m$ 是金属的熔化潜热，$\mu_l$ 是金属的粘度，$V$ 是颗粒的体积，$\sigma_l$ 是金属的表面张力，$R$ 是球形化后的颗粒半径，$r$ 是球形化前的颗粒半径。对流热传递系数（hc）定义为：
$$
hc = \frac{k_g dm,50}{2.0 + 0.6 Re^0.5 Pr^0.33}
$$
其中 $k_g$ 是气体的热导率，$Re$ 是颗粒的雷诺数，$Pr$ 是气体的普朗特数[55][56]。尽管这些公式是为气体雾化开发的，但它们适用于所有主要的雾化过程，因为熔融金属颗粒在破碎后都会穿过气体介质，无论主要的雾化机制是什么。劳利还指出，他的模型预测的球形化时间与这些简化公式并没有显著差异[14]。球形颗粒形成的关键条件是 $tsph < tsol$。这解释了常见的现象，即在雾化过程中较大颗粒往往更球形；它们具有更大的热质量，冷却速度更慢，因此有更多的时间进行球形化[59]。

除了特定过程的建模外，基于材料属性的一般相关性也可以预测球形化趋势。菲什曼、西拉耶夫和瓦洛夫利用金属熔体的物理性质开发了一个无量纲参数 ω 来表征球形化能力[6]：
$$
\Omega = \gamma_l V_a \epsilon
$$
其中包含表面能 γl、原子体积（V_a）和热扩散率（ε），并以镍（Ni）的值为基准（设为100%[54]）。通过比较 γlV_a 与 1/ε，他们成功地将元素分为两类：倾向于球形形态的元素和倾向于不规则形状的元素[54]。这些相关性提供了独立于特定雾化技术或加工变量的通用指导，但实际的球形化仍取决于加工条件。

2.1.3. 固化效应和微观结构
雾化过程中的快速固化会产生独特的微观结构特征，并影响机械性能。高冷却速率可以细化微观结构和晶粒尺寸，抑制位错移动等塑性变形机制[20]。冷却速率还影响元素偏析，快速固化通常可以减少偏析程度。然而，格兰特指出，“我们仍然没有充分理解逐渐消除偏析所带来的好处”[12]，这突显了固化现象的复杂性。无论怎样，原雾化粉末的微观结构在大多数应用中的实际意义有限。二次加工，如烧结或基于熔体的增材制造（AM），会大幅修改或完全消除初始的粉末微观结构。只有大约1-3%的雾化粉末是因其原始产生的微观结构而被专门使用的[8]。尽管如此，微观结构特征可以揭示关于雾化过程和科学现象的重要细节，例如冷却速率和凝固行为，即使这些细节与最终零件的性能没有直接关系，它们对于过程表征和科学研究仍然是有价值的。

2.2. 雾化机制的分类
如1.1节所述，雾化技术可以分为五大类：水雾化、气体雾化、等离子雾化、离心雾化和超声波雾化。每一类的命名都来源于导致液体破碎的介质或驱动力。还存在其他技术，通常是主要类别的组合或代表较少见的方法，但这五种技术涵盖了主要的和独特的雾化方法。这些雾化技术可以根据破碎机制的类型进行大致分类：通过二次流体撞击（水雾化、气体雾化、等离子雾化）或通过机械力作用（离心雾化、超声波雾化）[1]。雾化技术的选择通常决定了所需的原料形式和熔化方法。常见的熔化方法包括等离子弧熔化、真空感应熔化、直接等离子加热和感应滴熔化[20]。熔化方法与雾化技术之间的这种结合影响了设备设计、操作复杂性和经济性考虑。以下将详细讨论每种技术的操作原理、设备配置和粉末特性：3. 水雾化，4. 气体雾化，5. 等离子雾化，6. 离心雾化，7. 超声波雾化，并在第8节简要介绍较少见的方法。后续章节将组织内容，涵盖：（1）基本机制，（2）历史背景和工业应用，（3）工艺参数及其对粉末特性的影响，（4）行业实践和设备设计，（5）当前能力和局限性，以及（6）每种技术的未来展望和考虑因素。

3. 水雾化
3.1. 雾化原理
水雾化是两种流体雾化技术的一个子集，在这种技术中，一种流体（通常是水，但也可以使用油或气体）雾化另一种流体，在这种情况下是熔融金属。在这个过程中，加压水喷射将熔融金属流破碎，然后在 falling 过程中凝固并被收集在水浴中[31]。该过程包括熔化金属，将其倒入保温炉，通过底部孔口流出，使其自由落体一定距离，然后用水射流撞击。图7展示了这一过程的示意图，包括水雾化器的主要组件以及一个商业系统的对比照片[60]。

图7. (a) 基于[14]、[32]的水雾化过程概念示意图。(b) 商业水雾化系统的照片，图片来源：Madhuchitt Industries [60]。
水雾化涉及通过水射流的冲击将熔融金属流破碎成离散的液滴。这些离散的熔融液滴随后凝固（通常在完全球形化之前）并被收集起来，用于后续的干燥、筛分、后处理和分配。水雾化的基本机制之一是由Grandzol和Tallmadge提出的动量传递，而不是基于剪切的破碎，尽管Brewin、Walker和Nurthen似乎暗示了两者都可能起作用[8]、[61]。当水射流撞击熔融金属流时，它们传递动量，使熔融金属分裂成许多小块。重要的是，水射流本身并不是一个完全连贯的流，而是在撞击金属时形成的一组液滴，这是该过程中一个常被误解的方面[13]。此外，当这些水滴接触到熔融金属时，通常会变成蒸汽，只有少数保持液态[8]。由于水比气体更能保持动能，因此不需要封闭或限定的喷嘴系统，但仍应避免不必要的碰撞，因为它们会降低工艺效率[8]、[16]。由于水具有较高的热传递系数，熔融金属液滴会迅速冻结，往往在完全球形化之前就已经发生。这种快速冷却产生了特征性的不规则粉末。尽管具有这种非球形形态，这些颗粒在许多粉末冶金应用中得到了广泛使用，因为角度形状在压实过程中提供了有益的互锁效果。因此，水雾化已成为全球大部分金属粉末的来源[1]、[31]。

水雾化采用了多种喷嘴配置，这些配置多年来不断发展，成为该过程中的主要控制变量。两种主要类型是环形（同心）和V型射流（离散）喷嘴，如图8所示。这两种配置都可以适应金属流横截面的变化（虽然圆形截面的圆形保温炉孔口是标准的，但也可以使用矩形或其他几何形状），进一步影响最终的粒径分布（PSD）[62]。然而，一个重要参数是喷射角（α），这里定义为水射流与流动金属流轴线之间的角度。喷流顶角，即喷流本身之间的角度（2α），也经常被使用。这些参数影响实际通过垂直速度分量（V⊥）传递到破碎过程中的动量，而不是较不重要的平行速度（V‖）[63]。对于图8b中的平射流，使用扇形喷射角（θ）来描述水在喷嘴孔口处的扩散角度[61]、[64]。最后，通过旋转喷流围绕其自身轴线也可以改变平射流角（φ），或者说是平射流与金属流之间的角度[11]。从这些喷嘴喷出的水流还会产生一种“吸力”或真空效应，有助于将金属流加速进入喷流的顶点[8]。这将进一步加剧破碎效果。

图8. 两种主要类型的水雾化喷嘴的示意图，包括 (a) 环形（同心）和 (b) V型射流（离散）配置，基于[8]、[13]、[61]、[63]、[65]。在环形配置中，水射流同心包围熔融金属流；而在V型射流配置中，离散的射流朝向熔融金属流。两种配置的一个主要参数是喷射角（α），即水射流与流动金属流轴线之间的角度，这会影响产生的粉末的中值粒径。

在水雾化中，最著名的关系是水压力与粉末粒径之间的反比关系。通过改变水压力，雾化器可以生产出直径范围从10微米到100微米（在某些条件下甚至可达毫米）的颗粒[31]、[32]。这种关系会随着喷嘴几何形状的变化而变化。Wang和Latto通过实验发现，流体的湍流也会显著影响颗粒大小，湍流增加会导致颗粒更细小，这是由于多种因素的影响，包括压力和喷嘴到熔融流的距离[66]。这些发现表明，虽然压力和喷嘴几何形状是主要的控制参数，但即使是对次要或更间接变量的微妙改变也会显著影响结果。在水雾化中，液滴的形成通过四种不同的机制发生：刮擦滴落（撞击/ cratering）、飞溅、剥离和爆裂，如图9所示[13]、[14]、[29]。其中，爆裂产生的液滴最小，主要受动量传递控制而非剪切力[29]。然而，其他机制，特别是刮擦滴落和剥离，似乎表明存在基于剪切的破碎。虽然这些机制不能直接控制，但它们的相对可能性可以通过诸如水射流角度和速度等参数来影响[31]。Asgarian和Asgarian等人发现，水滴的个体大小和速度决定了其与金属流的相互作用，并且是工艺参数的函数[65]、[67]。这进一步强调了雾化结果是由多个参数之间的复杂相互作用产生的，而不仅仅是单个变量与颗粒特性之间的简单一一对应关系。

图9. (a) 刮擦滴落（撞击/ cratering）、(b) 飞溅、(c) 剥离和 (d) 爆裂在水雾化过程中的示意图，基于[13]、[14]、[29]。爆裂是一种主要的基于撞击的破碎模型，其中水滴与熔融金属滴碰撞时蒸发并导致其破裂。然而，其他机制，尤其是刮擦滴落（水滴蒸发成内爆的蒸汽包）和剥离（蒸汽导致液滴剥离和脱落），表明也存在基于剪切的破碎。这些过程受雾化参数的影响，并影响最终的颗粒大小，尽管每种机制的相对重要性和复杂性尚未完全理解。

3.2. 历史和概述
尽管水雾化的确切起源尚不清楚，但使用水雾化制备Fe和钢粉末的技术已有近一百年的历史[1]。这项技术（以及广义上的金属雾化）可以追溯到1872年授予英格兰Huddersfield的William Marriott的专利，他发明了一种蒸汽喷射器，用于将铅（Pb）雾化作为制造Pb盐和氧化物的起始粉末原料，这是最早被广泛采用的水基雾化方法之一[14]、[68]、[69]。随后，Vanadium Alloy Steel Co.（Vasco，后来被Teledyne收购并与Allegheny Ludlum Steel Corp.合并，形成了现在的Allegheny Technologies Incorporated，简称ATI）在旋转射流过程中使用旋转水流来破碎熔融金属，根据F.W. Berk Inc.的许可生产钢材[15]。类似现代水雾化过程的发展发生在20世纪50年代初，主要是由美国市场对不锈钢板的需求推动的[15]。Powder Metallurgy Ltd.（英国）被认为是现代水雾化技术的先驱。对该技术成熟至关重要的是大约在1954年授予B.S.A. Co. Ltd.（英国）和H?gan?s（瑞典）的加工高温合金的许可证，H?gan?s从1968年开始向美国市场供应雾化钢[13]、[14]。实际上，所谓的B.S.A.工艺与现代水雾化工艺非常相似，包括：在感应炉中熔化合金，倒入预热坩埚，转移到预热保温炉，并使用环形（圆锥形）射流来破碎熔融金属。它早期就展示了雾化技术的可扩展性，特别是在其大型炉容量方面，最初为1 cwt（即一百磅，相当于112磅或50.8公斤）[15]。后来，在1960年，W.L. Batten和G.A. Roberts作为Vasco的授权人，申请了一种使用多个射流用水或其他合适液体（如碳氢化合物）雾化重力供给的熔融金属流的装置[70]。A.O. Smith Co.在20世纪60年代的工作也为北美主要铁粉末生产商采用水雾化技术做出了重大贡献[5]。随后几十年中，为了满足不断发展的行业需求，水雾化技术不断改进和适应。

与其他雾化方法类似，水雾化也包含多种子技术和配置，如图10所示。其中许多变体适用于所有两种流体技术（参见第4节关于气体雾化的内容）。然而，水雾化通常在自由落体模式下进行，熔融金属在重力作用下落下一定距离后，再被水射流撞击，而不是在紧密耦合的配置中，其中流动液流直接与雾化介质集成[14]。各种类型的射流可以破碎熔融金属流。虽然旋转射流是一种变体[15]，但环形/圆锥形（同心）和V型射流/平射流（离散）类型更为常用。V型射流特别适用于铁基系统以外的材料，尤其是高温合金，因为它们具有相当的的操作/设计灵活性[14]。开放式设计通常使用一组两个射流形成“V”形，可以使用两个水帘或从插件发出的两个分射流来实现[11]。封闭式设计则采用多组射流，通常两组射流（总共四个射流），要么：(1) 创建一个有界的线性交集，将金属限制在由额外一组射流形成的“口袋”内；要么 (2) 通过在明确的位置交汇所有射流来形成金字塔形[15]。除了标准配置外，还出现了高压水雾化变体，以适应更小颗粒尺寸的生产需求[14]。各种设备的可能性使得可以针对特定的材料系统和所需的粉末特性优化操作条件。下载：下载高分辨率图片（185KB）下载：下载全尺寸图片

图10. 水雾化的层次结构图。水雾化可以根据操作模式、喷射类型和子技术进行细分，突出了该过程的多样性。水雾化最常用于铁基金属材料，这些材料有大量的生产数据（例如，参见第3.4节中的表格2[29]中的参数）。然而，这种技术 also 用于处理镍（Ni）、金（Au）、银（Ag）和其他金属[31]。由于其在工业铁基金属生产中的广泛应用及其可扩展性，水雾化经常与另一种主流的两流体方法——气体雾化进行比较。两者最显著的区别在于颗粒形态和氧含量，水雾化产生的颗粒更加不规则且富含氧，而气体雾化产生的颗粒则更接近球形且含氧量较低[1]、[31]。水雾化的冷却速率更高（由于冷却介质的存在），再加上更大的氧吸收量，导致颗粒形状不规则（参见第9.1节中的表格11，其中对比了各种雾化技术）。当熔融金属滴快速凝固时，可能在完全球化之前，这些形状不规则、表面积较大的颗粒对于浸出过程或在热压和烧结过程中的互锁结构非常有益[31]。通过控制在球化之前的凝固过程，甚至可以有意调整颗粒的棱角程度[1]、[31]。然而，需要棱角的应用（如冷压）通常对低氧污染有严格要求，而这正是水雾化的一个挑战[71]。

表2. 水雾化的操作参数范围和数值（括号内给出了AISI 316钢的具体条件），数据来源于[8]、[11]、[14]、[64]、[70]。
- 金属浇注/流速 [kg/min]：4.5–90，最高可达500（19–22）
- 金属流直径 [mm]：9.5–20.6（约6–7）
- 金属温度 [°C]：(1510)
- 金属过热度 [°C]：75–150（约80–140）
- 水流速度 [L/min]：110–380，最高可达2000（120–200）
- 水流速度 [m/s]：70–230，最高可达500（110–113）
- 水压 [MPa]：3.5–21，最高可达150（8–9）
- 喷射长度 [mm]：100–180
- 喷射角度 [°]：15–55（40–50）
- 风扇喷射角度 [°]：25–120
- 平直喷射角度 [°]：0–90（75）
- 水与金属的质量比：2:1–10:1（6.3:1）

水雾化的单位成本在所有雾化方法中属于最低的，部分原因在于作为雾化介质的水价格低且可回收。每生产一吨金属粉末大约需要6立方米的水（每公斤粉末约5公斤水），其中大部分水是可以回收的[29]、[31]。与气体雾化不同，水雾化不需要复杂的气体压缩或储存系统。这些经济优势最近引起了人们对将其应用于增材制造（AM）原料的兴趣。尽管不规则、表面覆盖氧化层的颗粒传统上不太适合AM应用，但业界正在投资开发能够产生球形颗粒并降低氧含量的水雾化技术[31]、[72]。

与其他雾化方法不同，水雾化的粉末需要经过脱水 and 干燥等后处理步骤才能收集。脱水可以通过磁分离器、耙式分级机或批次离心机等手段从水浆中去除粉末[31]。随后进行干燥以去除残留水分，有多种干燥方法（旋转干燥、闪蒸干燥、双锥干燥机等），每种方法都在氧化风险和颗粒机械损伤方面存在权衡。由于生产过程中氧吸收量较大，根据应用的不同，可能需要进行退火处理以减少氧化[31]。虽然退火可以降低氧污染，但这个过程可能会使粉末结块，从而需要进一步的粉碎步骤[29]。尽管有这些额外的处理要求，但由于其经济优势和可扩展性，水雾化仍然是产量最大的金属粉末雾化技术。

尽管水雾化在工业上得到广泛应用，但其主导地位并未伴随着相应的基础研究和工艺理解的深入。Brewin、Walker 和 Nurthen 指出：“虽然水雾化被广泛用作粉末制备方法，但大多数技术发展都是基于经验进行的，且很少有基础研究发表”[71]。他们进一步阐述了水雾化系统的复杂性，生产厂商由于成本和安全考虑而不愿意进行实验研究，现有的研究报告多为经验性结论，表明其适用范围仅限于最初开发这些系统的特定情况[71]。这种观点与Castleman Jr.在20世纪30年代提出的担忧相符，他认为几十年间理论理解进展有限[53]。正如Persson、Eliasson 和 J?nsson 所指出的，“雾化技术本身及其在水雾化中的应用代表了非常复杂的生产过程，目前这些过程在理论上尚未完全理解”[32]、[73]。

3.3. 数学描述

如第3.1节所述，雾化水压力与生成颗粒大小之间存在一个确定的反比关系，这一关系取决于喷嘴的几何形状。Yenwiset 和 Yenwiset 提供了Seki等人关于各种合金高压雾化的经验方程[62]、[74]，包括一个用于环形/同心喷嘴的方程：
\[dm = \frac{1}{14P^{-0.058}\]
以及一个用于V形喷嘴的方程：
\[dm = \frac{6}{8P^{-0.056}\]
其中P是雾化压力（MPa），dm是平均颗粒直径（μm）。这些方程表明，在给定压力下，V形喷嘴倾向于产生更小的颗粒，并且每个喷嘴都有独特的几何依赖性。然而，这些经验关系仅能捕捉到雾化行为的一部分。

Brewin等人提供的实验数据证实了这些经验方程的关系[71]。图11展示了M3:2工具钢的情况，表明颗粒直径的中值与雾化压力的平方根成反比；需要注意的是，颗粒大小分布的宽度（即偏差）通常随颗粒直径的减小而增大[71]。

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图11. 水雾化压力平方根与M3:2工具钢颗粒直径中值之间的实验关系，数据来源于[71]。Brewin等人指出，随着颗粒直径中值的减小，颗粒大小分布的宽度（或偏差）会增加。

然而，虽然压力和其他水射流操作参数（如动量、能量、流速和喷射长度）会影响颗粒大小分布（PSD），但通常认为水射流速度是主要的控制因素[14]、[61]。因此，许多关系都是基于水射流速度建立的。实际上，水压力可以通过喷嘴直接与流体速度相关联[71]。以下关系基于流体动力学：
\[ΔP_w = \frac{1}{2\rho_w v_w^2}\]
其中\(v_w\)是流体（水）通过狭窄部分的出口速度，\(\Delta P_w\)是压力降（相当于泵的供给压力），\(\rho_w\)是水的密度[75]。Brewin等人强调，这种压力-速度关系与Grandzol和Tallmadge最初推导出的颗粒大小与流体速度的反比关系一致，他们考虑了喷射角度的影响：
\[dm_{50} = \frac{n_1}{V_w \sin\alpha}\]
其中\(dm_{50}\)是质量中值颗粒直径，\(n_1\)是经验得到的参数（例如，对于4620钢为2.750），\(V_w\)是水射流速度，\(\alpha\)是喷射角度[63]、[71]。这一关系证实了颗粒大小与速度的反比关系，并可以通过速度与压力的平方根关系追溯到图11中显示的大小与压力的平方根关系。图12进一步说明了颗粒大小与速度的关系，表明颗粒大小是由垂直于金属流方向的水射流速度分量（\(V_\perp\)决定的：
\[V_\perp = V_w \sin\alpha\]
而平行于金属流的分量（\(V_\parallel\)则随金属流一起移动[63]、[64]。平行分量主要影响颗粒的动能。

尽管水雾化在工业上应用广泛，但其主导地位并未带来同等程度的基础研究和工艺理解。Brewin、Walker 和 Nurthen 指出：“尽管水雾化被广泛用作粉末制造方法，但大多数技术发展都是基于经验的，而且令人惊讶的是，相关的基础研究非常少”[71]。他们认为水雾化系统非常复杂，生产厂商因成本和安全考虑而不愿意进行实验研究，现有的报告也表明其应用范围有限[71]。Castleman Jr.在20世纪30年代也提出了类似的观点，认为多年来理论理解进展有限[53]。正如Persson、Eliasson 和 J?nsson 所指出的，“雾化技术总体上以及水雾化特别地代表了非常复杂的生产过程，目前这些过程在理论上尚未完全理解”[32]、[73]。

3.3. 数学描述

如第3.1节所述，雾化水压力与生成颗粒大小之间存在一个已建立的反比关系，这种关系取决于喷嘴的几何形状。Yenwiset 和 Yenwiset 提供了Seki等人关于高压雾化各种合金的经验方程[62]、[74]，包括一个用于环形/同心喷嘴的方程：
\[dm = \frac{1}{14P^{-0.058}\]
以及一个用于V形喷嘴的方程：
\[dm = \frac{6}{8P^{-0.056}\]
其中P是雾化压力（MPa），dm是平均颗粒直径（μm）。这些方程表明，在给定压力下，V形喷嘴倾向于产生更小的颗粒，而且每个喷嘴都有独特的几何依赖性。然而，这些经验关系仅能部分解释复杂的雾化过程。

Brewin等人提供的实验数据证实了这些经验方程的关系[71]。图11展示了M3:2工具钢的情况，表明颗粒直径的中值与雾化压力的平方根成反比；不过需要注意的是，颗粒大小分布的宽度（即偏差）通常随颗粒直径的减小而增大[71]。

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图11. 水雾化压力平方根与M3:2工具钢颗粒直径中值之间的实验关系，数据来源于[71]。Brewin等人指出，随着颗粒直径中值的减小，颗粒大小分布的宽度（或偏差）会增加。

然而，尽管压力和其他水射流操作参数（如动量、能量、流速和喷射长度）会影响颗粒大小分布（PSD），但它们通常是通过水射流速度间接影响颗粒大小的，而水射流速度被认为是主要的控制因素[14]、[61]。因此，许多关系都是基于水射流速度建立的。实际上，水压力可以通过喷嘴直接与流体速度相关联[71]。以下关系基于流体动力学：
\[ΔP_w = \frac{1}{2\rho_w v_w^2}\]
其中\(v_w\)是流体（水）通过狭窄部分的出口速度，\(\Delta P_w\)是压力降（相当于泵的供给压力），\(\rho_w\)是水的密度[75]。Brewin等人强调了这一压力-速度关系与颗粒大小与流体速度反比关系的一致性，这一关系最初是由Grandzol和Tallmadge提出的，他们考虑了喷射角度的影响：
\[dm_{50} = \frac{n_1}{V_w \sin\alpha}\]
其中\(dm_{50}\)是质量中值颗粒直径，\(n_1\)是经验得到的参数（例如，对于4620钢为2.750），\(V_w\)是水射流速度，\(\alpha\)是喷射角度[63]、[71]。这一关系证实了颗粒大小与速度的反比关系，并可以通过速度与压力的平方根关系追溯到图11中显示的大小与压力的平方根关系。图12进一步说明了颗粒大小与速度的关系，表明颗粒大小是由垂直于金属流方向的水射流速度分量（\(V_\perp\)决定的：
\[V_\perp = V_w \sin\alpha\]
而平行于金属流的分量（\(V_\parallel\)则随金属流一起移动[63]、[64]。通过这个框架，Castleman, Jr. 预测了颗粒尺寸的理论极限，即从液态金属形成液滴的时间变得极其短暂，无法再进一步减少，从而达到“雾化”在词源学意义上的效果[53]。最后，除了较短的 tsph（滴状形成时间）之外，较小的颗粒尺寸所观察到的更高球形度也被认为与湍流碰撞的减少有关[32]。3.4. 行业标准和实践：收集和综合水雾化参数的行业价值观可能比较困难，因为许多具体细节（如喷嘴类型和输出速率）仍然是专有的。尽管水雾化是一种最古老的水雾化方法，也是金属粉末生产的主要商业方法[14]，但已发布的数据通常已有数十年的历史，来源于专利或缺乏详细信息。值得注意的是，这些行业报告的考虑因素（如水压和喷嘴角度）与几十年前的规格相比几乎没有显著变化。《ASM手册》（2015年）基于行业专家的编译数据，详细讨论了诸如水与金属流量比等因素：商业工厂可以维持2:1到10:1的比率，但通常操作在5:1以上，因为较小的比率（<3:1）会产生更粗的颗粒。然而，较大的比率（>6:1）几乎没有额外的好处[8]。表2总结了记录的操作参数，包括美国钢铁协会（AISI）316 SS的具体数据，其中一些数据来自W.L. Batten和G.A. Roberts在1960年的专利，该专利使用了多个喷嘴来雾化重力供给的熔体[70]。虽然行业领袖对基础研究的传播相对有限，但有效的实证关系指导着生产决策。Brewin等人在一篇关于Powdrex粉末工厂和该领域最先进技术的文章中描述了主要的雾化参数及其对相关输出的影响（表3）[71]。他们指出水速和水压之间存在直接关联，尽管没有具体包括水速、颗粒尺寸和表观密度之间的联系。他们还指出，虽然表面张力不是一个操作参数，但它代表了控制颗粒尺寸和形态的最重要因素，这可能解释了为什么不同的合金表现出如此不同的雾化行为[71]。在发表时（1986年），其他因素（包括喷射设计、浇注系统设计、金属熔点以及自由落体高度）在工业领域对这些输出的影响基本上是未知的。Brewin等人还讨论了Powdrex工厂的关键质量控制措施[71]。喷嘴设计影响粉末的纯度和效率，而错误的喷嘴材料可能会渗出污染物或熔体并导致堵塞。污染问题还扩展到材料更换的过程中，这时会使用单独的模具，甚至可能需要完全更换炉子。水质显著影响粉末的质量和一致性；Powdrex使用高度过滤的去矿物质水来防止系统内的意外反应或沉积[71]。表3总结了相关水雾化参数对颗粒尺寸和表观密度的影响，基于[71]的数据。参数的增加对中值颗粒尺寸的影响对表观密度的影响水压减少可以忽略不计水速减少可以忽略不计喷射角度b减少可以忽略不计水流量减少可以忽略不计金属流量增加可以忽略不计金属表面张力增加增加b Brewin等人讨论了水速对颗粒尺寸的影响，并假设它与水压成正比，但原始表格中并没有明确列出这一点。b 喷射角度决定了水射流撞击熔融金属时的法向速度分量。因此，喷射角度对颗粒尺寸和表观密度的影响是根据水压和水速推断出来的。如3.2节所讨论的，脱水干燥是水雾化技术中的关键方面。浆料输出需要减少水分，以产生含水量仅为3-5%的饼状物。干燥方法的选择取决于材料特性（反应性）、效率和成本。干燥过程中的氧气吸收对于工具钢等材料尤为重要，因为随后的氧化物还原过程可能超过熔化和雾化阶段的能量成本总和[31]。作为参考，金属粉末生产商Hoeganaes Corp.（隶属于GKN Powder Metallurgy, Inc.）概述了他们的工艺流程：熔化、雾化、干燥、筛分、磁分离和退火[13]。另一家主要的水雾化公司AMETEK, Inc.使用类似的流程：使用感应炉（Ajax或Inductotherm）熔化，然后用旋转窑干燥以生产烧结饼状物（例如，通过锤式破碎机破碎），如果合金需要的话再进行退火（Abbott炉），最后进行筛分（Rotex或Sonic Russell Finex）[78]。然后，这些粉末通常会在传统的压烧加工工厂（例如Keystone? Powdered Metal Co.）中用于制造汽车和机械零件（例如齿轮）[79]。然而，随着行业越来越多地考虑可行的AM（增材制造）原料替代方案，水雾化设施正在探索减少氧气含量和提高球形度的方法。虽然历史上只考虑颗粒尺寸和密度作为重要输出，但Beddow引用了Gummeson的描述，即狭窄的熔化范围、高金属过热和较大的顶角可以生产出更球形的粉末[13]。这对于AM应用来说很相关，因为球形粉末通常更适合通过这些技术进行加工。3.5. 能力和局限性：水雾化提供了广泛的生产能力，根据材料的不同，产量可以从1公斤到100公吨不等。对于金等贵金属，典型的批次大小约为1公斤，速度为1公斤/分钟。高吞吐量的铁生产可以达到每分钟0.5公吨（总共500公斤/分钟）的批次[31]。最大的水雾化设备不是用于粉末制造，而是用于高炉炉渣处理，可以达到每分钟5公吨（总共5000公斤/分钟）的产量，这种可扩展性只有离心雾化方法能够匹敌。水雾化涵盖了多种操作压力范围。当水流达到超声速时，需要完全新的喷嘴配置来避免水的汽化[31]。然而，这种高压过程可以生产出小于10微米的粉末，因此适用于MIM（微成形）等应用[31]。水雾化存在两个主要的安全风险。所有雾化方法都存在细粉爆炸的风险。然而，水雾化独特地由于氢气的生成而带来爆炸危险，这是金属-水反应形成金属氧化物的副产品（如方程式15所示）[31]。因此，虽然技术上水雾化可以处理钛（Ti）和铝（Al）等金属，但由于安全考虑，通常避免使用这种方法处理这些反应性材料。不过，水雾化理论上可以处理任何不与这种介质发生危险反应的材料。除了氧化反应性物质外，材料的适用性还取决于各种因素。由于熔体的高粘度，水雾化仍然是生产砂的唯一可行方法之一[16]。某些材料（如铜（Cu）、铁（Fe）和其他金属）也可能由于表面张力的影响而带来挑战[16]。然而，铜及其合金（例如青铜）可以通过这种技术雾化，其他材料如镍基合金（例如Monel和Hastelloy）和钴基合金（例如Haynes Stellite No. 31）也可以处理，尽管后者通常使用含氧量较低的环境[15]，[78]，[80]。高熔点材料（如耐火材料）的加工受到加热要求的限制，而不是雾化过程本身，因为在浇铸过程中难以达到足够的过热以防止过早固化。因此，这些材料通常通过其他方法加工。实际上，锌（Zn）是商用加工中熔点最低的材料，因为熔点更低的材料（Tm < 500°C）会固化得太快并形成形状不规则的颗粒。锡（Sn）和铋（Bi）粉末也可以生产，而软磁材料以及银（Ag）、金（Au）和铂（Pt）等贵金属也可以处理[8]。不过，铁基材料是水雾化中最常见的材料，范围从低合金钢到高合金钢，以及从不锈钢到工具钢[8]，[14]，[78]。水雾化低成本的一个关键因素是水的可回收性，这是主要雾化技术中的独特优势（与第4节中的气体雾化相比）。尽管这种再处理降低了成本，但它也带来了挑战：从水中过滤亚微米颗粒非常困难，可能需要多级过滤。然而，现代水雾化设备大大优化了这一过程，可以从浆料中回收高达99.998%的金属，整体水分损失不到1%。水雾化还具有最小的物理占地面积之一，这是任何流体雾化器中的优势。由于冷却速度快，固化所需的时间较少，因此自由落体的距离也比气体和等离子体雾化器短（不到一米，而后者需要几米），从而可以设计出相对紧凑的系统，无需多层结构[31]，[78]。虽然水雾化提供了显著的经济效益，但与其他方法相比，氧化程度增加是不可避免的。因此，应用可能需要进一步考虑具有较厚氧化层的较大颗粒或含有相对较高氧含量的较小颗粒。3.6. 展望：水雾化技术是在19世纪末开发的，是最早成熟的大规模粉末生产工艺之一。它已成为铁基粉末行业的主流方法，每年生产大约80-90%的全球铁粉，相当于约1.2 × 10^6公吨，主要用于压烧应用[8]；然而，正在努力将粉末适应于AM（增材制造）和MIM（微成形）等应用[31]。尽管在商业上占据主导地位，但在理解其基本机制方面取得的进展相对较少。虽然已经建立了中值颗粒尺寸与水压等参数之间的关系，但还需要进一步研究那些不太可控的变量和输出，如分散度和球形度。大多数工业知识的经验性质限制了系统之间的适用性，并限制了超出既定操作窗口的过程优化。需要更严格的分析模型来更好地理解水雾化，并区分基于剪切的分裂机制及其对颗粒特性的影响。最近，提高球形度引起了人们对AM原料开发的兴趣。通过传统水雾化生产的颗粒表现出不规则的形态和高氧含量，这些特性不利于AM应用。然而，水雾化的经济性和可扩展性促使人们研究生产适合AM的粉末。虽然材料限制（如钛和铝合金的氧化吸收）可能阻碍这些系统的进展，但对于铁基合金的工艺改进代表了未来研究的有希望的方向。促进球形化的参数，包括优化的过热、顶角和控制的自由落体距离，值得系统研究，因为行业希望将水雾化的应用范围扩展到不断增长的AM市场中。4. 气体雾化：4.1. 雾化原理：与水雾化类似，气体雾化也是一种两流体技术，依赖于许多相同的基本原理。然而，在这种技术中，主要的驱动力是能量传递到熔融金属上并使其雾化的气体介质。无论配置如何，这一总体原则都是适用的。图13展示了一个般的水雾化过程示意图，并附有一个工业系统的图片作为参考[81]。在这里，金属在坩埚中熔化并从浇包/喷嘴中落下，与高速气体接触。气体将其动能传递给金属，随后将其分解成许多微小颗粒[8]。从操作角度来看，气体雾化相当简单，但涉及两种流体以湍流方式相互渗透的过程本身表明了相当的复杂性[13]。自气体雾化技术诞生以来，气体雾化设备已经有所改进，气体雾化社区也取得了进步，但目前还没有具体的操作理论，每个雾化单元都与类似的设备不同。尽管如此，人们对各种控制变量的理解已经显著提高，特别是在理解它们的作用方面。下载：下载高分辨率图像（300KB）下载：下载全尺寸图像图13. (a) 基于[13]，[82]的气体雾化过程的概念示意图。(b) 商业气体雾化系统的照片，图片来源：Ermaksan Additive [81]。气体雾化涉及通过气体射流撞击将熔融金属流分解成离散的液滴。这些离散的熔融液滴随后球形化、固化，并被收集起来进行后续的筛分、后处理和分配。气体雾化系统的四个主要组成部分各自提供了许多控制变量。Beddow 提供了一个关于任意两种流体系统的整体概述，该系统按组件组织如下 [13]：
(1) 大气环境——熔化过程的条件、雾化室内的温度和成分以及气体速度；
(2) 熔融金属——化学性质、粘度、表面张力、密度、熔化温度范围、过热度、金属进料速率和比重；
(3) 雾化剂——气体类型、压力、流量、速度和粘度；
(4) 喷雾几何形状——喷射范围、长度、金属流长度、喷嘴直径和喷嘴（顶端）角度；
(5) 容器参数——飞行路径和淬火介质。这些控制变量可以通过以下工艺阶段来理解：
(1) 熔化；
(2) 雾化（液体破碎）；
(3) 颗粒凝固；
(4) 收集。
无论采用何种框架，主要控制变量都是一致的。虽然这展示了气体雾化的复杂性，但并非所有控制变量对最终结果的影响都相同，有些变量的影响远远大于其他变量。
其中最显著的影响之一来自喷嘴设计和几何形状。有两种基本配置将熔融金属引入气体流中：
- **自由落体（开放）配置**（图 14a）：金属下落一定距离后到达气体射流的交汇处；
- **紧密耦合（封闭或受限）配置**（图 14b）：熔融金属一离开喷嘴孔口就立即与气体接触 [16]；
如果坩埚孔口略高于气体射流，则熔融金属和气体可以在喷嘴出口之前通过内部混合机制混合；如果坩埚孔口与气体射流直接对齐，则通过外部混合机制混合 [13]。图 14b 中显示的是紧密耦合配置，这种配置更为常见。

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图 14. 两种主要类型的气体雾化喷嘴示意图：(a) 自由落体配置；(b) 紧密耦合配置（基于 [8]、[13]）。在自由落体配置中，熔融金属下落直至到达气体射流的交汇处；而在紧密耦合配置中，熔融金属一离开喷嘴孔口就立即与气体接触。

当需要细小颗粒时，高效的动能传递至关重要。紧密耦合方法较为常用，通常伴随着环形气体射流。然而，也可以使用 discrete（分散）射流来进一步提高能量传递效率 [83]。关于环形射流与分散射流的比较，请参见第 3.1 节关于水雾化的内容。
喷嘴设计对流场速度有显著影响。在所有气体射流交汇点（顶点）之前会出现“吸力”或“吸气”效应 [14]。Naida、Nichiporenko 和 Fen’ko 早期就发现了这一低压区域，并认识到它对颗粒破碎至关重要，因为气体流速从中心向外逐层减小 [84]。Lawley 引用了 Anderson 关于 Sn5Pb（重量百分比）和 Cu-8.2Al（重量百分比）高压气体雾化的工作，表明特定的进气压力会导致金属孔口压力最小（产生最大吸力效应）以及颗粒尺寸最小（由于破碎效果增强）[85]。
气体类型也会影响结果。尽管典型的惰性气体粘度相似，但它们的密度和热导率差异很大。在绝热膨胀情况下，氦气（He）的速度高于氮气（N2）和氩气（Ar），因此在雾化过程中更容易产生更小的颗粒 [86]。例如，Inoue 等人在 Fe77P13C10 的高压气体雾化实验中发现，颗粒体积中位数（dv,50）从 Ar 的 40 μm 降至 N2 的 35 μm，再降至 He 的 25 μm [87]。

Beddow [13] 将气体雾化过程分为三个阶段：
(1) 初级颗粒形成；
(2) 次级颗粒形成；
(3) 颗粒聚合。这些阶段在图 15a 中进行了说明。普遍接受的理论是，高速气体在流体中形成流片，从而引发链状结构的形成。链状结构形成后，初级颗粒开始形成。控制初级颗粒形成的机制取决于气体速度 [88]。在较低速度下，瑞利（Plateau-Rayleigh）不稳定性占主导 [77]、[89]。Castleman, Jr. 强调了 Plateau 的发现，即长度大于其周长的圆柱形液柱在受到扰动时会因不稳定性而坍塌，瑞利现象描述了这种坍塌的速度及相关行为 [53]、[77]、[89]。根据瑞利分析，Castleman, Jr. 确定链状结构半径是液滴半径的 0.53 倍，即液滴直径约为链状结构直径的 1.89 倍 [13]、[53]。Bradley 基于瑞利理论对无限深液体进行了建模，证明在特定气体速度下，特定波数和相关波长增长更快，波动幅度增大直至表面张力导致波峰分离形成液滴 [90]。分离后还会形成次级或“卫星”颗粒，从而产生大小不一的液滴 [88]。尽管这些发现存在局限性，但它们为这一机制提供了很好的定性和定量理解。
在较高气体速度下，表面张力在破碎中的作用减弱，空气动力占主导地位，使液体产生振荡或“波动”并形成喷射流，从而产生颗粒 [88]。在最高速度下，气体与熔融金属之间的相对速度非常大，流动会导致波动不规则或“涟漪”形成，并从喷射流中分离出较小的链状结构 [88]。因此，初级颗粒形成过程并不简单，多个机制可能在湍流气体区域同时作用。

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图 15. (a) 气体雾化过程的一般阶段；(b) 初级颗粒形成机制；(c) 次级颗粒形成机制的示意图。(a) 基于 [13]、[91]、[92]；(b) 基于 [88]；(c) 基于 [13]、[93]、[94]。一般阶段包括从熔融金属片形成链状结构，经历初级破碎（瑞利不稳定性、波浪形喷射流、表面破碎）和球形化。这些液滴随后相互作用并经历次级颗粒形成机制（透镜状“袋状”、雪茄形、凸起形状），最终被收集。

当初始链状结构完成初级颗粒形成后，液滴进一步下游运动时，会发生次级颗粒形成（图 15c）。Beddow 引用了 Hinze 提出的三种不同流动模式下液滴分裂的机制 [13]、[93]：
- **透镜状机制**（通常称为“袋状破碎”）：液滴变平形成环形或空心“袋状”，可能自行闭合并固化，将气体困住形成空心颗粒，或分裂成许多小液滴 [93]、[94]；
- **雪茄形机制**：液滴拉长成丝状，最终断裂 [93]；
- **凸起机制**：液滴上形成任意突起，最终分离形成颗粒 [93]。
在这些情况下，变形不一定对称。正如 Naida 指出的，液滴分离时相对速度和变形都达到最大 [95]。这些行为可以通过无量纲韦伯数（We）来表征。随着相对速度的增加，We 也会增大。Pilch 和 Erdman 对这些机制进行了严格量化 [96]，证明在小 We 值下会发生振动或袋状破碎，而在大 We 值下会发生剥离/剪切或不规则破碎 [97]。大多数次级机制发生在 We > 12 的情况下，例如袋状破碎发生在 12 < We ≤ 50 之间，而剥离/灾难性机制发生在 We ≥ 100 时。只有振动破碎发生在 We ≤ 12 时，且是一种持续时间较长的机制，在研究破碎过程时经常被忽略 [96]。关于 We 和其他无量纲参数的更具体描述可以在两相气液喷雾和雾化系统中找到 [75]，但上述内容提供了颗粒形成机制的一般概述。

最后，一旦液滴形成，它们可以碰撞或聚合形成不同大小和形状的颗粒 [13]。一个非常常见的例子是小颗粒附着在大颗粒上形成卫星颗粒，这可能是“卫星颗粒”这一术语在雾化应用中最常见的用法。对于粉末冶金（PM/AM）应用来说，最终粉末的大小和形状是所有形成和聚合过程的成果。

4.2. 历史与概述
气体雾化的起源可以追溯到 1872 年，当时 S.R. Percy 发明了一种利用空气或其他气体流来雾化和干燥流体及固体的改进方法 [98]。Neikov 提到 1872 年 Huddersfield 的 Marriott 申請了一项专利，该方法使用蒸汽将金属铅转化为粉末，用于后续制造盐类和氧化物，这与水雾化的起源相同 [69]、[99]。然而，当时对粉末制造技术的兴趣尚未完全发展。直到 1924 年， Metals Disintegrating Company, Inc.（后被 Alcan 收购并更名为 Toyal America Inc.）的创始人 E.J. Hall 才申请了一项专利，该专利涉及使用蒸汽或气体将流经喷嘴的熔融金属分解 [100]。当时非铁金属已经开始用空气进行雾化 [14]。然而，第二次世界大战期间德国的铜短缺促使人们开发了 Mannesmann R.Z. 工艺，该工艺利用高压空气射流将熔融铁分解成粉末，用于制造炮弹驱动带 [15]。在通过雾化生产高熔点铁合金之前，这些合金通常是通过化学还原法制造的。尽管如此，这种新技术也带来了挑战，即水雾化或空气雾化过程中容易发生氧化问题。这一问题早在 1958 年就已为人所知，为使用惰性气体（如 He、N2 和 Ar）铺平了道路 [13]。尽管由于经济原因水雾化仍然更为常见，但近年来气体雾化（尤其是使用惰性气体）的应用越来越重要 [8]、[14]。这种技术特别适用于少量生产的特殊合金和氧化敏感材料。

虽然气体雾化的基本原理是利用高速气体射流通过喷嘴破碎熔融金属，但喷嘴和射流设计存在多种变体。基本的自由落体设计让熔融金属从坩埚中落下一定距离后再与气体介质接触；而紧密耦合或受限设计则直接将其送入气体流中，立即发生混合，后者更高效，因为能更好地传递动能 [14]、[16]。此外，气体和金属可以在进入雾化室之前在喷嘴内部混合，或在进入时在外部混合，后者对于高熔点合金更为常见，以避免冻结 [8]、[11]、[13]。使用的气体射流类型也有所不同。最初的气体方案采用单个分散射流喷嘴，但随着技术发展，逐渐采用多个射流或环形（即环状或同心）射流 [14]。在自由落体模式下，分散射流可对称地围绕一个圆周排列，在交汇点处进行雾化；在紧密耦合模式下，通常使用环形射流包围熔融金属流 [14]。

该技术本身也在不断改进，以优化性能或满足特定应用需求。真空感应气体雾化（VIGA）和电极感应气体雾化（EIGA）允许在真空中或以电极形式加热易受空气影响的材料和难熔材料，然后通常在惰性气体环境中进行雾化 [59]。等离子体惰性气体雾化（PIGA）也存在，但等离子体仅用于熔化过程，而不参与实际的破碎过程。此外，对更小颗粒的需求促使人们开发了改进的破碎方法。超声气体雾化（USGA）就是其中一种技术，它利用超声喇叭产生气体冲击波，高效将熔融金属粉碎成非常小的颗粒，这一技术可见于 1961 年授予瑞典 Kohlswa Jernverks AB 的 E.O.F. Nilsson 等人的专利 [14]、[101]。另一种是高压气体雾化（HPGA），它采用了新颖的喷嘴设计，能够实现超音速气体流动[83]。这一技术由J.D. Ayers和I.E. Anderson在1986年向美国海军的受让人申请专利时首次提出，他们使用了同轴配置下的离散高压气体喷射来产生低压吸力效应，进而形成超音速气流，用于金属熔体的破碎以制备粉末或进行喷涂涂层[102]。气体雾化技术的子技术概述见气体雾化术语层次结构图（图16）。目前，气体雾化是金属增材制造（AM）中最常见的粉末生产方法[103]。下载：下载高分辨率图片（134KB）下载：下载全尺寸图片图16. 气体雾化术语层次结构图。气体雾化可以根据操作模式、喷射类型和子技术进一步细分，体现了该工艺的多样性。

4.3 数学描述
如前所述，可以在过程的各个阶段使用无量纲分析（例如We数）来定量解释某些现象。然而，许多这些无量纲描述是基于液体的，而液体的性质与熔融金属有很大差异。此外，这些关系几乎不包括气体雾化过程中的所有操作参数。虽然Gretzinger和Marshall使用实际的气动喷嘴进行实验以找出重要关联，但他们使用的是空气中的常规液体（例如水、油）[104]。Wigg利用熔融蜡改进了现有的经验公式[105]。Lubanska最终修改了他的关联模型，并且是最早基于Fe与N2的离散喷射雾化数据、Sn等低熔点材料的模型实验以及文献中的可用数据，提出了适用于熔融金属的表达式[106]：
(18)dm,50Dstr=k1ΝlΝgWe1+MG12
其中dm,50是质量中值粒径，Dstr是液态金属流 diameter，k1是一个取决于喷射环和液态金属流处理条件的常数，Νl是液态金属的运动粘度，Νg是雾化气体的运动粘度，We数仍然是Weber数，M是液态金属的质量流量，G是气体的质量流量，We数定义为[106]：
(19)We=ρlvg,m2Dstrσl
其中ρl是熔融金属密度，vg,m是气体喷射与液态金属流撞击时的气体 velocity，Dstr是流 diameter，σl是熔融金属表面张力。可以得出结论，在较高的气体流量下会产生更小的颗粒。这个无量纲关联是气体雾化过程的一个通用经验公式。趋势线与实验数据一致，但Lawley指出原始数据中存在大约一个数量级的变化[14]。当然，考虑到数据收集系统的不同设置，以及气体雾化本身的变异性，尽管这个关系并不完美，但其意义仍然重大。虽然气体压力是操作中的一个主要控制参数，也可以用来推导特定系统和设置的经验公式，但它并没有出现在这个方程式中。动能传递的机制表明，这个过程中的主要变量实际上是气体与金属的比例；实际上，超过某个压力阈值后，气体速度的增加对颗粒速度的影响很小[8]。通常会使用一定程度的经验方法来简化颗粒尺寸的预测。因此，也可以使用一个简化的中值粒径（d50）表达式：
(20)d50=k2GM
其中k2是适用于该过程和金属的常数，GM是气体与金属的比例，通常表示为质量/质量或体积/质量值[8]。虽然这个表达式包含变量k2的不确定性，但它将经验确定的参数简洁地汇总到一个变量中，并强调了d50与GM成反比的关联。ünal使用N2对Al合金AA 2014进行的小规模气体雾化实验展示了随着GM流量比的增加，平均粒径的减小，并最终趋于稳定[107]。他的一些数据如图17所示[86]。这些数据还表明，增加压力可以使得整个曲线向更小的颗粒尺寸移动。然而，这并不总是如此，例如1.56 MPa到2.12 MPa之间的变化就说明了这一点。这可能是因为对于这种特定的喷嘴，1.56 MPa产生的孔口压力较低，从而产生了更大的吸力效应。此外，该方程还表明，当GM进一步增加到10以上时，颗粒尺寸减小的程度将小于5%。因此，气体消耗成为一个重要因素。除了GM比例之外，其他变量也会产生影响。Rao和Mehrotra通过雾化Sn、Pb和SnPb共晶体证明了减少喷嘴直径、增加雾化喷射角度以及提高熔融金属温度都可以减小颗粒尺寸，尽管温度的影响最小[108]。这种行为的原因可能与喷嘴变化导致的能量传递效率提高以及温度升高引起的表面张力降低有关。这些都是过程中不容忽视的变量。

下载：下载高分辨率图片（61KB）下载：下载全尺寸图片图17. 气体与金属流量比对体积平均颗粒尺寸的影响，数据来自使用N2在不同气体压力下雾化的Al合金AA 2014的实验[86]。对于给定的气体压力，增加气体与金属的流量比通常会减小平均颗粒尺寸，而气体压力的影响也取决于与孔口几何形状的相互作用以及吸力效应的形成。虽然气体雾化过程的本质使得严格的理论预测变得相当困难，但仍存在更基本的表达式。例如，可以根据液滴的稳定性来确定可能的最大颗粒尺寸。Hinze发现，下落液滴的临界尺寸与暴露在快速流动空气中的静止液滴的临界尺寸不同，并使用We数来区分破裂的临界速度或相似尺寸[109]。他还得出了不同情况下的临界We数（Wecrit），有趣的是，在冲击情况下Wecrit ≈ 13[93]。ünal认为这适用于气体雾化中的二次颗粒形成，因为在雾化过程中，缓慢下落且表面张力高、粘度低的熔融金属突然受到快速移动气体的撞击，类似于无粘性液滴的真实冲击情况。然后他提出了一个表达式来预测临界颗粒尺寸（dcrit），超过这个尺寸的液滴将会破裂：
(21)dcrit=13σlρgvg2
其中13是Wecrit，σl是熔融金属的表面张力，ρg是气体的密度，vg是气体的速度[86]。因此，任何大于dcrit的液滴应在相应的流场中发生破裂。然而，某些情况可能无法完全模拟这种情况。实际上，这是可能的最小Wecrit值，但气体与金属滴之间的相对速度变化可能会增加Wecrit，从而影响预期的dcrit[86]。第4.1节详细讨论了一些We数范围及其相关的破裂机制，但在雾化过程中，特别是当破裂非常湍流时，We数分析最为常见。在这些机制之后，还可能发生颗粒碰撞和聚集，进一步影响颗粒尺寸。虽然理论框架可能不足以理解气体雾化中的行为和复杂的流动动力学，但计算和技术的进步使得我们可以更详细地观察这些现象。Anderson等人使用Schlieren成像技术研究了HPGA装置中不同熔融进料管尖端设计的Ar气流模式，识别出诸如马赫盘和冲击波等机制，这些机制有助于提高粉末的细化程度[83]。这也使得设计方面有了更好的理解。例如，他们发现熔融进料管尖端应精确锥形设计，以匹配气体喷射的角度及其扩展的高能流核心[83]。后来发现，计算流体动力学（CFD）也有助于更好地理解气体压力对速度和熔融尖端基础压力的影响[110]。更先进的CFD技术使得能够预测熔融金属流动的速度分布，甚至使用体积流量（VOF）和欧拉-拉格朗日（EL）技术来模拟典型压力旋流雾化器中熔融Sn的破裂过程[19]。数值建模还可以用于确定气体流中给定颗粒尺寸的热历史，从而得出冷却速率和固化时间[111]。在这样的复杂过程中，计算和数值方法不仅便于预测和可视化，而且必不可少。建模的进步将有助于更准确、更经济地模拟气体雾化过程。

4.4 行业标准和实践
与早期Ar雾化Fe的情况相比，气体雾化已经有了新的意义。随着惰性气体的引入以及改进以适应增材制造所需的粉末尺寸范围，该工艺的标准发生了显著变化。装置通常包括一个数米长的垂直不锈钢罐用于雾化，以及一些熔化装置[14]。需要注意的是，也存在水平配置，这种配置可以更好地利用气体，提供更好的冷却能力，并且尺寸更小；特别是通过改变颗粒的路径，将垂直设置中从约10米的翻转盘出口到水平设置中的约3米的距离缩短[112]。通常在翻转盘底部使用陶瓷耐热材料（例如氧化锆）喷嘴，假设采用坩埚型熔化装置；喷嘴通常是预热的，并可以用气体火焰清洁[13]。当然，在污染问题严重或熔化高熔点合金的情况下，EIGA是一个很好的选择。VIGA也适用于对氧气反应敏感的金属。标准气体雾化的典型工艺参数包括：喷嘴直径2–15毫米，熔体过热75–150℃，金属流量对于批量处理为1–70千克/分钟，对于连续处理为8–33千克/分钟（大型设备可达120千克/分钟），气体压力0.5–9兆帕，气体速度20米/秒至超过350米/秒，气体体积流量0.02–0.24立方米/秒[14]。喷嘴中的气体速度在马赫1–3之间，但在撞击金属之前会大幅降低，自由落体情况下约为50–150米/秒[8]。表4总结了各种气体雾化参数对最终颗粒尺寸的影响。
表4. 相关气体雾化参数对颗粒尺寸的影响
参数增加 对中值颗粒尺寸的影响
气体压力 减小
气体速度 减小
气体流量调节 减小
金属流量 增加
气体与金属的比例 减小
金属表面张力 增加
外部混合喷嘴是最常用的类型，而封闭式喷嘴虽然效率更高，但更容易堵塞[13]。Lawley还提出了在Ar气氛中雾化熔点超过1400℃的Ni超级合金的条件，包括：金属流量20千克/分钟，气体压力2兆帕，气体速度100米/秒，金属过热150℃[14]。随着新的HPGA和USGA设计的出现，这些参数的一些限制正在被突破。例如，在HPGA装置中，气体压力可以超过10兆帕，在USGA装置中气体出口速度可以在马赫2–2.5之间，主频率约为100千赫[8][83]。平均颗粒尺寸随喷嘴类型而异，对于自由落体模式的Fe来说，通常为50–60微米[8]。使用封闭式喷嘴或HPGA和USGA装置时，期望得到更小的尺寸。平均颗粒尺寸通常在10到300微米之间，标准偏差为2.0±0.3[8]。从化学角度来看，气体雾化提供了相对较好的控制，尤其是在比较氧气雾化过程时。气雾化钢通常含有氧和氮（N）含量低于100 ppm（按重量计），以及氢（H）含量低于5 ppm（按重量计），尽管这些含量会因合金类型和颗粒大小而有所不同。例如，在γ-TiAl粉末中，由于表面积效应，直径小于500微米的粉末中的氧含量从800 ppm增加到直径小于45微米的粉末中的1020 ppm [14]。这些颗粒通常具有较高的球形度，并且由于较小颗粒被重新循环回雾化室的高温区而存在一些卫星颗粒。有时在加工过程中会使用水雾化喷雾来去除细小颗粒以解决这个问题 [8]。这种粉末被广泛应用于多种领域，如多孔结构、热喷涂/冷喷涂、金属注塑成型（MIM）、焊接/钎焊、热压加工，特别是增材制造（AM） [11],[113],[114]。事实上，气雾化是所有增材制造方法中产量最大的技术 [59]。气雾化是一个高度商业化的工艺，粉末生产商通常要求的最小订单量（MOQ）为10公斤以上，而专业经销商对于常见/成熟的粉末则可能要求超过1公斤，定制生产则通常需要超过10公斤。

4.5. 能力和局限性
通过气雾化可以处理多种材料。传统上，可以生产钢材、锌（Zn）、铝（Al）、铍（Be）、铜（Cu，例如黄铜）、镍（Ni，例如超级合金）、锡（Sn）、钴（Co）和钛（Ti）合金 [8],[14],[115]。像钛这样的金属由于易于与氧结合，在水雾化过程中难以合成，但在惰性气体环境下则可以成功制备。其他低熔点和非铁金属也可以通过该工艺加工 [14],[108]。直到最近，由于坩埚限制问题，高熔点难熔金属的雾化仍然较为困难。然而，电弧等离子气雾化（EIGA）技术已经能够生产用于航空航天应用的难熔金属粉末，例如铌（Nb）合金C103 [116],[117]。气雾化的一个主要优势是它可以生产预合金化的粉末 [118]，这与需要预先混合元素粉末的机械粉末生产方法不同。在气雾化过程中，所有颗粒在化学成分上是相同的，每个颗粒都可以被视为一种“微铸锭”。有多种气体可供选择，从空气到惰性气体，可以在工艺控制和经济性之间找到平衡。气体选择还会影响颗粒形态：如铝（Al）、锌（Zn）和黄铜（Brass）在空气中雾化后可能会形成不规则形状，而采用水雾化则会产生更规则的颗粒 [14]。金属的氧亲和力对其形态有很大影响：具有中等氧亲和力的材料（例如铅（Pb）和锡（Sn），如果在其氧化膜表面张力较低的情况下在惰性气体中雾化，会形成球形颗粒；而氧亲和力较低的材料（例如铜（Cu）和镍（Ni），无论在何种气体中雾化，其氧化膜都容易还原或溶解，因此通常也会形成球形颗粒 [13]。无论具体条件如何，气雾化颗粒的球形度都显著更高，且氧含量比水雾化粉末低一个数量级，这一点在用钴基Haynes Stellite合金No. 31进行的比较中得到了验证 [80]。氮气（N2）常用于钢材的雾化，而氩气（Ar）则适用于更高等级的合金。

与水雾化相比，气雾化的成本通常更高，冷却速率大约低一个数量级 [14]。虽然整体粉末质量更优，但该工艺仍存在一些缺点。卫星颗粒的形成会影响粉末流动性和加工过程中的均匀层铺展，从而导致部件出现缺陷和机械强度下降 [113]。气体包裹也可能造成问题；虽然氮气引起的孔隙较少，但氩气容易产生微孔或空心颗粒，这对钛等材料的热等静压（HIP）成形有害 [8]。熔化过程也可能带来挑战，尽管纯度控制较好，但坩埚或喷嘴可能会污染粉末 [14]。EIGA技术虽然解决了这个问题，但要求材料能够被加工成电极形状。即便使用EIGA技术，钨（W）的雾化仍具有一定挑战性。尽管新的HPGA和USGA技术降低了颗粒尺寸阈值，但由于气体压力和速度之间的渐进关系，传统气雾化的最大颗粒尺寸仍受到限制，实际限制约为5.5 MPa [14]。虽然这些粉末的高球形度使其适合增材制造，但在传统压制工艺中其压实性能较差，加工后的绿色强度也较低 [11]。另一个常见问题是在喷嘴上堆积金属。虽然预涂层是该工艺的常见现象，但熔融金属有时会凝固并堵塞喷嘴，尤其是在受限或环形喷嘴中，可能会发生飞溅和冻结，甚至引发火灾 [8],[13]。尽管气雾化已实现大规模商业化，但由于最小订单量的限制，研究少量粉末（<10公斤）的供应仍然有限。实验室研究所需的设备也很稀缺，研究人员通常需要购买大量粉末或依赖第三方分销商，但此类分销商数量不多 [115]。这种小批量设备的缺乏导致学术界和工业界在粉末生产和增材制造工艺理解方面存在差距。

4.6. 展望
气雾化已成为增材制造粉末生产的行业标准。它能够在大规模生产和合理成本下生产出细小且近似球形的颗粒。HPGA和USGA等新技术的进步进一步降低了细颗粒的制备阈值，提高了适合激光束熔融沉积（L-PBF）及其他增材制造技术的粉末产量。然而，其他雾化技术（如离心雾化和超声波雾化）的成熟也为市场带来了竞争压力，这些技术生产的粉末通常具有更高的质量和更好的流动性。尽管如此，气雾化的生产效率仍然具有优势，在增材制造领域将继续发展。未来可能会继续改进以获得更小的颗粒尺寸，同时还需要进一步优化以提高效率（例如开发新型喷嘴设计）。此外，还需要改进以消除卫星颗粒和空心颗粒，因为这些问题仍会影响粉末的流动性和孔隙率。尽管这些系统可以处理多种材料，但VIGA/EIGA技术尚未完全适用于生产超高温（如难熔金属）钨（W）。这代表了进一步扩大技术应用范围的一个持续挑战。尽管气雾化已在工业上成熟，但目前仍缺乏描述复杂雾化过程的数学模型。未来几年需要在实验室层面进行更多研究，以解决更基础的科学问题并弥合这两个领域之间的差距。增强小批量设备的可用性将有助于更快地理解基本原理并推动工艺优化。

5. 等离子体雾化
5.1. 雾化原理
等离子体雾化将熔化和分解结合在一个集成过程中。多束非传输弧等离子体火炬同时熔化金属丝或细棒状原料，并将熔融物质剪切成细小液滴 [33],[119]。这种双重功能使等离子体雾化成为一种“双流体”技术，其中热源和雾化介质均来自同一等离子体。图18展示了该工艺的示意图以及一个商业系统 [120]。

等离子体雾化涉及熔融金属流通过等离子体流冲击而破碎成离散液滴。这些液滴随后会球化、固化，并被收集以便后续筛分、后处理和分配。等离子体的生成方式决定了火炬的配置：在传输（直接）系统中，常用导体工件作为阳极；而非传输（间接）弧等离子体雾化则使用喷嘴作为阳极，喷嘴通常与燃烧室通过绝缘体隔开，如图19所示 [121],[122]。这两种配置都是通过向电极引入自由电子来产生等离子体，这些电子随后与惰性气体（通常是氩气或氦气）发生电离（电子得失）和激发（电子能态变化）反应，从而形成物质第四态 [33]。

等离子体温度可超过10,000 K，而周围气体温度可达2,000–10,000 K [119]。多束对称排列的火炬可以创建均匀的加热区域。极高的温度和动能使得等离子体射流能够剪切密集的熔融金属片。由于Ar+和Ar2+离子之间的相互排斥作用，等离子体的高粘度进一步促进了熔融物质的分解。雾化后，液滴因表面张力的作用而球化。这一过程依赖于材料的热物理性质及其固化前的时间。高温等离子体射流能使金属保持过热熔融状态的时间比其他技术（如水或气体射流）更长，为完全球化提供了充足时间，从而减少不规则形态 [33]。

另一种观点将等离子体雾化分为两个阶段：初级等离子体雾化（PPA）和次级雾化（SA）[22],[123]。在PPA阶段，等离子体火炬熔化原料，形成较大的液滴，这些液滴随后通过类似其他流体雾化技术的机制破裂成细小颗粒 [123]。这种两阶段描述强调了PPA阶段（受等离子体射流特性和材料性质控制）对最终颗粒尺寸分布（PSD）的主要影响 [123]。图20展示了这一过程的一般顺序。虽然两种框架描述的是相同物理过程，但PPA/SA模型为参数化工艺变量对粉末特性的影响提供了有用的结构。一些实证研究表明，调整火炬与金属棒的距离或使用不同类型的等离子体喷嘴可以影响PSD [22]。然而，迄今为止尚未建立严格的物理关系 [22]。

Entezarian等人于1996年首次提出了等离子体雾化技术，Hydro-Quebec公司在1998年获得了该技术的专利 [119],[124]。在此之前，等离子体已广泛应用于多种粉末处理工艺（如等离子旋转电极工艺PREP），但PREP实际上依赖于离心力进行雾化，并仅利用等离子体进行熔化 [见第6.1节]。除了雾化之外，非传输弧技术中的等离子体还用于材料分解（热解）、喷涂（飞溅淬火）和熔化 [119]。等离子体雾化是首个同时利用等离子体的高动能和速度来熔化和剪切熔融物质的技术。可以使用单焰或多焰火炬配置，电源可以是直流电（DC）或射频/交流电（RF/AC） [125]。PyroGenesis公司的Serge Grenier博士与Hydro-Quebec公司合作，于1998年将该技术商业化 [33]。最初，等离子体雾化能够生产高纯度的活性金属粉末，尤其是钛（Ti）和锆（Zr），其颗粒尺寸（<100微米）符合大多数增材制造应用的要求 [119]。这种性能得益于惰性氩气环境，减少了氧污染，并且采用线材供给方式避免了熔融金属与坩埚壁的接触。如果直径足够小，也可以使用细棒状原料；同样，也可以将预熔化的金属送入等离子体射流中。然而，设备设计存在多种变体，技术进步也不断改进了这一工艺。如前所述，通常使用非传输弧技术，但传输弧和感应耦合等离子体（ICP）技术也是可行的 [125]。除了传统的等离子体雾化工艺之外，还存在着其他子技术，其中包括等离子体气体雾化（PGA），这与第4.2节中介绍的PIGA有所不同。在PGA技术中，等离子体仅用作熔化装置，而PIGA则可能是等离子体负责熔化/初步破碎，随后气体喷射进一步引发二次破碎。此外，尽管像PREP和超声波雾化这样的竞争方法有所发展，但等离子体雾化长期以来一直是高质量球形Ti粉末的商业领导者。如前所述，PREP并不被认为是等离子体雾化的一个子技术；然而，如果初始破碎是由等离子体本身完成的，那么等离子体离心雾化（PCA）（使用旋转盘/杯来破碎由等离子体火炬熔化的金属）也可以被视为一个子技术[125]。在这种情况下，离心作用将是一个次要机制。图21展示了等离子体雾化的层次结构图。

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图21. 等离子体雾化的层次结构图。等离子体雾化可以根据原料、设备设计及子技术进行细分，突显了该工艺的多样性。

5.3 数学描述
作为一种相对较新的技术，在这个习惯于保密信息的领域中，关于等离子体雾化物理关系的公开研究仍然有限。许多结论源自Entezarian等人的原始介绍或关于等离子体和流体物理的辅助研究[119]。Entezarian等人报告了10^4–10^5 K/s的冷却速率，这是通过测量次级树枝晶间距并使用类似方程22的关系得出的[119]。然而，Sun等人则报告了低得多的冷却速率，为10–1000 K/s[126]。这种三个数量级的差异可能源于测量位置（表面与内部）、颗粒大小或材料组成的差异。在各种雾化技术中，这种冷却速率的变异性很常见，这突显了在高动态、尺寸分布不均的粉末群体中表征固化过程的挑战。尽管存在这种不确定性，等离子体雾化相对于传统铸造工艺始终表现出快速的固化速度。冷却速率（CR）的一般形式为[127][128]：
(22) CR = ΔT / (λ^2 * k^3 * n^2)
其中ΔT是固化范围，λ^2是次级树枝晶间距（SDAS），k^3是一个材料常数，n^2是一个介于1/3到1/2之间的经验因子。通过使用显微镜技术在截面的粉末中测量SDAS，可以计算出CR。

Entezarian等人确定平均颗粒大小与等离子体喷射速度成反比，较高的速度能传递更大的动量，从而产生更细的粉末[119]。虽然没有提供预测方程，但Yurtkuran等人的最新CFD工作验证了这一关系，展示了喷嘴几何形状的变化如何系统地改变等离子体喷射的温度和速度（图22）[129]。这种关系在定性上类似于气体雾化中的We相关性，表明类似的流体力学原理可能支配着颗粒的形成。此外，鉴于等离子体雾化与气体雾化之间的相似性，We或其他与湍流相关的无量纲数可能适用于对等离子体雾化中的破碎机制进行分类，尽管目前这种分析尚未完全扩展到该技术。

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图22. 气体（a）温度和（b）速度与喷嘴距离的关系及喷嘴几何形状，数据来自[129]。请注意，图例中的不同形状表示圆锥形喷嘴的出口直径。温度和流速都会随着距离喷嘴出口的距离增加而降低。对于给定的距离，圆锥形喷嘴出口直径的减小会进一步降低等离子体的出口温度和速度。

支持两步PPA/SA描述的理论提出了两个决定颗粒大小的关键时间参数：相变时间代表单位时间内相变能量与吸收热量的比率，剥离时间定义了熔融金属在切向力作用下从棒材上剥离的时间——更多细节见Zhang等人的研究[123]。

5.4 行业标准和实践
PyroGenesis（等离子体雾化技术的先驱）为其NexGen?系统申请了一项新专利（美国专利11,839,918），强调其适用于增材制造（AM）的原料[130]。与之前的系统相比，NexGen?提供了更高的生产率、更窄的颗粒尺寸分布（PSD）以及更适合熔融沉积（BJ，AM）和金属注射成形（MIM）的细粉末输出[130]。表5总结了这项新设备的详细信息。这些改进表明等离子体雾化效率有了显著提升。然而，其生产率仍然远低于大规模气体雾化（通常为10千克/分钟，第4节）和水雾化（通常超过100千克/分钟，第3节），限制了等离子体雾化在处理低反应性材料的大规模应用中的竞争力。即使PyroGenesis将Ti-6Al-4V的生产率从5千克/小时（0.08千克/分钟）提高到28千克/小时（0.47千克/分钟），也难以与这些水平竞争[130]。

表5. 当前和下一代PyroGenesis仪器的参数值比较（Ti-6Al-4V Grade 23），数据来自[130]。
| 参数 | 当前PyroGenesis | NexGen? |
|-------------------|-------------------|-----------------|
| 生产率 [千克/小时] | 5 | 28 |
| 气体与金属比率 | 26 | 5.5 |
| 停机到启动时间 [小时] | 20.5 | |
| 特定功率 [千瓦时/千克] | 31.2 | |
| 热效率 [%] | 11.1 | 8.7 |
| | | |

尽管可获取的操作参数有限，但许多参数可以从气体雾化或数学关系中推断出来。表6总结了相关等离子体雾化参数对颗粒大小的影响。

表6. 相关等离子体雾化参数对颗粒大小的影响
| 增加的参数 | 对中位颗粒大小的影响 | |
|-----------------|-----------------| |
| 等离子体喷射速度 | 减小 | |
| 等离子体气体流量 | 减小 | |
| 金属流量 | 增加 | |
| 气体与金属比率 | 减小 | |
| 金属表面张力 | 增加 | |

不过，已经为Ti-6Al-4V及其相关粉末大小提供了示例参数。表7列出了等离子体雾化粉末的加工和流变值实验大纲，后者与PyroGenesis发布的数据一致。表7还列出了NexGen?系统的输出值，显示了适合AM技术的粒度范围。表7还提供了1000 ppm的氧含量，符合ASTM F3001–14(2021)对极低间隙（ELI）Ti-6Al-4V（即Grade 23）的要求[131]。

表7. PyroGenesis NexGen?生产的Ti-6Al-4V粉末的加工参数和性能，数据来自[130]。
| 性能/加工属性 | 范围/值 | |
|-----------------|-----------------|-----------------|
| 粒度切割 [微米] | 20–63 | |
| 产率 [%] | 32 | |
| 表观密度 [克/立方厘米] | 2.42 | |
| 塔帕密度 [克/立方厘米] | 2.7 | |
| 霍尔流速 [秒/50克] | 25.9 | |
| 铝 [%] | 6.4 | |
| 钒 [%] | 4 | |
| 氧 [ppm] | 1000 | |
| 火炬功率 [千瓦] | 90 | |
| 等离子体气体流量 [标准升每分钟] | 890 | |
| 火炬护套气体流量 [标准升每分钟] | 260 | |
| 主护套气体流量 [标准升每分钟] | 400 | |
| 丝材尺寸 [毫米] | 3.175 | |
| 丝材电弧总电流 [安培] | 740 | |
| 丝材电弧电压设置 [伏特] | 30 | |

等离子体雾化能够大规模生产最高质量的Ti-6Al-4V，这使得该工艺成为商业上的焦点。虽然该技术可以加工多种材料，但其他方法可以以更高的速率加工铁基合金，从而降低了材料多样化的经济吸引力。此外，等离子体雾化还满足了锆（Zr）粉末的需求，因为锆与钛具有相似的材料限制，包括对氧的亲和性和自燃性[130]。

5.5 能力与局限性
等离子体雾化需要使用丝材或棒材作为原料，这可能比水雾化或气体雾化中使用的锭材/坯料更难以获取（取决于材料类型）。该技术还需要大量的资本投资来购买大型设备，包括高功率等离子体火炬、惰性气氛系统以及大型雾化室，以及维持等离子体运行的相关能源成本。然而，与同样需要惰性气氛的惰性气体雾化相比，等离子体雾化由于等离子体的动能密度高于加压气体，因此单位质量的运营成本更低[123]。这降低了气体与金属的比率，从而减少了惰性气体的消耗。总体经济可行性取决于生产规模、材料类型和所需的粉末特性，对于高价值反应性材料而言，当粉末质量能够证明资本投入的合理性时，等离子体雾化最具成本竞争力。

等离子体雾化产生的副产物（卫星颗粒）显著少于气体雾化，这可能是由于雾化室内的湍流和再循环减少[8][132]。更为层流的流场使得颗粒在碰撞和粘附到较大颗粒之前有足够的时间冷却和固化。任何形成的非金属结合卫星颗粒都可以通过标准的后处理技术去除[133]。等离子体雾化中的高球形度可能是由于惰性气氛和在较高温度下延长的作用时间共同作用的结果[33][34]。缺乏氧气可以防止氧化物形成，从而避免阻碍表面张力驱动的球形化过程；同时，高温等离子体使颗粒保持熔融状态足够长的时间，以实现完全的形状优化[132][134]。因此，利用这种技术可以将反应性金属制成粉末。

除了能够加工反应性金属外，等离子体雾化产生的粉末还具有优于水雾化和气体雾化的特点：更高的球形度（约0.8）、更窄的尺寸分布、可实现的颗粒大小范围（从细小颗粒（<25微米）到粗颗粒（>125微米），以及极少的卫星颗粒形成。这些特性使得等离子体雾化粉末特别适合用于L-PBF等增材制造技术，或热喷涂或锻造粉末冶金（PM）等传统技术[33][130]。该技术可以加工多种导电材料，包括锆（Zr）、铝（Al）和碳（C）钢[130]。等离子体雾化通过两种机制实现高纯度：首先，惰性气氛减少了雾化过程中的氧气吸收，从而降低了氧化物含量；其次，丝材原料的方式避免了其他方法所需的坩埚熔化过程，避免了陶瓷壁或喷嘴导致的耐火材料污染[126]。只要丝材原料的初始污染较低，由于固化很可能发生在颗粒接触 chamber 表面之前，因此产生的粉末保持着高纯度。

尽管具有这些质量优势，等离子体雾化仍有一个与气体雾化相同的局限性：高压流体流动可能将气体困在颗粒内部，形成内部孔隙。这种现象发生在熔融表面在雾化过程中受到干扰和折叠时，类似于气体雾化中观察到的机制[25]。

5.6 前景
当Entezarian在1996年推广等离子体雾化技术时，他声称“没有其他工艺能够生产出平均颗粒大小为40微米的球形Ti粉末”[119]。将近三十年后，等离子体雾化仍然作为高质量Ti和反应性金属粉末的主要商业方法保持其领先地位。惰性气氛处理、优异的球形度以及极少的卫星颗粒形成使其成为航空级Ti合金和其他空气敏感材料的首选技术。然而，竞争技术也在不断发展。惰性气体雾化、PREP和超声波雾化的改进正在缩小质量差距。等离子体雾化的未来竞争力取决于持续优化，特别是在建立工艺参数与粉末特性之间的数学关系以及通过提高效率来降低成本方面。随着增材制造（AM）对高质量球形原料需求的增加，等离子体雾化的市场地位将取决于其在保持质量优势的同时扩大生产规模的能力。

6. 离心雾化
6.1 雾化原理
虽然离心雾化过程存在多种子技术，但其基本原理始终不变：熔融金属通过“离心”力的作用而破碎。主要的控制变量是盘或电极的直径和旋转速度[16]。这也被称为旋转雾化[16]。在基于盘的配置中，金属在坩埚中熔化后通过浇口送入快速旋转的盘中。接触后，离心力将熔融金属向外推进，在其离开盘边缘时发生破碎。图23a展示了这种盘式离心雾化过程的示意图，以及一个典型商业系统的照片[136]。

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图23. (a) 离心雾化过程的概念示意图。(b) 商业离心雾化系统的照片，图片来源：Ervin Industries [136]。离心雾化涉及通过旋转盘的径向加速将熔融金属流分解成离散的液滴。这些离散的熔融液滴随后球形化、固化，并被收集起来进行后续的筛分、后处理和分配。

盘几何形状显著影响雾化过程。早期的实验使用了带斜面的杯子而不是平面盘[137][138]。这些几何变化影响了液膜动态和随后的破碎行为，尽管离心力克服粘性力将熔融金属碎裂成固化颗粒的基本机制保持不变[139]。图24展示了三种主要的离心雾化配置：盘式、杯式和电极式（REP/PREP）。基于电极的技术是盘式方法的一种替代方案。在旋转电极过程（REP）中，可消耗的金属电极旋转，而非消耗性的W电极通过转移电弧将其尖端熔化。等离子体旋转电极过程（PREP）使用电弧等离子体而不是直接接触。这与等离子体雾化中的非转移电弧类似，但PREP可以使用转移电弧，其中图19中的非消耗性火炬电极接地到工件（消耗性电极）[140]。尽管在这些设置上存在差异，但两种电极方法都依赖于与基于盘片的系统相同的离心破碎机制[8]。下载：下载高分辨率图像（76KB）下载：下载全尺寸图像

图24. 三种主要离心雾化类型的示意图，包括（a）盘式、（b）杯式和（c）电极配置（REP/PREP），基于[8]。电极过程通过焊接电弧（REP）或等离子炬（PREP）消耗金属工件。

Hinze和Milborn首次通过旋转杯实验确定了离心雾化的三个不同分解阶段：直接滴形成（DDF）、纽带形成（LF）和薄膜形成（FF）[138]。当液体被输送到旋转盘或杯上时，在外缘会形成一个环状物。在低进料速率下，DDF通过瑞利-泰勒（即泰勒）不稳定性发生，其中表面张力抵消了旋转装置施加的离心力[141],[142]。Muraszew早期对旋转燃料喷射室的研究解释了这一机制：一旦离心力超过表面张力，环状物就会变得不稳定并破裂[143],[144]。液滴直接在边缘形成，并带有细小的尾迹，这些尾迹随后会破碎成更小的颗粒[139]。随着进料速率的增加，系统过渡到LF阶段。此时，液体以离散的纽带形式从边缘流出，而不是单个滴状。这些圆柱形的纽带根据Plateau-Rayleigh（即瑞利）不稳定性破裂，该不稳定性适用于旋转对称的扰动[77],[138],[145]。在这个阶段末期，由于金属-气体界面的速度差异，金属表面可能会形成波浪或“涟漪”，这是由于凯文-亥姆霍兹剪切不稳定性[146],[147],[148]。在最高进料速率下，当过大的流体流量克服了盘边缘的泰勒不稳定性时，会发生FF[14]。来自LF的柱状纽带合并成一片连续的薄膜，然后发生不规则破裂[139],[144]。Frost对LF模式的详细研究揭示了其优势：它平衡了DDF的尺寸均匀性和FF的高产量。然而，要实现均匀的LF，需要将液体直接输送到盘中心，以确保整个边缘的流量均匀[149]。这三种破碎模式的示意图见图25。

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图25. （a）DDF、（b）LF和（c）FF破碎模式的示意图，分别由泰勒不稳定性、瑞利不稳定性和过量流动主导，在离心雾化过程中，基于[14],[150]。在低流量下，DDF导致形成离散的液滴和由于离心力克服边缘表面张力而产生的二次尾随颗粒。在较高流量下，LF发生，形成圆柱形的纽带，这些纽带经历瑞利不稳定性并破裂。FF是由于过量流动造成的，结果是在边缘形成一片薄膜并发生不规则破裂。

破碎模式取决于几个可控参数。系统的物理性质、盘或电极直径、角速度以及熔融金属的进料速率起着主要作用。材料性质，包括表面张力、密度、粘度、化学成分和温度也会影响这一过程[139],[151],[152]。随着盘边缘的切向速度增加，颗粒尺寸减小，这可以通过提高旋转速度或增大盘直径来实现。这种关系在多种系统和材料中都成立。Plookphol等人使用SAC305（无铅Sn-Ag-Cu合金焊料）证明了这些趋势，并表明颗粒尺寸随进料速率的增加而增加[153]。杯形几何结构可以通过对液膜加压来将颗粒尺寸减少多达25%，从而降低临界膜厚度和随之而来的液滴尺寸[137],[154]。然而，参数优化可以将颗粒尺寸控制在盘式和杯式配置之间的名义置信区间内[155]。这些趋势普遍适用于基于电极的系统。Zhao等人使用PREP和Ti-6Al-4V及316 SS验证了相同的关系，改变了电极直径、旋转速度、电弧电流（即熔化速率）和电极几何形状[156]。材料性质也会影响颗粒尺寸。Champagne和Angers发现，提高表面张力与密度的比值会导致使用REP处理钢、Fe、Cu、Al和Zn时产生更大的颗粒，因为这些性质难以独立变化。粘度的影响很小，仅导致Sauter平均直径（d32）在四倍增加的情况下变化了3%[139],[150]。Scott等人使用硬脂酸在喷雾凝固实验中确认了这种微弱的粘度依赖性[157]。

破碎模式显著影响粒子大小分布（PSD）特性。在DDF中，每个主要液滴的尾随细丝会形成二次“卫星”液滴，从而产生双峰数分布[139],[150]。尾随细丝通常从主要液滴分离并形成自己的球体，产生等量的主要和次要颗粒[158]。过渡到LF时，会产生长的纽带，这些纽带会碎裂成许多颗粒，从而产生更单峰的尺寸分布，分布更广且均匀性更高[139],[146],[150]。

6.2. 历史与概述

离心雾化技术的出现早于第二次世界大战，早期在代尔夫特实验室的研究集中在燃烧器中的液体雾化上[15],[138]。由于铜短缺，该技术在战争期间受到了重视，当时开发了D.P.G.旋转盘方法，通过高速旋转盘上的叶片使金属流动来生产用于炮弹的铁粉。战后，离心雾化找到了多种应用。研究人员研究了旋转燃料室，以改善飞机涡轮机的雾化和燃烧[143]。复印机行业也探索了这种方法用于炭黑分散[14]。然而，该技术的突破发生在1955年，当时Colbry和Hershey为陶氏化学公司工作，他们发明了一种使用少量Zr和Zn以及旋转钢盘/杯来雾化熔融镁（Mg）的方法[159]。1963年，Kaufmann为Nuclear Metals, Inc.（后来更名为Starmet Corp.）申请了一种可消耗的棒状电极方法的专利[160]。REP采用非消耗性的钨极惰性气体（TIG）配置，利用传输电弧熔化可消耗的棒状电极。该过程后来发展为PREP，将接触电极替换为非接触式传输电弧等离子[99],[140]。与此同时，制药行业采用了离心雾化用于“喷雾凝固”应用[157]。后续的发展使得能够处理高熔点材料，包括钢材、难熔金属和二氧化铀，Nuclear Metals, Inc.在1974年获得了长条配置的后续专利[13],[14]。

基于盘片的（旋转盘）离心雾化技术在REP开发十年后出现。1975年底，Pratt & Whitney（当时称为United Technologies Corporation）成功演示了第一个基于盘片的系统，使用氦气喷射冷却来生产IN?100镍超合金粉末。Holiday和Patterson在1978年获得了这种旋转盘方法的专利[14],[161]。尽管传统的快速固化速率（RSR）方法使用氦气喷射进行冷却，但该技术很快衍生出了各种变体和改进。能够允许更高流量并促进破碎的杯形平台变得有用[16]。Wentzell通过在主盘上方添加一个次级盘来修改了通用的基于盘片的技术，从而产生更细的颗粒[162]。此外，最终在基本盘/杯边缘添加了齿状结构，以便在更高流量下实现LF[16]。值得注意的基于盘片的子技术包括电子束旋转盘（EBRD）方法，它使用电子束作为热源，以及振动电极过程（VEP），其中可消耗电极是振动的而不是旋转的[14]。所有这些都在图26的离心雾化术语层级图中有所体现。尽管多年来进行了许多修改，但基于盘片的技术、REP和PREP仍然是当今主要的离心雾化技术。

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图26. 离心雾化的术语层级图。离心雾化可以根据类型、改进和子技术进行细分，突出了该过程的通用性。

6.3. 数学描述

Hinze和Milborn对离心雾化行为进行了开创性的研究，这是由于他们使用旋转杯在燃烧器中供应雾化液体而激发的[138]。他们通过将液体流入一个向边缘逐渐扩大的垂直旋转杯来进行实验研究，并通过维度分析对杯边缘的液体环状物和类似渐开线的纽带形状进行理论建模。他们的研究表明，一旦形成了最大数量的纽带，多余的流体会不断增大，最终合并成一片连续的薄膜，从而产生FF。这一分析准确地预测了LF和FF之间的实验转换[138]。在此基础上，Champagne和Angers将研究扩展到金属系统，观察到使用REP熔化各种金属棒（Fe、钢、Cu、Al、Zn）时的行为与有机液体类似[150]。通过系统地改变操作参数（角速度、阳极直径、熔化速率）和材料参数（液体密度、表面张力、粘度），他们通过回归分析获得了定量关系[144]。他们的结果复制了Hinze和Milborn对LF到FF转换的预测，并扩展了工作，以识别DDF到LF的转换。他们通过将操作参数与材料参数在无量纲轴上绘图来直观展示这些雾化模式领域，如图27所示，强调了这种方法的适用性[150]。

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图27. 离心雾化中破碎模式的图形表示，条形图代表各种材料的实验范围，虚线代表从原始数据[150]中 extrapulated 的范围，并添加了[163]的数据。在特定破碎模式下的操作依赖于多种参数，包括材料参数（熔融金属表面张力、粘度）和操作参数（熔化进料速率、盘/电极角速度、盘/电极直径）。

Zduji?和Uskokovi?将这些发现总结为实验参数与无量纲Hinze-Milborn数（Hi）之间的数学关系，该数表征了雾化模式：
(23) Hi = μl^0.17Qm^0.71ω^0.60σl^0.88Ddisk^0.68
其中μl是动态液体粘度，Qm是熔化速率，ρl是液体密度，ω是角速度，σl是液体表面张力，Ddisk是盘或电极直径，在这种情况下液体是熔融金属[164]。这些模式分别为：Hi < 0.07对应DDF（滴状雾化），0.07 < Hi < 1.13对应LF（流式粉碎），Hi > 1.13对应FF（薄膜粉碎），表示流量和角速度增加或盘/电极直径减小[164]。

除了预测破碎模式外，这些分析还可以预测颗粒大小。Zduji?和Uskokovi?结合了广义雾化分析和Wentzell的离心加速项，推导出了理论滴尺寸（dth）的公式：
(24) dth = 1/ω^12σlρlDdisk
其中变量保持其之前的定义[164]。该公式表明理论滴直径与角速度和盘/电极直径的平方根成反比。图28用Xie、Zhao和Dunkley在各种盘角速度和熔化流量下对纯Sn进行离心雾化的实验数据为例进行了说明[137]。更高的旋转速度或更大的盘直径会增加边缘的切向速度，从而提高系统动能，表现为新表面的形成（表面能）[165]。这种反比关系也适用于其他离心破碎场景。此外，从这个图中还可以看出，随着流量减少，曲线向更小的颗粒尺寸移动，这是由于薄膜变薄、滑动减少和加速度增大；理论上，尽管如此，所有雾化过程仍大致处于LF模式，根据Hi标准和预期的Qm值对应的DDF到LF和LF到FF转换[137]。

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图28. 不同熔化流量下盘角速度对中位颗粒大小的影响，实验数据点和实验室规模离心雾化商用纯Sn的最佳拟合模型曲线数据来自[137]。增加盘角速度会减小中位颗粒尺寸，而减少熔化流量到旋转盘上也会减小中位颗粒尺寸。

还有针对离心雾化特定方面的其他方程，包括不同薄膜分布的旋转盘上的流体轮廓、最佳雾化器设计（例如，盘中齿的数量），以及REP中的预期颗粒尺寸比例[16],[139],[166]。然而，最近的进展集中在对观察到的行为的计算建模上。Cegarra等人利用现有的热传输和流体机制的控制方程，对冷却速率进行了建模，并将预测结果与使用Al4Cu的实验SDAS测量结果进行了比较[167]。他们的模型和实验显示，氦气（104–105 K/s）与氩气（103–104 K/s）相比具有更细的微观结构和更高的冷却速率，强调了熔融颗粒附近非环境流动的作用。Mantripagada等人采用了有限体积法、欧拉参考框架和动量平衡方程来模拟粉末的生产过程，并使用VOF（体积分数）建模技术来捕捉气液界面[151]。与实验结果相比，他们发现液滴的冷却是不对称的，前部和外侧的冷却速度快于后部和内部；液滴直径随着粘度和膜厚的增加而增大，而膜厚则随着雷诺数(Re)的增加而增大、随着韦伯数(We)的减小而减小。这些基于流体的模拟显著提升了我们对工艺过程的理解。

6.4. 行业标准和实践
离心雾化技术已经从概念验证的实验室技术发展到了商业规模的生产，系统尺寸取决于生产需求和所需的颗粒大小。对于通过RSR（旋转喷射雾化）方法生产的镍合金，大型系统的容量可达900公斤，腔室直径为5米；而小型系统的容量为135公斤，腔室直径为2.3米[14]。生产速率通常在0.05到0.3公斤/秒（3-18公斤/分钟）之间，尽管某些应用（如渣处理）可以达到每小时300公吨（5000公斤/分钟）[14],[168]。然而，关于这些系统的许多已发表的信息现在已经过时[169]。颗粒大小的选择对腔室设计有重要影响，因为较大的颗粒需要更长的冷却时间，因此需要更大的雾化腔室以确保在碰撞墙壁之前完成固化，从而防止飞溅[15],[169]。二次淬火机制（如使用氦气或水射流）可以提高冷却速率，使得腔室更加紧凑，这对较大颗粒尤其有利，同时可能减少氧化和杂质夹带的风险[11],[15],[163],[168]。高质量的合金粉末生产需要使用氦气或氩气的惰性气氛环境。熔化过程通常在真空或空气中通过感应加热完成，具体取决于材料对氧的敏感性。惰性气体填充可以提供额外的保护。当氧不是主要问题时，熔融金属可以直接从坩埚倒入旋转盘中进行后续处理[14],[168]。基于旋转盘的系统的操作参数包括：盘速可达20,000–50,000转/分钟，生产的超合金粉末平均粒径小于100微米；盘直径一般为几百毫米；熔融金属过热温度约为100摄氏度；颗粒速度在40至110米/秒之间；冷却速率接近10^5开尔文/秒[8],[14],[168]。

电极雾化方法遵循类似的工业惯例，但有两个主要区别。首先，消耗性的金属棒通常水平放置，使得喷雾和雾化腔室呈垂直方向[144]。其次，由于金属在达到熔点后立即液化并喷出，因此难以精确控制过热过程[14]。除此之外，这些方法仍然是半连续的批量生产工艺[11]。对于铁(Fe)、铜(Cu)和铝(Al)合金，实验室规模的电极研究使用的腔室直径为0.62米，长度为0.39米[144]。商业规模的生产使用直径约2.44米的腔室，阳极速度为15,000转/分钟(1570弧度/秒)[14],[168]。电极棒的直径通常为50–75毫米，但长度会随设备和材料特性而变化[11]。短阳极的长度约为254毫米，而长阳极可以达到1524毫米[14]。熔化或进料速率由电弧或等离子电源控制，例如400安培的直流电源，但具体取决于材料的熔点和所需的生产速率[139]。这些过程的生产速率似乎比基于旋转盘的方法慢，例如在316不锈钢的PREP(等离子电弧喷涂)中，使用不同等离子电流实现的熔化速率范围为1–4克/秒(0.06–0.24公斤/分钟)[156]。总体而言，基于旋转盘和电极方法的颗粒大小趋势基本相同。表8总结了相关参数对颗粒大小的影响。

表8. 相关离心雾化参数对颗粒大小的影响

6.5. 能力和局限性
离心雾化技术可以处理多种材料和不同粒度的颗粒。基于旋转盘的雾化方法适用于低熔点合金和 solder，例如基于锡(Sn)、银(Ag)、铜(Cu)、锌(Zn)、钆(Gd)、铝(Al)和镁(Mg)的合金，广泛应用于电子、电池、磁冷却等领域[8],[153],[158],[170],[171]。由于陶瓷材料的成分演变问题，该技术主要限于金属材料。其他可加工的材料包括钛(Ti)合金、钼(Mo)、硅化物、青铜和镍超合金[14],[152]。然而，旋转盘在处理腐蚀性熔融金属（如Ti）和高熔点材料（如Mo）时面临挑战，这需要使用兼容的盘材料[8]。尽管由于感应熔化，原料几何形状具有灵活性，但熔炉和容器的陶瓷污染仍然是一个问题。尽管存在这些限制，离心雾化相比其他雾化方法提供了更精确的杂质控制[14]。REP（旋转喷射雾化）和PREP（等离子电弧喷涂）解决了基于旋转盘方法的许多缺陷。消耗性电极的设计通过避免与容器接触，消除了腐蚀性和陶瓷污染问题[8],[11]。可加工材料的成分范围受到限制，主要限于能够形成棒状并且能在雾化前承受离心力的材料。那些在高速旋转下会弯曲（具有延展性）或断裂（脆性）的材料不适合使用[158]。不过，电极方法能够通过极高的电弧或等离子温度来加工难熔金属。例如，通过REP已经生产出了与核相关的材料，如铀(U)和铍(Be)[158]。PREP通常用于难熔金属，以避免接触电极和电弧产生的潜在钨(W)污染[8]。

所有离心雾化技术都产生了具有优异特性的粉末：高球形度、低孔隙率、低杂质含量、少夹杂物以及狭窄的粒度分布(PSD)[11],[14],[158]。几何标准偏差(σg)值通常为1.3–1.5，而传统双流体雾化方法的值为2.0–2.3，且氧气含量通常低于气体雾化[30],[152]。径向向外飛行路径使得颗粒在碰撞前能够固化，大大减少了夹杂物的形成[158]。这些特性使得产生的粉末纯净且流动性好，非常适合增材制造(AM)应用，但不适合需要良好可压缩性和生坯强度的压制烧结应用。如果冷却后的旋转盘上形成了足够大的固体“骨架”并脱落成碎片，或者粉末在固化前形成了厚厚的氧化层，可能会导致不规则的颗粒[137],[170],[172]。虽然原始技术只能生产出散颗粒状粉末，但最近的技术进步已经实现了AM尺寸范围内的粉末生产[169]。离心雾化通常能生产50–400微米的粉末，其中直径最小的约为200微米，不过产生的粉末范围从非常细小到粗颗粒（约1–1000微米）都有[14]。由于技术难度，很难生成极高的角速度以及由此导致的飞散效应，使得粉末粒度分布不均匀[158]。在理想情况下，单批次产生的粉末中有高达95%可以用于实际应用，主要是增材制造或热喷涂，仅有5%在加工过程中损失[169]。与水或气体雾化工艺相比，85%到90%的粉末能够落在相对狭窄的尺寸范围内[168]。球形颗粒形态也适用于高压成形(HIP)和机械 breakup (MIM) [158]。

离心雾化在资源和能源效率方面具有优势。生成所需熔融金属头的惰性气体消耗量远低于气体和等离子雾化，某些情况下仅为上述方法的1/10到1/100[152]。此外，与水或气体雾化相比，破碎过程所需的能量较少，因为前者只有大约1%的总输入能量用于破碎（而后者由于流体基雾化效率较低）[14]。典型离心系统的能耗约为5千瓦，而气体雾化在正常操作下的能耗约为500千瓦，水雾化约为50–100千瓦[168]。在其他过程中，未用于破碎的能量会加速并加热颗粒；而在离心雾化中，气体仅用于清除大气中的杂质[168]。然而，如果考虑基本运行成本之外的因素（如熔化方法、可扩展性、细粉末产量和市场需求），REP/PREP技术可能会更加昂贵[158]。尽管能源成本较低，但在粉末制造应用中，离心雾化仍无法与水或气体雾化在经济性和产量上竞争。尽管如此，两种主要的离心雾化形式中的任何一种都能满足特定的粉末生产需求。

6.6. 前景
离心雾化的未来前景看好，其先进的细粉末生产能力打开了增材制造市场。与气体雾化相比，离心雾化具有更好的流动性和更少的夹杂物形成，使其成为强有力的竞争对手。其可加工材料范围广泛，旋转盘常用于低熔点合金和 solder，而REP/PREP则适用于处理敏感材料，如钛合金。对于Ti-6Al-4V等合金，电极雾化方法是等离子雾化的有力竞争者。更重要的是，它们代表了难熔金属和合金领域的当前先进技术。对于熔点接近或超过2500摄氏度的材料（如铌(Nb)、钼(Mo)、钽(Ta)、钨(W)、铼(Re)，使用感应熔化和坩埚容器几乎无法获得球形粉末。如果雾化能够生产出高质量的这些粉末批次，那么电极基的离心雾化方法可能是主要原因。否则，这些粉末需要通过化学方法生产，并在使用前进行球形化处理。尽管如此，这项技术仍有一些局限性，如无法处理某些材料。未来发展应该解决这些限制，并继续发挥离心雾化在生产高质量球形粉末方面的优势，以满足高要求的应用。

7. 超声雾化
7.1. 雾化原理
超声波雾化（也称为超声波振动雾化，UVA）利用超声波振动（>20 kHz）来破碎熔融金属以实现雾化，商用实验室设备通常使用等离子火矩来熔化金属丝或金属棒作为原料[27],[173]。在超声波雾化过程中，等离子火矩的配置与等离子雾化部分描述的配置相同（见第5节，图19）。不过，也存在其他配置，例如使用焊接电弧、激光加热或感应熔化作为能源。进料方式也各不相同；一些系统采用手动投料棒，而其他系统则持续使用金属丝或下落熔融金属进行进料。与等离子雾化类似，超声波雾化也涉及“剪切”和“球形化”两个阶段。不过，等离子火矩仅用于熔化原料，不参与流体剪切过程。当熔融原料接触到振荡板/棒或换能器时，振动能量传递给液态金属，导致液滴破裂并分散成颗粒，随后球形化并固化[174],[175]。图29展示了该过程的示意图以及一个实验室规模的系统。

超声波雾化涉及通过超声波振动将熔融金属流分解成离散的液滴。这些离散的熔融液滴随后球形化、固化，并收集起来进行后续的筛分、后处理和分配。熔融金属接触到换能器后，开始一个复杂的润湿和雾化过程，据报道从微秒到毫秒不等。熔融金属落到振动板上的具体时间过程尚未通过实验验证，但大致步骤在图30中有所体现。接触角（取决于材料、界面条件和润湿表面积）可能是一个重要因素，因为液滴在雾化时的高度/厚度越大，产生的液滴也越大[176],[177]。然而，如果在达到平衡润湿之前雾化完成，由于液滴撞击速度的影响，初始扩散可能会更显著[176],[178]。无论时间顺序如何，当振动能量传递给液滴时，波形成和颗粒喷射的复杂现象就会发生。

熔融液滴破裂的机制仍有争议，理论主要集中在毛细波、空化气泡或两者的结合上[175],[176]。Rajan和Pandit将毛细波理论描述为泰勒不稳定性，即由于不稳定振荡，波动的波峰从液体主体中分离出来[142],[179]。然而，人们对振动表面上波浪的观察可以追溯到19世纪末。Chladni首次使用沙子在振动表面上观察到了节点图案[180]。Faraday后来的研究表明，在水等振动流体中观察到的波（或“抖动”）的频率是施加频率的一半[181]。Rayleigh随后提供了描述这些波的数学理论[182]。这项工作表明，更高的工作频率会产生波峰更小的波，这些波会断裂形成更小的液滴。空化理论与毛细波理论有根本的不同。这种机制通常应用于涉及高频率和高能量强度的情况，它将液滴喷射归因于空化气泡的塌陷（或内爆）以及由此产生的冲击波[179], [183]。第三种结合方法试图解释这两种现象。“联合”或空化-毛细管理论涉及空化气泡的周期性内爆，这些内爆激发并脱离有限振幅的波峰。Boguslavskii和éknadiosyants提出了这一机制，参考了许多先前的解释，例如S?llner的空化假设和Eisenmenger在毛细管条件下对表面波激发的解决方案[179], [183], [184], [185]。这三种情景的示意图见图31。下载：下载高分辨率图像（145KB）下载：下载全尺寸图像图31. 基于[175], [176], [179]的超声波雾化过程中（a）毛细波、（b）空化气泡和（c）联合理论的分裂机制示意图。在毛细波理论中，由于不稳定的振荡，波峰从液体主体中脱离；在空化理论中，液滴喷射是由于空化气泡的塌陷和由此产生的冲击波；而联合理论则认为这两种效应共同作用，即空化气泡激发并脱离有限振幅的波峰以形成液滴。历史上，由于相对容易可视化，毛细管理论被广泛接受。现代的现场分析增加了联合理论的知名度，最近的出版物也验证了这一机制。然而，这一过程仍然复杂，对金属的超声波雾化的研究较少[176], [186]。尽管对底层雾化过程有更深入的了解可以提高模型的准确性，但这对于合理的粒度分布（PSD）预测并非必要。通过操纵Lord Kelvin提出的一个基本的毛细流体动力学公式，研究人员Robert Lang及后来的Yukio Mizutani等人开发出了预测振动板输入频率与所得颗粒大小之间关系的方程[147], [187], [188]。尽管这些半经验关系最初是基于对蜡和水的观察而不是熔融金属得出的，但我们最近的工作（图33）表明，其尺寸预测通常与超声波雾化的金属实验数据一致。类似于等离子体雾化，超声波雾化通常在惰性气氛下进行。这使得可以处理反应性粉末，并产生低氧含量的金属粉末，从而提高球形度[189]。与需要大型冷却室在气态气氛下固化颗粒的气体或等离子体雾化不同，超声波雾化可以在相对较小的容器中进行，可能是因为液滴速度较慢，以及雾化后的粉末颗粒形成的独特非线性弧线（见图29的示意图和第9节的比较）[176], [190]。该过程还被证明能够生产出需要高冷却速率的块状金属玻璃（BMG）粉末[35]。虽然标准粉末的产量无法与工业规模操作相媲美，但较小的设备具有几个优点：大大减少了填充容器所需的惰性气体量，降低了操作等离子体所需的总体能耗，以及由于容器较小和表面积减少而提高了回收率，这对于处理贵重材料非常重要。7.2 历史和概述Loomis和Wood于1927年首次将超声波雾化用于液体，作为一种新的生物灭菌方法[191]。在随后的几十年里，该技术主要用于雾化标准液体，如油和燃料[174]。Klaus Stamm在1960年认识到其生成球形金属粉末的潜力，几年后Pohlman和Stamm在1965年发表了广泛的技术研究[192], [193]。其他早期出版物在此基础上进一步发展，强调了该方法相对于球磨机的高效率，以及通过改变频率直接影响粒度分布（PSD）的能力，这对于需要窄分布的颗粒制造应用非常重要[174]。虽然超声波雾化通常指的是UVA（超声空化作用），但也存在其他涉及超声波声学的技术。超声波气体雾化（USGA）是一种结合了气体和超声波雾化驱动器的混合技术，用于生产特别小的颗粒（见第4节）。超声波驻波雾化（USWA）是一种非接触式方法，其中熔融金属通过超声波驻波落下，从而减少了污染的可能性[21], [194]。除了用于生成低熔点粉末以用于焊接之外，UVA并未被广泛用于大规模金属粉末生产[195]。然而，像3D Lab和Amazemet这样的公司最近对研究规模的设备进行了专利申请和商业化，使其作为生成高球形度和窄分布范围金属粉末的方法越来越受到关注[173], [196]。超声波雾化现在作为一种研究粉末的工具而广受欢迎[35], [197]。图32显示了超声波技术的层次结构图。下载：下载高分辨率图像（102KB）下载：下载全尺寸图像图32. 超声波雾化的层次结构图。超声波雾化可以根据原料、熔化设备和技术子类进行细分，突显了该过程的多样性。7.3 数学描述首先由Lord Kelvin提出，后来由Rayleigh解释的是振动液体上产生的波频率和相应波长之间的基本关系[147]，(25)λ3=2πσlρlf2，其中λ是波长，σl是表面张力，ρl是液体密度，f是表面的波频率。Rayleigh不稳定性解释了这样一个观察结果：韧带直径是形成液滴直径的0.53倍，波长是韧带直径的4.5倍；因此，液滴直径大约是波长的一半[145], [179]。根据毛细管理论，在超声波雾化过程中，波峰会脱离并随后球形化并冷却成固体粉末。Lang在进行蜡雾化实验时，重新排列了Kelvin-Rayleigh方程，以求解数均粒径（dn,50）而不是波长，并将其转换为驱动频率（F）[187]，(26)dn,50=0.348πσlρlF213，所有其他变量保持不变。0.34的系数是通过拟合实验数据确定的。当想象波峰断裂形成液滴时，从中部三分之一的波峰射出（约0.34）与Lang的发现逻辑一致。同样，增加频率和减小波长会产生更小/更薄的波峰尖端，从而喷射出更小的颗粒。图33显示了Lang的模型与我们在第10节收集的316 L SS和Ti-6Al-4 V超声波未筛分粉末的实验数据之间的比较。Lang的方程中使用了熔融316 L SS的热物理性质（σl和ρl）作为温度的函数[198], [199]。这些值是通过使用液相线范围的中点（Tm = 1387.5°C）计算得出的，并在必要时进行了外推[200]。熔融Ti-6Al-4 V的热物理性质也是使用可用的温度依赖数据计算的[201], [202]。这种材料的中间熔点也被用来输入相关方程中，没有改变其中的任何固定液相线值[203]。尽管Lang的假设基于蜡（其热物理性质与熔融金属有很大不同），但中值粒径大致一致。注意，在使用这种技术实现小于10 μm的粉末时，随着频率的升高会出现指数衰减（结果趋于平缓）。图中还显示了两种频率（20 kHz和40 kHz）下每种材料的体积粒度分布（PSD），包括体积频率的直方图和累积体积频率（CVF）的曲线。这证实了更高频率倾向于产生更多更小的颗粒，符合Lang的理论，因为分布明显偏向更小的颗粒尺寸。下载：下载高分辨率图像（524KB）下载：下载全尺寸图像图33. 316 L SS：(a) 实验数据与Lang估算的数均粒径之间的图形比较；(b) 两种操作频率下的体积粒度分布。Ti-6Al-4 V：(c) 实验数据与Lang估算的数均粒径之间的图形比较；(d) 两种操作频率下的体积粒度分布。注意，实验趋势与Lang模型的总体趋势一致，尽管由于Lang模型基于非金属的超声波雾化而存在偏差。随着超声波频率的提高，中值粒径减小，颗粒尺寸分布总体上向更小的范围移动。虽然Lang没有提供PSD估算，但Mizutani等人将d32或Sauter（体积-表面）平均直径纳入了关系式[188]，(27)d32=0.538πσlρlF213，所有其他变量保持不变。他们用水进行了实验，并利用Lang的相关性得出了0.53的经验系数，但这一系数仅适用于1 cm3/min的注入速率（这个系数不应与上述Rayleigh的0.53值混淆[188]。这些拟合良好的公式中未包括的类似实验差异可能会影响最终颗粒大小，例如粘度和距熔点的距离。超声波雾化领域尚未见到与其他技术（如水和气体雾化）相媲美的数学建模和严谨性。重要的是，这些方程仅在雾化开始点之后才有效，雾化发生在所谓的阈值或临界振幅值Acrit[28]Acrit=2μlρlρlπσlF13之上，其中μl是液体动态粘度，ρl是液体密度，σl是液体表面张力，F是振动频率[179], [193], [204]。低于这个振荡值，雾化不会发生[179]。这个临界振幅值代表了液体喷发并形成新的离散表面（即液滴）所需的振动能量。7.4 行业标准和实践与其他本文讨论的技术不同，超声波雾化尚未实现广泛或大规模的商业应用。除了仪器供应商提供的描述外，目前没有行业标准。?rodowski等人（与雾化公司Amazemet合作）发表的文章概述了超声波雾化产生的粉末的许多特性，包括筛分后的粉末尺寸（< 50 μm至200–500 μm）；然而，这些值指的是筛网尺寸，并非直接描述颗粒尺寸。我们的实验工作表明，该过程名义上产生的颗粒尺寸在约20–300 μm范围内，尽管在体积频率表示中较小颗粒的出现较少，如图33b中的316 L SS所示。鉴于缺乏公开的数据以及用于研究和生产的仪器之间的参数差异，表9列出了我们使用Amazemet rePowder系统进行超声波雾化的示例参数和生产指标。表9. 使用Amazemet rePowder系统对316 L SS进行超声波雾化的示例参数和生产指标。参数或指标值或类型振动频率 [kHz] 20或40振动幅度 [%] 100等离子流 [A] 约190–200原料类型rod原料尺寸 [英寸] 1/8直径×6长度（约3 mm×150 mm）原料质量 [克] 约60换能器材料TZM（钛-锆-钼）气氛UHP（超高纯度）Ar气氛O2含量 [ppm] 约1–20进料/生产率 可变（手动进料）产生的颗粒尺寸范围 [μm] 约20–300从总熔融材料中获得的粉末产量a [%] 约80从总粉末输出中获得的45–106 μm颗粒产量 [%] 约60–80从总熔融材料中获得的45–106 μm颗粒产量 [%] 约50–60从总输入材料中获得的45–106 μm颗粒产量 [%] 约35a由于熔融材料用于归一化粉末产量，因为这是受到雾化过程影响的材料；任何未熔化的剩余棒材都可以重新用于后续运行。请注意，这个值是可变的，因为它取决于用于雾化的输入材料量；即使熔化了最大量，固定装置中总是会剩余一些材料。还可以根据颗粒尺寸得出一些一般趋势。表10总结了这些趋势，尽管最著名的关系仍然基于超声波频率。表10. 相关超声波雾化参数对颗粒尺寸的影响。参数 增加效应驱动频率减小金属表面张力减小金属密度减小其他超声波参数也可能影响颗粒尺寸，如振幅，但尚未明确列出。然而，与可用频率相关的有名义上的颗粒尺寸。尽管这些取决于合金，但对于20 kHz，dv,50大约为60–100 μm；对于40 kHz，为45–60 μm；对于60 kHz，为32–38 μm（尽管后者目前仅在感应熔化设置中可用）[205]。然而，改变频率参数并不简单，因为换能器的操作频率受到超声波雾化组件物理和热管理设计的限制。超声波组件会在换能器上形成驻波，因此必须针对每个所需的频率进行专门设计。连接到超声波换能器的组件必须经过精心设计，几何尺寸必须与所需的操作频率相匹配。为了确保在换能器尖端达到最大放大效果，元件被校准为半波长的倍数[205]。7.5 能力和限制超声波雾化结合了低的液滴动能和速度，使得可以在小尺寸的容器（< 1米）中生产粉末，其粉末特性可与最佳的技术相媲美。由于能够处理各种材料并且占地面积相对较小，这项技术在实验室规模的粉末冶金（PM）研究人员中颇受欢迎，未来潜在的应用包括冷喷涂和增材制造（AM）[27]、[206]。虽然较低的产量对于研究应用来说不是问题，但这阻碍了其更广泛的工业化。超声波雾化装置并不是为了取代目前主导粉末冶金行业的工业水和气体雾化装置。将这项技术规模化为实际应用面临许多挑战，特别是需要精确的频率校准[175]。这项技术不如水和气体雾化技术成熟，也缺乏相应的多样化、优化以及广泛的研究支持。供应商数量也非常有限，目前只有两家主要商业制造商，而且它们的产品与现有平台相比没有显著差异。超声波雾化与等离子体雾化有一些共同的限制。常见的系统设计依赖于线材或棒材作为原料，而低熔点材料根据加热方式（例如等离子弧）可能会沸腾或挥发。某些设计允许通过感应熔化原料来减少挥发问题，但这限制了可加工材料的温度范围在1300°C以下。然而，固体原料具有与等离子体雾化相似的优点：由于没有陶瓷坩埚，因此减少了污染物的附着，并且可以加工难熔金属。可加工材料的范围非常广泛，基本上涵盖了从锡（熔点232°C）到钨（熔点3422°C）的所有金属。理论上，任何可以通过加热源熔化并且与超声电极材料兼容的金属都可以使用这种技术进行雾化。例如，铍（Be）和镁（Mg）等危险和反应性金属、铱（Ir）等贵金属、钢材、难熔金属、铜基材料和钛合金都已经被雾化[205]。此外，作为一种基于等离子体和棒材的技术，超声波雾化能够加工多种材料，包括高温难熔材料。尽管超声波雾化通常使用棒材作为原料，但实际上任何固体成分都可以作为原料。火炬设计（如熔化技术和粉末回收）和超声电极材料（如镀有贵金属的钨）的进步正在迅速发展这一技术[205]。

特定流体的物理化学性质，如表面张力和密度，可能会影响某些合金的雾化效果或所需产量，但未来需要进一步研究来确定这些因素的影响。与其他技术一样，超声波雾化也使用惰性加工气氛。这允许雾化反应性金属（如钛），而该技术的 klein 和灵活特性为气氛调整提供了独特的机会。例如，氦气（He）的热容量远大于氩气（Ar），可以提高冷却速率从而调节颗粒大小，但这需要进一步研究。然而，在大规模的等离子体或气体雾化设施中实施氦气气氛会带来较高的实验成本。超声波粉末的高纯度和球形度消除了其他一些技术所需的后期处理（如球形化），通常可以直接用于增材制造。超声波雾化的物理机制存在根本性限制，构建能够适应这些限制的装置也存在技术难题，从而限制了可实现的颗粒大小范围。目前，频率是控制颗粒大小的主要手段。目前广泛使用的最高频率为40 kHz。虽然正在设计60 kHz的超声电极组件，并且已经在感应熔化设备中投入使用，但在这种频率或更高频率下生产更细小的颗粒在工艺、设计和技术管理方面都极具挑战性[205]。同样，在20 kHz以下的频率下生产较大颗粒也存在挑战，这包括对冷却室的技术调整[205]以及从超声电极上的液膜中分离液滴的难题。因此，要超出20–40 kHz的频率范围需要显著的进步。

7.6. 前景
超声波雾化可能主要应用于小规模场景，但其能够生产适用于金属增材制造的高质量粉末对许多研究人员来说是有价值的。金属超声波雾化领域尚未得到充分研究，而市面上可买的设备为多种新的研究机会提供了可能。结合仪器参数的可调控性和对金属增材制造日益增长的兴趣，这可能会推动超声波雾化的优化、规模化发展或产生全新的子技术。虽然已有基于物理理论的数学描述，但仍有很大的空间发展出更通用的模型，以考虑更多流体特性或专门针对熔融金属的特性。其他技术（如离心雾化）也最初是新颖的概念，但后来实现了商业化。这一先例为超声波雾化的未来带来了希望。随着研究的深入和技术的发展，超声波雾化可能会在需要高质量、精确特性的粉末的专业应用中找到自己的位置，尤其是在那些其独特优势能够弥补产量限制的应用中。

8. 其他雾化技术
除了五种主要的雾化技术外，还存在其他方法，但这些方法要么尚未商业化，要么使用频率较低。其中一些方法可能已经被淘汰。这些技术可以根据图34中的层次结构图进行分类，尽管还存在其他不同的处理过程。真空（或可溶性气体）工艺是在压力下将可溶性气体（如H2）引入熔融金属中，然后使系统处于真空状态，从而使气体分子从液体中释放出来并形成液滴[10]、[11]、[12]。J.M. Wentzell于1970年在Homogeneous Metals Inc.公司取得了这项工艺的专利[207]。另一种工艺是通过紧密排列的旋转绝缘滚轮使熔融金属发生破碎[14]、[91]。此外，冲击雾化也可以作为一种造粒方式，用于大规模生产大颗粒。在这种工艺中，熔融金属被倒在静止的圆盘上，然后溅射并分散成液滴（例如Granshot工艺）[16]。混合工艺可以结合多种雾化方法。例如，RSR型混合工艺可能会首先在旋转圆盘上对金属进行雾化，然后将其暴露在高速惰性气流中以实现二次雾化并快速冷却。

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图34. 其他类型雾化的层次结构图。请注意，由于其他类型雾化的变化性和组合性，该图表并不全面。

虽然大多数商业雾化方法依赖于单一的破碎机制，但许多不太常见的技术采用混合方法。例如，Durarc?工艺使用非消耗性电极和电磁技术生成快速旋转的电弧，并通过离心力将颗粒从熔体中喷射出来[14]。另一种示例是振动孔隙工艺，它利用振动通过容器底部的孔将毫米级颗粒（例如钙钙）“喷射”到淬火介质（如气体或水中），从而产生分布非常均匀的球形颗粒[16]。虽然这些是主要的雾化方法，但它们并不涵盖所有情况，有些技术采用了不同的破碎机制，例如劳伦斯利弗莫尔国家实验室的PowderJet工艺，该工艺利用液态金属喷射来制备高单分散性的球形颗粒[208]。总体而言，关于这些技术的文献较少，它们在粉末冶金和增材制造行业中的作用远不如前述技术。因此，本节的讨论也仅限于简要概述。

9. 雾化技术的总结与前景
9.1. 总结
鉴于不同雾化机制和原理的差异，不同技术的工艺条件和粉末特性自然会有所不同。表11比较了主要雾化技术在关键工艺参数、粉末特性、工业指标和经济方面的表现。此外，同一技术的已发表粉末参数之间存在显著差异，直接比较还受到不同技术针对不同材料和应用进行优化的影响（例如颗粒尺寸分布PSD）。因此，已发表的数据通常反映了不同的操作条件和材料系统。许多参数（如生产率和产量）受到各自行业的保护，难以获得，或者在近期文献中根本没有报告。

表11. 主要雾化技术的操作和性能特性总结，包括：关键工艺参数（主要操作条件、原料、液滴速度、冷却速率）、粉末特性（尺寸范围、形态）、工业指标（粉末应用、常用材料、生产率、粉末 bed fabrication (PBF) 产量）以及经济因素（价格）。价格信息来源于提供或销售实验部分所用粉末的相同商业供应商，同时也参考了与其他主要供应商的讨论结果。

**雾化技术：**
- **水雾化**
- **气雾化**
- **等离子雾化**
- **离心雾化**
- **超声波雾化**

**主要操作参数：**
- **水压、水流速度、喷嘴几何形状**
- **气压、气体与金属的比例、喷嘴几何形状**
- **等离子射流速度、等离子电流、气体与金属的比例**
- **圆盘/电极直径、旋转速度、圆盘/电极几何形状**
- **驱动频率、振幅、超声波棒设计**

**原料：**
- **熔融状态**
- **棒材/线材（熔融或锻态）**

**液滴速度：** [m/s]
- 10^1–10^2
- 100–10^2
- 100–10^2
- 101–10^2
- 10^-1–10^1

**冷却速率：** [K/s]
- 10^4–10^7
- 10^4–10^6
- 10^4–10^5
- 10^3–10^5
- 10^4–10^5

**粉末粒径范围：** [μm]
- 101–10^3
- 101–10^2
- 101–10^2
- 101–10^2
- 101–10^2

**粉末形态：**
- 不规则至半球形（常见）
- 球形（常见）
- 带有卫星颗粒的球形（常见）
- 球形但带有卫星颗粒（在预处理中极为罕见）
- 纯球形（带有卫星颗粒极为罕见）

**参考的工业应用（括号内标注新兴技术）：**
- **压制与烧结（MIM）、增材制造（AM）**
- MIM、锻态粉末冶金（wrought PM）、AM、冷喷涂、钎焊、焊接、热喷涂
- MIM、锻态粉末冶金（wrought PM）、AM、热喷涂 [33]
- MIM、锻态粉末冶金（wrought PM）、AM、焊接、热喷涂

**常见材料：**
- **非反应性材料：** 铁（钢材）、铜（Cu）、镍（Ni）、贵金属、炉渣
- **反应性材料：** 铁（钢材）、铜（Cu）、镍（Ni）、铝（Al）、钛（Ti）、超合金、脆性金属
- 钛（Ti）、钼（Mo）、锆（Zr）、铝（Al）、反应性金属
- 铁（钢材）、钴铬（CoCr）、铜（Cu）、铝（Al）、铍（Be）、低熔点金属、钛（Ti）、超合金、难熔金属、炉渣

**示例产量：** [kg/min]
- 100–10^3 （例如，铁的产量为500 kg/min）
- 100–10^2 （例如，镍超合金的产量为20 kg/min）
- 10^-1–10^1 （例如，Ti-6Al-4V Grade 23的产量为0.47 kg/min）
- 10^-2–10^3 （例如，通过旋转铸造法生产的316不锈钢合金的产量为3–18 kg/min）
- 10^-4–10^-2 （例如，通过预处理法生产的316L不锈钢合金的产量为0.06–0.24 kg/min）

**粉末烧结成型（PBF）产率：** [％]
- 25–90% （针对?325目或<45 μm的铜粉，输入未具体说明）
- 约40–60% （针对10–60 μm的AISI 316L不锈钢粉，基于总材料投入）
- 约30–35% （针对20–60 μm的Ti-6Al-4V Grade 23粉，输入未具体说明）
- 约25–30% （针对<45 μm的Sn粉，通过旋转铸造法生产，基于总粉末输出）
- 约15–25% （针对<45 μm的316L不锈钢粉，通过预处理法生产，基于总粉末输出）
- 约15–25% （针对<50 μm的316L不锈钢粉，基于总材料投入）
- 或约30–45% （针对<50 μm的316L不锈钢粉，基于总粉末输出）

**价格：** [$/kg]
- 316L不锈钢粉：13–15美元/kg
- Ti-6Al-4V合金粉：240–290美元/kg（不同供应商价格不同）

**注释：**
- a. 对于等离子液滴速度，文献中仅提供了等离子速度的数据，因此液滴速度是根据气体雾化结果估算的。
- b. 虽然每种雾化技术产生的粉末粒径范围理论上可以用于多种应用，但此处列出的应用是其他出版物/通信中明确提到的。
- c. 如1.3.2节所述，热喷涂包括火焰喷涂和等离子喷涂。
- d. 各数值取自相关标准/实践及能力/限制规定。
- e. 示例值代表MMAX Lab使用Amazemet rePowder超声波雾化系统（参数未完全优化）生产316L不锈钢粉的名义产量。
- f. 产率是根据现有数据估算的（15–45 μm粒径范围）。
- g. 价格数值以10公斤批次为基准进行标准化，除非另有说明，四舍五入到最接近的整数美元，并受估算时的经济状况、原材料价格、市场价值波动等因素影响；对于某些供应商来说，10公斤已属于“小批量”订单，价格会随着订单规模的增加而降低；这些价格点仅用于不同雾化技术的相对比较，不能保证未来公司的具体价格。
- h. 来自AMETEK公司的数据：针对润滑后的?100目铜粉（标准化后的粒径为45–106 μm，重量占比约为61.5%）。
- i. 来自North American H?gan?s公司的数据。
- j. 来自Heeger Materials公司的数据：等离子雾化316L不锈钢粉需定制订单，最小采购量为10公斤。
- k. 来自Ervin Industries的数据。
- l. 来自MMAX Lab的内部估算：基于当前研究生产率（每个氩气罐约10次运行），产率约为50%（粒径45–106 μm）。

**总结表亮点：**
- **水雾化为粉末提供了无与伦比的产量和成本效益，但产生的粉末形态不规则，不适合增材制造（AM）应用。**
- **气雾化在球形粉末和合理产量方面取得平衡，是目前AM粉末行业的主力技术。**
- **等离子雾化、离心雾化和超声波雾化产生的粉末质量较高，粒径分布窄且球形度高，但产量较低且成本通常较高。**然而，收到的粉末根据需要被筛分到相似的粒径范围内，以便直接比较。对于超声波雾化技术（目前没有商业规模的供应商），316L不锈钢和Ti-6Al-4V粉末都是内部生产的（详见第10.1.2节）。这一策略涵盖了每种合金的四种雾化技术，囊括了所有五种方法。先前的经验表明，使用最大可用设备频率（40kHz）时，这些合金的产量在50μm以上最高。鉴于超声波雾化的产量较低，选择了45–106μm的名义范围，以确保有足够的粉末量以及所有过程中的分布相当。虽然更高的频率（例如60kHz）可以使分布更小，但兼容的换能器仍然不可用，而且模型表明在细粒径下合成粉末存在物理限制。尽管45–106μm的范围比典型的激光粉末沉积（L-PBF）要求（15–45μm或15–53μm）要宽，但它被广泛用于其他金属增材制造（AM）和粉末冶金（PM）工艺中。此外，虽然可以购买到更小的粒径范围，但数量受到最小订购量（MOQ）≥10kg的限制。在尝试采购小批量粉末时，这种限制很常见。尽管缺乏商业规模的生产能力，但还是生产出了足够的目标范围内的超声波粉末，用于流变学和分析表征。

在可能的情况下，使用原收到的粒径；有些粉末需要筛分以保证粒径的一致性。316L不锈钢水雾化的粉末达到了-100目（<150μm），这通常是粉末冶金应用所需要的，因为细粉可以在压制成形后提高绿色强度。其他购买的粉末筛分后的粒径在45到105μm之间。内部超声波雾化的粉末最初是未筛分的。三种“不符合规格”的粉末（水雾化的316L不锈钢和超声波雾化的粉末）使用全不锈钢编织线制成的ASTM测试筛网，筛孔号为140（106μm）和325（45μm）（Gilson Company, Inc.，部件编号V3SF #140和V3SF #325），以及全不锈钢筛盘和盖子（部件编号V3SFXPN和V3SFXCR）进行筛分，以与其他技术相匹配（详见补充表17中的ASTM E11–24测试筛网规格[36]）。表12总结了本研究中使用的材料、制造商、数量和粉末粒径。每组粉末包含四种雾化工艺，便于直接比较。只有水雾化和等离子雾化缺乏直接比较，尽管可以推断出一般趋势。需要注意的是，在与水雾化、气体雾化、离心雾化和等离子雾化的生产商讨论时，由于这些技术的专利性质，他们无法提供产量或参数信息。

表12. 本研究中使用的材料、制造商、雾化技术和粉末粒径的总结。

| 材料 | 制造商 | 雾化技术 | 数量 [kg] | 收到的粒径范围 | 实验用筛分范围 |
|-----------------|------------------|------------------|------------------|-------------------------|
| 316L不锈钢 | AMETEK, Inc. | 水雾化 | 0.9 | -100目 (< 150μm) | 45–106μm |
| | Heeger Materials Inc. | 气体雾化 | 0.5 | 45–105μm | |
| | Ervin Industries | 离心雾化 | 1.0 | 44–106μm | |
| | MMAX Lab | 超声波雾化 | 0.19 | 45–106μm | |
| Ti-6Al-4V | Heeger Materials Inc. | 气体雾化 | 0.5 | 45–105μm | |
| | PyroGenesis Inc. | 等离子雾化 | 1.0 | 53–106μm | |
| | Stanford Advanced Materials | PREP（离心雾化） | 1.0 | 45–105μm | |
| | MMAX Lab | 超声波雾化 | 0.12 | 45–106μm | |

商业供应商提供的粉末数量估计值四舍五入到最接近的0.1kg，并基于其声明的供应粒径（例如，AMETEK公司的316L不锈钢粉末为-100目）；内部生产的超声波粉末数量四舍五入到最接近的0.01kg，并基于筛分范围（即两种MMAX Lab粉末均为45–106μm）。

b. PREP是一种离心雾化技术，在提及时应相应理解，但保留了PREP的命名约定，以区分传统的（基于磁盘的）离心雾化技术和这种特定的子技术（详见第6节）。

10.1.2 通过超声波雾化在内部合成粉末
使用Amazemet rePowder超声波雾化研究平台生产了316L不锈钢和Ti-6Al-4V粉末。采购了直径5/16英寸×长度6英寸（7.94毫米×152毫米）的316/316L不锈钢（McMaster-Carr，部件89325K92）和Grade 5钛（Ti-6Al-4V）（McMaster-Carr，部件89055K54）的商用棒材。棒材使用1英寸（25.4毫米）带式砂光机（Delta/Rockwell Manufacturing Co.，型号31–354）去毛刺，并在使用前用丙酮和异丙醇清洁。直径5/8英寸（15.9毫米）的Grade 2钛棒（McMaster-Carr，部件89145K17）在雾化过程中用作氧气吸收材料。钛棒使用带液压下降系统的润滑水平带锯（Dake Johnson Corp.，型号JH10）锯成大约3/4英寸（19.1毫米）长的段，然后像处理原料棒材一样进行去毛刺和清洁。

在雾化之前，系统被抽真空至约3×10^-1毫巴，并用超高纯度（UHP）氩气（Airgas, Inc.，部件AR UHP300） Purged。相对于室温的+300毫巴的操作压力创建了正压环境。使用等离子火炬至少熔化了一次钛吸收材料以净化气氛。目标氧气浓度低于10 ppm，这是根据雾化设备上的0–1000 ppm安培计氧气传感器（Angst+Pfister Sensors and Power，型号FCX-TR1000）确定的。在W电极和Cu喷嘴（直径3.2毫米开口）之间建立了一个引弧，主等离子体通过喷嘴流动产生。连续的氩气流动将等离子体推向Cu板和下面的材料；当压力超过+300毫巴时，系统自动排气。

等离子电流设置为316L不锈钢185–190安培，Ti-6Al-4V 160–165安培。火炬中心位于一个扁平的Mo合金TZM超声波换能器上，该换能器穿过水冷Cu板上的密封孔。标称操作频率为40千赫，振幅设置为100%。一旦等离子羽流居中，就激活了超声波。金属棒材通过波纹臂手动送入等离子体中。熔融金属落在超声波换能器上并雾化；如果雾化不顺利，可以手动调整等离子火炬来促进雾化。进料速率手动控制，以保持在超声波换能器上只有小量的熔融金属池。一旦熔融金属润湿了超声波换能器并且雾化稳定，就通过半连续手动进料来维持雾化过程。雾化完每根棒材的大部分后，关闭等离子体，让系统在氩气中冷却至少10分钟。

冷却后，系统在保持氩气气氛的同时排气至室温。慢慢地打开阀门以便控制空气暴露。留在腔室底部和Cu板上的粉末被压缩氩气吹向收集装置。收集装置被取出并完全暴露在空气中。收集到的粉末称重并放入塑料容器中。未加工的原料和剩余材料也被称重，以计算净雾化材料和产量。粉末使用ASTM测试筛网分成三个部分：< 45μm（-325目）、45–106μm和> 106μm（+140目）。每个部分都进行了称重：45–106μm的部分用于与商业粉末进行比较。

10.1.3 用于定性颗粒大小和形态的SEM分析
为了成像横截面特征和整个粉末的形态，粉末使用EpoxySet树脂和硬化剂（Allied High Tech Products, Inc.，产品编号145–20,005和145–20,010）在直径1英寸（25.4毫米）的塑料安装杯中冷装，然后放入真空室（Buehler Ltd.，型号201,384–115）中去除气泡。固化后，样品在TwinPrep 3?（Allied High Tech Products, Inc.）轮式研磨机上使用渐进式碳化硅（SiC）砂纸打磨至2000目。之后，样品安装在VibroMet? 2（Buehler Ltd.）中，并用0.05微米胶体二氧化硅悬浮液（Allied High Tech Products, Inc.，产品编号180–20,000）抛光24小时以达到最终表面。然后，样品在氨水浴中超声处理，并用多用途清洁垫和异丙醇擦拭以去除残留物。

金属粉末的形态使用扫描电子显微镜（SEM）仪器（Thermo Fisher Scientific Apreo C LoVac和Apreo S）进行了检查。表面显微照片是在双侧面碳带上撒有粉末的样品棒上获得的，使用5.00 kV的加速电压、0.20 nA的电流和10.0毫米的工作距离，在500×和1000×放大倍率下拍摄的。在分析上述烧结后的环氧树脂装制片之前，表面使用离子溅射涂层机（SuPro Instruments Co., Ltd.，型号ISC 150T）进行镀金，以减少电荷积累。然后使用单面铜带进行背散射电子模式拍摄横截面显微照片，以实现电气接地，以及使用双面碳带将环氧树脂粘附在样品棒上。工作条件为10.00 kV、1.6 nA和10.0毫米的工作距离，放大倍数为500×。

10.1.4 用于定量颗粒特性的颗粒大小分析
颗粒大小和形状分布通过静态图像分析（Malvern Morphologi G3SE）进行量化。粉末与不锈钢铲子混合，随机取样并装入分散喷嘴。然后使用仪器的高分散能量设置（4.0巴注射压力、10毫秒注射时间和60秒沉降时间）将其分散到显微镜玻璃舞台上。颗粒使用10倍放大物镜进行光学成像，并自动扫描直到计数10,000个颗粒，以作为整个颗粒大小分布的有统计意义的代表。图像阈值根据仪器设置设置，并通过检查颗粒边缘和内部来验证，以确保区分了适当的区域。光线和焦点根据标准操作程序进行校准，测量前手动调整焦点，以确保较小的颗粒仍保持在视野内。数值PSD使用CE面积和球形等效（SE）体积计算自动转换为体积基础。结果使用仪器的dv,10、dv,50和dv,90值报告到四位有效数字，并通过平滑5微米区间绘制为累积体积分布曲线。高灵敏度（HS）圆度（HSC）通过以下公式计算：(29)HSC=4πAp^2，其中A是颗粒的投影面积，p是颗粒的周长，平均值以数值形式报告。跨度（Sp）根据公式2使用获得的数据计算，以量化颗粒分布。几何标准偏差（σg）通过取dv,84.13和dv,50值的比率获得，作为颗粒分布的另一个指标。

10.1.5 用于流变行为的霍尔流量计、表观密度和敲击密度测试
霍尔流量计测试遵循ASTM B213–20 [232]，使用包括黄铜漏斗（Qualtech Products Industry，型号QPI-HFM1800B）的校准测试套件。每种粉末随机取50.0克样品，使用分析天平（Scientific Industries Inc.，部件AGZN220，最大220克，0.1毫克分辨率）进行称重，并根据程序中的静态流动方法（方法1）通过漏斗五次。由于超声波粉末的生产率较低，为了保持所有粉末的一致性，相同的样品被重新混合并重复使用于每次测试。测试在监控的湿度和温度条件下进行（ThermoPro TP50数字室内湿度计/温度计）。316L不锈钢粉末在41%湿度和18.4℃下测试；Ti-6Al-4V粉末在40%湿度和18.6℃下测试。测试条件在整个过程中保持稳定。结果平均值按照ASTM程序报告到最接近的1克/50克。

表观密度使用相同的霍尔流量计套件和黄铜密度杯（体积25立方厘米）根据ASTM B212–21 [233]进行测量。测试进行了五次，使用足够体积的随机样品（大于杯子体积）在监控条件下使其溢出黄铜杯（316L不锈钢在71%湿度和19.1℃下，Ti-6Al-4V在66%湿度和19.7℃下）。表观密度通过将测得的质量除以杯子体积计算得出。结果平均后按照ASTM程序报告到0.01克/立方厘米。相对表观密度百分比使用ASM手册[200]、[230]中给出的316L不锈钢（8.0克/立方厘米）和Ti-6Al-4V（4.43克/立方厘米）的理论密度计算得出。

敲击密度根据ASTM B527–24 [234]使用100立方厘米Pyrex?量筒（Corning Inc.，部件3042–100，1立方厘米增量，精度±0.5克/立方厘米）进行测量，以确保一致性。虽然ASTM推荐对于表观密度≥4克/立方厘米的粉末使用25立方厘米的量筒，但较大的量筒保持了测量的均匀性。这仅影响316L不锈钢粉末，在这种粉末中，水雾化的粉末符合规格，而其他三种技术（气体、离心和超声波）接近阈值且偏差最小。对于每种粉末，随机取100±0.5克的粉末通过黄铜Carney漏斗倒入量筒中，以确保直接倾倒和均匀的表层。粉末轻轻平整后，敲击2:00分钟（≈480次敲击），符合标准和之前的敲击密度程序[235]、[236]。每个测试使用相同样品进行了三次。测试条件分别为316L不锈钢在77%湿度和20.3℃下；Ti-6Al-4V在74%湿度和20.9℃下。条件保持稳定，所有测量在同一天完成。结果平均值报告到最接近的0.1克/立方厘米，并转换为相对敲击密度百分比。

从表观密度（ρapp）和敲击密度（ρtap）值计算Hausner比率（HR）和Carr（或压缩性）指数（CI），以分类流动性[237]。HR（Hausner比）是由Henry Hausner开发的，它是tap密度与表观（“体积”）密度之比 [238]，(30) HR = ρtap / ρapp，其中所有变量已经在上面定义。CI（Carr指数）是由Ralph Carr, Jr.开发的，它是tap密度与表观密度之差，然后除以tap密度并以百分比表示 [239]，(31) CI = (ρtap - ρapp) / ρtap * 100。补充方程32展示了HR和CI之间的相互关系。这两个指标的值越低，表示流动性越好。补充表18描述了不同的范围和预期的流动性分类 [41]，[237]，[239]。

10.2 结果与讨论
通过五种雾化技术获取等效合金，可以直接比较其形态、尺寸和内部孔隙率，以及这些因素与流动性指标之间的关联。对于316L SS合金，比较了水雾化、气体雾化、离心雾化和超声雾化工艺；对于Ti-6Al-4V合金，则比较了气体雾化、等离子雾化、PREP（离心雾化）和超声雾化工艺。

10.2.1 316L SS：雾化粉末的颗粒形态、尺寸和流变学的比较
图35中的316L SS合金粉末的SEM显微图显示，不同雾化技术产生了明显的形态差异。水雾化由于快速冷却和固化过程中与水的相互作用，产生了高度角状/不规则的粉末。气体雾化和离心雾化产生的粉末比水雾化的更接近球形，但离心雾化产生的粉末中存在较小的颗粒附着在较大颗粒上（称为“卫星颗粒”），尽管离心雾化的卫星颗粒较少。相比之下，超声雾化产生的粉末高度球形，且几乎没有卫星颗粒。

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图35. 通过（a）水雾化、（b）气体雾化、（c）离心雾化和（d）超声雾化合成的316L SS合金粉末的表面扫描电子显微图，分别使用500×（左）和1000×（右）放大倍数。水雾化产生高度不规则的粉末形态，气体和离心雾化产生带有卫星颗粒的球形粉末，而超声雾化产生高度球形的粉末。

这些定性的SEM观察结果与静态颗粒分析的定量测量结果一致（表13）。316L SS合金的圆形度从水雾化（0.782）逐渐增加到气体雾化（0.802），再到离心雾化（0.880），最后是超声雾化（0.938）。虽然自动化颗粒分析中没有直接量化卫星颗粒的数量，但它们的存在与圆形度的降低有关。

表13. 不同雾化技术制备的316L SS合金粉末的性能和特性，包括以下内容：筛选范围、各体积百分位的颗粒直径、粒度分布范围（Sp）、几何标准差（σg）、HS圆形度（HSC）和Hall流速（Hall flow）。

| 雾化技术 | water | gas | centrifugal | ultrasonic |
| ---------------------- | -------- | -------- | -------- | -------- |
| 筛选范围 [μm] | 45–106 | 45–105 | 44–106 | 45–106 |
| dv,10 [μm] | 52.4 | 74.0 | 53.4 | 46.2 |
| dv,50 [μm] | 80.4 | 95.4 | 27.1 | 116 |
| dv,90 [μm] | 115.7 | 88.5 | 8.3 | 100.4 |
| 粒度分布范围（Sp） | 0.786 | 0.57 | 0.632 | 0.839 |
| 几何标准差（σg） | 1.33 | 1.27 | 1.29 | 1.45 |
| HS圆形度（HSC） | 0.782 | 0.802 | 0.880 | 0.938 |
| Hall流速 [s/50 g] | 341 | 141 | 141 | 141 |

尽管所有粉末的筛选范围都标称相同（45–106 μm），但不同技术的体积中位颗粒尺寸（dv,50）却有所不同。气体雾化产生的中位直径最大（95.42 μm），其次是水雾化（80.49 μm），离心雾化（71.11 μm），最后是超声雾化（64.46 μm）。这些趋势在表13的数值和第10.2.3节的累积体积频率PSD曲线中得到了体现。这些PSD曲线表明，在给定的加工环境和供应商条件下，气体雾化产生的颗粒分布最广，其次是水雾化，然后是离心雾化，最后是超声雾化。这种差异也可能反映了加工后的混合或采样差异，而不是设备本身的能力。例如，水雾化和离心雾化都能产生较大的颗粒，但在这项研究中，它们的dv,50值却小于气体雾化。有趣的是，水雾化和气体雾化的dv,90值都超过了筛选的上限（分别为115.7 μm和128.5 μm）。这种异常可能反映了这些粉末的圆形度较低，因为非球形颗粒可以以特定的方向通过筛网。

气体雾化和离心雾化的颗粒粒度分布范围（Sp）更紧密（分别为0.517和0.632），而水雾化的Sp为0.786。超声雾化产生的Sp（0.839）和σg（1.45）最大。这两个指标描述颗粒分布的方式不同：Sp使用完整的dv,90–dv,50范围（如公式2所示），而σg使用dv,84.1–dv,50范围（如公式1所示）来描述从中位数的分布。较小的Sp值对应于较小的σg（更接近1），表明分布更紧密。所有粉末都经过了筛选或符合指定的范围，因此这里展示的尺寸分布并不代表每种技术生产的全部批次。45–106 μm范围内的产量可能因整个生产过程的固有PSD而异。

圆形度和表观密度在所有技术中都与Hall流速表现强烈相关（见补充图41）。这符合粉末流变学的原理，因为更圆的粉末通常具有更好的流动性和堆积性能。不规则的水雾化粉末的流动时间为34秒，而高度球形的离心雾化和超声雾化粉末的流动时间都为14秒。这种趋势是由于不规则颗粒之间的互锁阻碍了流动，特别是当它们具有较宽的尺寸分布时。值得注意的是，尽管超声雾化和离心雾化的Sp值显著不同（分别为0.839和0.632），但它们的Hall流速相同（均为14秒/50 g）。这表明在这个颗粒尺寸范围内，圆形度是控制流动性的主导因素，而分布则起次要作用。两种粉末的较高圆形度（分别为0.938和0.880）克服了其较宽的分布。

流变学测量结果（表14）进一步证实了形态与流动性之间的关系。水雾化产生的粉末堆积效率最低，表观密度仅为2.48 g/cm3（理论值的31%），Hausner比最高（1.23）和Carr指数最高（18.4），表明流动性差。相比之下，超声雾化产生的表观密度最高，为4.48 g/cm3（理论值的56%），Hausner比最低（1.09），Carr指数最低（8.09），表明流动性优异。气体雾化和离心雾化表现出中等性能。这些指标与Hall流速实验观察到的行为相符。

表14. 316L SS合金粉末的流变学数据，包括以下内容：Hall流速、表观密度、tap密度、Hausner比和Carr指数（括号内显示理论密度的百分比）。
| 雾化技术 | water | gas | centrifugal | ultrasonic |
| ---------------------- | -------- | -------- | -------- | -------- |
| Hall流速 [s/50 g] | 341 | 141 | 141 |
| 表观密度，ρapp [g/cm3] | 2.48 (31.0%) | 4.04 (50.5%) | 4.34 (54.3%) | 4.48 (56.0%) |
| Tap密度，ρtap [g/cm3] | 3.0 (38%) | 4.8 (60%) | 4.9 (61%) | 4.9 (61%) |
| Hausner比，HR | 1.23 | 1.18 | 1.13 | 1.09 |
| Carr指数，CI | 18.4 | 15.2 | 1.78 | 8.09 |

横截面分析（图36）显示，水雾化和气体雾化产生的粉末具有内部孔隙。高压雾化过程中的气流可能在快速冷却时捕获气体囊泡。然而，离心雾化粉末也显示出孔隙，尽管孔隙规模更细小，这可能是由于颗粒从圆盘上飞出时的高速度所致。虽然这些技术中的并非所有颗粒都具有大的（可见的）内部孔隙，但这种特征可能会在非熔融加工过程中（如烧结）持续存在，并在基于熔体的加工过程中（如AM）形成缺陷，从而影响最终零件的密度和机械性能。

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图36. 通过（a）水雾化、（b）气体雾化、（c）离心雾化和（d）超声雾化合成的316L SS合金粉末的横截面扫描电子显微图，使用背散射电子在500×放大倍数下观察。注意水雾化和气体雾化粉末中孔隙较多，而离心雾化粉末中孔隙较少。超声雾化粉末则没有可见的孔隙。

10.2.2 Ti-6Al-4V：雾化粉末的颗粒形态、尺寸和流变学的比较
图37中的Ti-6Al-4V合金粉末的SEM显微图显示，所有雾化技术产生的颗粒主要为球形。气体雾化和等离子雾化产生的粉末也是球形的，但存在卫星颗粒。相比之下，PREP（离心雾化）和超声雾化产生的粉末几乎没有卫星颗粒，与超声雾化的316L SS粉末相似。等离子雾化产生的粉末具有较高的圆形度，但颗粒表面有纹理。这种表面特征可能表明在雾化或处理过程中形成了氧化物层，这可能受到雾化等离子气体纯度或特定仪器和环境条件的影响。需要进一步的表面分析来确认任何表面层的成分和厚度。如预期，气体雾化的粉末确实存在卫星颗粒，这与316L SS粉末的观察结果一致。相比之下，PREP和超声雾化的粉末几乎没有卫星颗粒，显示出高度球形的颗粒形态，表明离心雾化和超声雾化技术能够在不同合金系统中产生一致的高质量颗粒形态。然而，值得注意的是，PREP处理的Ti-6Al-4V粉末几乎没有卫星颗粒，而离心雾化的316L SS粉末则有一些卫星颗粒，尽管这两种技术都采用了相同的破碎机制。这可能是由于不同的操作条件（例如，较低的旋转速度）、方法类型（即消耗性电极与非消耗性圆盘）或仪器调整（例如，去除卫星颗粒的功能）所致。

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图37. 通过（a）气体雾化、（b）等离子雾化、（c）PREP雾化和（d）超声雾化合成的Ti-6Al-4V合金粉末的表面扫描电子显微图，使用二次电子在500×（左）和1000×（右）放大倍数下观察。气体雾化和等离子雾化产生的粉末带有卫星颗粒，而PREP（离心雾化）和超声雾化产生的粉末高度球形。

静态颗粒分析的定量测量结果（表15）显示，圆形度从气体雾化（0.879）逐渐增加到等离子雾化（0.917），再到超声雾化（0.951），最后是PREP雾化（0.957）。有趣的是，Ti合金的圆形度值高于316L SS合金，尽管Ti的氧亲和力更高。这可能反映了Al和V（钒）合金添加的保护作用。值得注意的是，两种不以流体流动为主要雾化机制的技术（PREP（离心力）和超声（振动能量）显示出最高的圆形度。这表明在这些方法中，减少湍流和更可控的固化条件 minimize 了表面不规则性。即使使用了UHP惰性气体，气体和等离子雾化在固化过程中的湍流性质也可能引入表面特征（如卫星颗粒），从而降低测得的圆形度。

表15. 不同雾化技术制备的Ti-6Al-4V合金粉末的性能和特性，包括以下内容：筛选范围、各体积百分位的颗粒直径、粒度分布范围（Sp）、几何标准差（σg）、HS圆形度（HSC）和Hall流速（Hall flow）。
| 雾化技术 | gas | plasma | PREP | ultrasonic |
| ---------------------- | -------- | -------- | -------- | -------- |
| 筛选范围 [μm] | 45–105 | 53–106 | 45–106 | 45–106 |
| dv,10 [μm] | 49.75 | 67.57 | 67.00 | 51.08 |
| dv,50 [μm] | 66.31 | 84.11 | 96.87 | 67.34 |
| dv,90 [μm] | 91.25 | 105.91 | 125.49 | 67.8 |
| 粒度分布范围（Sp） | 0.626 | 0.456 | 0.603 | 0.679 |
| 几何标准差（σg） | 1.29 | 1.21 | 1.16 | 1.33 |
| HS圆形度（HSC） | 0.879 | 0.917 | 0.957 | 0.951 |
| Hall流速 [s/50 g] | 292 | 272 | 242 | 242 |

Ti-6Al-4V合金粉末的筛选范围与316L SS合金相同（约45–106 μm），但总体上显示出更紧密的分布，Sp值更低。体积中位颗粒尺寸（dv,50）分别为66.31 μm（气体雾化）、96.87 μm（PREP雾化）。PREP产生的颗粒分布最广，其次是等离子雾化、气体雾化和超声雾化。这些可以在表15的数值和第10.2.3节的累积体积频率PSD曲线中看到。等离子雾化的Sp值最紧（0.456），其次是PREP（0.603）、气体雾化（0.626）和超声雾化（0.679）。然而，Ti-6Al-4V合金的σg并不遵循与316L SS合金相同的趋势。虽然等离子雾化的Sp值最小，但PREP雾化的σg最小（1.16），表明较大颗粒的分布更紧密。这表明Sp和σg可以提供关于分布特征的互补信息。

圆形度和表观密度再次与Hall流速表现强烈相关，圆形度也与表观密度相关（见补充图42）。气体雾化和等离子雾化产生的粉末流动时间最长（分别为29秒和27秒）。这两种技术在SEM分析中都显示出卫星颗粒，但气体雾化的颗粒更多，这也得到了更长的Hall流速和更低的圆形度的支持。相比之下，高度球形的PREP和超声雾化粉末的流动时间都为24秒。Ti-6Al-4V合金的较高Hall流速值（相对于316L SS合金）反映了材料密度的差异，而不是流动性的差异，这表明在材料间的流变学比较必须考虑材料属性。

所有Ti-6Al-4V合金粉末的流动性指标都优于316L SS合金，如表16所示，表现为较低的Hausner比和Carr指数。在Ti-6Al-4V合金中，PREP雾化获得了最高的堆积效率，表观密度为2.58 g/cm3（理论值的58%），tap密度为2.8 g/cm3（理论值的64%）。PREP和超声雾化的Hall流速最短（24秒/50 g），而等离子雾化的Hausner比最低（1.06），Carr指数也最低（5.49）。气体雾化的性能最差，Hall流速最长（29秒/50 g），表观密度最低（2.36 g/cm3，理论值的53%），Hausner比最高（1.13）和Carr指数最高（11.6）。

表16. Ti-6Al-4V合金粉末的流变学数据，包括以下内容：Hall流速、表观密度、tap密度、Hausner比和Carr指数（括号内显示理论密度的百分比）。
| 雾化技术 | gas | plasma | PREP | ultrasonic |
| ---------------------- | -------- | -------- | -------- | -------- |
| Hall流速 [s/50 g] | 292 | 272 | 242 |
| 表观密度，ρapp [g/cm3] | 2.36 (53.2%) | 2.4通过超声雾化法生产的粉末与316L不锈钢在孔隙率方面同样较低，但通过PREP方法生产的粉末孔隙率似乎比通过离心雾化法生产的316L不锈钢更低。

图38显示了通过不同雾化方法合成的Ti-6Al-4V粉末的横截面扫描电子显微图：(a)气体雾化、(b)等离子体雾化、(c)PREP(等离子体辅助沉淀)和(d)超声雾化，放大倍数为500倍。注意气体雾化粉末中存在大量孔洞。然而，通过离心雾化(PREP)方法生产的粉末没有可见的孔洞，这与316L不锈钢的情况相反。等离子体和超声雾化生产的粉末也没有可见的孔洞。

虽然本研究中观察到的粉末特性主要差异来源于雾化技术而非材料成分，但某些材料属性仍需考虑。钛的反应性可能会在加工过程中增加氧的吸收，从而影响表面张力、球形化动力学以及最终的颗粒形态。然而，在所有Ti-6Al-4V雾化方法中观察到的高圆度值表明，加工条件（惰性气氛、快速冷却）有效地减少了氧化效应。材料密度的差异确实会影响流变指标（如霍尔流动时间和堆积密度）的绝对值，因此在比较不同材料成分的粉末时（例如316L不锈钢和Ti-6Al-4V），应考虑这些内在材料属性，或者基于相对比较来进行评估。

10.2.3 颗粒特性的总结与比较
尽管直接定量比较不同合金集较为困难，但仍然可以得出定性趋势。两组材料的累积体积频率分布（PSD）曲线（图39）为前两个小节中的尺寸数据提供了洞察。尽管这些曲线代表了名义上45–106微米的筛分范围，但仍有一些颗粒超出这一规格。从实验角度来看，不规则颗粒可能会通过上层筛网，或者较小的颗粒可能会被留在下层筛网之上。此外，静态图像分析可能会误判聚集的颗粒，从而影响测量结果。

图39显示了通过不同雾化方法生产的(a)316L不锈钢和(b)Ti-6Al-4V粉末的累积体积频率PSD曲线。对于316L不锈钢粉末，气体雾化产生的尺寸分布最大，而离心和超声雾化产生的尺寸分布最小。对于Ti-6Al-4V粉末，等离子体和PREP（离心）产生的尺寸分布最大，气体和超声雾化产生的尺寸分布最小。需要注意的是，这些尺寸分布并不一定代表这些雾化方法的最佳加工条件。

在两种材料中，超声雾化粉末显示出最小的尺寸分布（图39中最左边的曲线），与Ti-6Al-4V的气体雾化粉末几乎相同。相比之下，气体雾化的316L不锈钢显示出最大的PSD（图39a中最右边的曲线），而PREP处理的Ti-6Al-4V粉末显示出最大的PSD（图39b中最右边的曲线）。尽管筛分范围相同，但在每组材料中不同雾化方法产生的曲线之间存在显著差异，这反映了雾化技术和材料属性的变异性。这些曲线仅反映了部分（即尺寸范围）生产的粉末，这些粉末可能并未针对最大产量进行优化。此外，每种特定合金的曲线可能会根据加工参数而发生变化。

除了显示总体分布外，这些曲线还提供了每个实例中完整PSD的 representation，有助于解释统计指标中的明显矛盾。对于316L不锈钢，超声雾化粉末具有最大的Sp（0.839）和σg（1.45），这与图39a的结果一致。然而，Ti-6Al-4V的指标则不同：等离子体具有最小的Sp（0.456），而PREP具有最小的σg（1.16）。观察图39b可以发现，等离子体的分布最为集中，这在考虑了更多PSD部分的Sp趋势中表现得更为准确。PREP处理的Ti-6Al-4V的Sp显著较大（0.603），但其σg仍小于等离子体的σg（1.21）。这是因为σg主要反映了dv,50到dv,84.13之间的部分PSD曲线，而这部分在PREP处理中更为陡峭。这表明仅使用σg无法准确描述非平滑的颗粒分布。使用dv,15.87到dv,50之间的σg定义可能会得到不同的（可能更准确的）趋势。因此，结合σg和Sp可以更好地反映颗粒分布。

理解整个PSD非常重要，因为它直接影响粉末的流动和堆积行为。虽然狭窄的PSD（低Sp）通常会改善粉末流动，但也需要考虑分布宽度对粉末堆积特性的影响。理想的球形粉末堆积涉及双峰或多峰分布，其中较小的颗粒（直径约为较大颗粒的15%）填充较大颗粒之间的间隙[29]。然而，宽分布通常会降低处理过程中的粉末流动性，并使流变测量复杂化。

图40清楚地展示了流动行为与堆积密度之间的关系。水雾化粉末表现出较差的流动性和最低的堆积效率（表观密度31.0%，敲击密度38%）。由于不规则颗粒无法有效流动，它们堆积效果较差，导致高孔隙率和高流动阻力，堆积密度通常仅达到理论密度的约30%[29]。水雾化的316L不锈钢粉末就是这种行为的典型例子。相比之下，气体、离心和超声雾化技术产生的粉末流动性和堆积行为明显更好，表观密度达到理论密度的50–58%，敲击密度达到理论密度的59–64%。球形颗粒形态使得在重力驱动堆积（表观密度）和机械搅拌（敲击密度）过程中能够有效重新排列颗粒。水雾化的316L不锈钢和气体雾化粉末在表观密度和敲击密度之间存在较大差异，表明由于不规则形态，其堆积偏离了理想球形堆积状态，而超声雾化的316L不锈钢和Ti-6Al-4V粉末的差异较小。在球形雾化技术中，超声雾化为316L不锈钢实现了最高的表观密度（4.48 g/cm3，理论密度的56.0%），而PREP为Ti-6Al-4V实现了最高的表观密度（2.58 g/cm3，理论密度的58.3%）。这些差异反映了这些粉末更高的圆度和更好的堆积密度，高圆度与适当的尺寸分布共同作用于最佳堆积效率。

了解整个PSD至关重要，因为它直接影响粉末的流动和堆积行为。虽然狭窄的PSD（低Sp）通常能改善粉末流动，但也需要考虑分布宽度对粉末堆积特性的影响。理想的球形粉末堆积涉及双峰或多峰分布，其中较小的颗粒填充较大颗粒之间的间隙[29]。然而，宽分布往往会在处理过程中降低粉末流动性，并使流变测量复杂化。

11. 实验工作的结论与展望总结
雾化对于粉末制造至关重要。五种主要雾化方法——水雾化、气体雾化、等离子体雾化、离心雾化和超声雾化——尽管驱动力不同，但都基于分散熔融金属流来生成粉末的原理。粉末的尺寸和形态特性源于每种雾化技术的固有差异。以前的雾化研究侧重于使用行业提供的粉末属性进行定性比较。本研究直接使用标准化测试协议比较了所有主要技术下的粉末。使用两种代表性合金（316L不锈钢和Ti-6Al-4V）评估了颗粒特性、流变特性和堆积密度。随着增材制造（AM）的发展，这些结果可以指导材料选择，例如用于激光粉末冶金（L-PBF）的技术。

水雾化由于喷射的水流和极快的冷却速率，产生了高度角状的粉末，其在所有相关指标上的流动性和堆积性能最差。对于316L不锈钢，水雾化表现出最长的霍尔流动时间（34秒/50克）、最低的表观密度（31.0%）、最低的敲击密度（38%）、最高的豪斯纳比（1.23）和最高的卡伦指数（18.4）。角状形态和最低的圆度（0.782）直接影响了流动性和堆积效率。在颗粒横截面观察到内部空洞，可能是由于高压水流快速冷却过程中夹带的气体（即蒸汽）造成的。由于Ti-6Al-4V材料的反应性，它不通过水雾化生产，尽管理论上可以，但这可能存在氢气产生的安全隐患。其流变性能可能比其他雾化方法更差，类似于316L不锈钢的结果。

气体雾化由于湍流的高速惰性气体喷射和循环流动，产生了中等球形的粉末，性能中等，但存在明显的卫星颗粒形成。对于316L不锈钢，气体雾化实现了17秒/50克的霍尔流动时间、50.5%的表观密度和60%的敲击密度。对于Ti-6Al-4V，性能与316L不锈钢相似，分别为29秒/50克的霍尔流动时间、53.2%的表观密度和60%的敲击密度。圆度值适中（316L不锈钢为0.802，Ti-6Al-4V为0.879），但在固化过程中卫星颗粒粘附在较大颗粒上，影响了粉末床的堆积效率。与水雾化类似，也观察到内部空洞，归因于高压气流在冷却过程中的夹带。气体雾化为316L不锈钢提供了最紧密的PSD（Sp = 0.571，σg = 1.27），表明该技术具有良好的过程控制。

等离子体雾化通过受控的等离子体喷射和惰性气氛，产生了高度球形的Ti-6Al-4V粉末，具有紧密的尺寸分布。等离子体雾化实现了27秒/50克的霍尔流动时间、55.9%的表观密度和59%的敲击密度，以及高圆度（0.917）。该技术产生了最紧密的PSD（Sp = 0.456，σg = 1.21），可能是因为过热条件减少了不规则形态的形成。然而，SEM分析显示颗粒表面有纹理，表明在雾化或处理过程中形成了氧化物，或者在等离子体雾化过程中产生了不同的表面纹理。与气体雾化不同，等离子体生产的粉末没有可见的内部空洞，尽管先前的研究表明这两种方法都可能因与高压气流接触而产生孔洞。316L不锈钢可以通过等离子体雾化生产，但由于成本原因不太可行，但其性能可能与气体和离心雾化生产的粉末相似。

离心雾化通过离心力的机械破碎过程，产生了高度球形的粉末，卫星颗粒形成最少，堆积特性优异。对于316L不锈钢，离心雾化实现了最短的霍尔流动时间（14秒/50克，与超声雾化相同）、54.3%的表观密度和61%的敲击密度，以及高圆度（0.880）。对于Ti-6Al-4V，使用PREP处理的粉末在所有堆积指标上均优于其他粉末：24秒/50克的霍尔流动时间（与超声雾化相同）、最高的表观密度（58.3%）和最高的敲击密度（64%），以及优异的圆度（0.957）。离心雾化的机械驱动力而非基于流体的分散作用最小化了氧气污染，消除了卫星颗粒的形成，产生了近乎完美的球形颗粒。PREP对于像Ti-6Al-4V这样的反应性材料表现特别强。

超声雾化由于超声振动和低速颗粒轨迹的机械破碎过程，一致地产生了与等离子体和离心雾化相当或更高质量的粉末。对于316L不锈钢（316L SS），超声波雾化与离心雾化结合使用可以实现对最低霍尔流速（14 s/50 g）和 tap密度（61%）的匹配，同时还能略微提高表观密度（56.0%）。对于Ti-6Al-4V合金，超声波雾化与预制备（PREP）结合使用能够实现与PREP相当的霍尔流速（24 s/50 g），但表观密度（57.8%）和tap密度（61%）略有下降。考虑到在现有技术上已经进行了数十年的优化，这种性能表现尤为显著。此外，这两种方法还显示出较高的圆度值：316L SS的圆度为0.938，Ti-6Al-4V的圆度为0.951（仅PREP的圆度为0.957）。虽然超声波雾化并非商业上广泛采用的技术，但它具有材料处理灵活性和粉末质量优势。该公司内部生产的粉末不仅验证了这些优势，还使得这项新兴雾化技术得以在研究中得到应用。因此，不同雾化方法之间存在权衡：水雾化和气雾化虽然具有可扩展性和高产量，但会产生不规则颗粒，这些颗粒可能存在卫星粒子（小杂质）、内部空洞或其他不良特性，从而影响粉末床的堆积性能；不过，水雾化粉末的不规则形状使其在压制烧结应用中具有出色的绿色强度（即在加工过程中对环境的友好程度）。尽管气雾化粉末也会产生卫星粒子，但其可扩展性和良好的粉末质量使其成为增材制造（AM）应用的首选。等离子体和离心雾化能够生成球形颗粒且卫星粒子较少，但受到成本和材料适用性的限制。等离子体雾化粉末多用于反应性材料，且卫星粒子极少；离心雾化粉末适用于更多类型的材料，不过成本较高。等离子体和离心雾化粉末都具有良好的流动性，常用于热喷涂和增材制造领域。超声波雾化所产生的粉末在球形度和流动性方面与这两种方法相当或更优（针对测试的两种合金均适用），但由于小规模生产限制以及难以实现粉末床技术所需的理想粒径分布，其应用范围仍有限。超声波雾化粉末具有多种应用中的理想特性，但由于技术成熟度不足和局限性，其应用范围仍局限于焊接和增材制造等特定领域。

粉末制造（PM）领域的一个持续挑战是关于雾化优化及其基础理论的学术研究相对匮乏，尤其是超出直接工业应用范围的方面。比较和表征各种雾化方法仍然困难重重，许多技术缺乏控制粉末粒径等输出变量的成熟方法。因此，本研究直接对比了通过水雾化、气雾化、等离子体雾化、离心雾化和超声波雾化制备的45–106 μm粒径范围内的粉末，从定性和定量上评估了两种常见合金（316L不锈钢和Ti-6Al-4V）的形态学和流变学特性。更多关于加工条件和粉末特性的研究将有助于我们深入理解每种雾化技术的原理，为未来的工艺优化提供依据。

11.2. 总结
每种雾化方法都面临着不同的挑战和机遇，这取决于它们的工业化程度和成熟度。由于高产量、可扩展性和低成本，水雾化仍是传统粉末制造的主要手段。然而，不规则的颗粒形态使得未经二次球化处理的水雾化粉末不适合直接用于粉末床增材制造。未来的发展方向包括优化工艺参数以减少氧化物吸附、控制冷却速率以改善颗粒形态，以及开发经济可行的后处理工艺以制备适合增材制造的原料。气雾化方法具有更宽广的合金适用性和更好的可扩展性，因此在传统粉末制造和增材制造领域都较为普遍。尽管成本较高，但气雾化粉末更高的球形度使其成为主流技术。主要挑战包括持续的卫星粒子形成问题（影响粉末床堆积）和高压雾化气体流导致的内部空洞形成（可能影响最终部件的密度和性能）。通过优化气体流动动力学可以减少卫星粒子，控制固化条件以降低孔隙率，改进喷嘴设计以获得更精确的粒径分布和更高的产量。等离子体雾化粉末具有优异的球形度且卫星粒子较少，但受成本和材料适用性的限制。离心雾化粉末适用材料范围更广，PREP技术尤其适用于高温材料，但成本较高。等离子体和离心雾化粉末都适用于多种材料，且在热喷涂和增材制造中应用广泛。超声波雾化粉末在球形度和流动性方面表现优异，但由于生产规模有限且难以实现精确的粒径分布，其应用仍受限。尽管该技术尚不成熟，但在某些应用中具有显著优势。

粉末制造领域的一个持续挑战是关于雾化优化的学术研究不足。比较和表征各种雾化方法仍具有挑战性，许多技术缺乏控制输出变量（如粉末粒径）的成熟方法。因此，本研究直接对比了不同雾化方法制备的粉末，为两种常见合金（316L不锈钢和Ti-6Al-4V）提供了形态学和流变学特征的定量和定性分析。进一步的研究将有助于我们深入了解每种雾化技术的原理，为未来的工艺优化提供依据。

11.2. 前景展望
每种雾化方法都面临着独特的挑战和机遇，这取决于其工业化成熟度。水雾化因其高产量、可扩展性和低成本而成为传统粉末制造的主要手段。然而，不规则的颗粒形态使其不适用于无需二次球化处理的粉末床增材制造。未来的发展方向包括优化工艺参数以减少氧化物吸附、控制冷却速率以改善颗粒形态，以及开发经济可行的后处理工艺。气雾化方法在合金适用性和可扩展性方面优于等离子体或离心雾化方法，在传统粉末制造和增材制造领域都更为普及。尽管成本较高，但气雾化粉末的高球形度使其成为主流技术。主要挑战包括持续的卫星粒子形成问题以及高压雾化气体流导致的内部空洞形成，这些问题会影响最终部件的密度和性能。未来的研究重点将放在优化气体流动动力学以减少卫星粒子、控制固化条件以降低孔隙率，以及改进喷嘴设计以实现更精确的粒径分布和更高的产量上。等离子体雾化粉末具有优异的球形度和较低的卫星粒子形成，但面临较高的能耗、设备成本和材料适用性限制（尤其是对于不锈钢等材料而言）。未来工作应聚焦于降低能耗、通过工艺改进提高材料适用性，以及开发经济高效的放大策略以保持粉末质量优势。离心雾化（包括PREP技术）因其出色的粉末质量而依然重要，其机械驱动力可以有效减少氧化物污染和卫星粒子形成，生成近乎完美的球形颗粒。然而，材料适用性限制、生产规模约束和较高的成本限制了其更广泛的应用。未来机遇包括扩展适用的合金种类、开发更高产量的变体，以及探索兼顾质量优势和成本降低的混合技术。

超声波雾化技术尽管成熟度最低，但在粉末球形度和流动性方面表现优异。在实验室规模下，该技术已经能够与成熟技术相媲美甚至超越，尽管流程优化尚不完善。然而，要将该技术应用于大规模生产面临诸多挑战。系统性的参数优化、对雾化机制的深入理解、从实验室到中试和工业规模的放大路径开发，以及扩展适用材料体系都具有重要意义。该技术在小批量高纯度粉末生产方面具有优势，特别适用于快速原型制作、特殊合金研发和研究应用。随着技术的成熟，换能器设计、频率优化和过程控制的改进有望使其成为生产高质量增材制造原料的可行方法。跨所有雾化方法的可持续发展（包括能源效率优化和废物减少）变得越来越重要。机器学习和原位监测技术可以实现实时过程控制和质量预测。制定标准化的表征协议并加深对雾化物理机制的理解将有助于整个领域的发展。加强产业界和学术界的合作将加速创新，并解决实际应用中的挑战。事实上，学术研究与工业实践之间存在显著差距，这一现象由来已久，早在20世纪70年代Lawley就提出了这一问题的重要观点。50多年后，我们距离他的愿景还有一定距离。加强这两个领域的沟通将有助于弥合这一差距，惠及各方。

industry must deliver products to customers and maintain a competitive advantage for profit generation, which makes specifications and parameters tends to be proprietary and heavily guarded.
（行业必须向客户提供产品并保持竞争优势，因此相关规格和参数通常被视为商业机密。）

相比之下，学术界的主要目标是发现新知识，这通常需要比商业领域更长的时间周期，从而导致了截然不同的优先级。尽管存在这些矛盾，但实现更好的平衡是可能的。更频繁和详细的沟通将使学术界能够将工业层面的知识融入基础设计中，而工业界则能从有根据的研究中受益，从而推动技术进步。此外，数据集共享和标准化表征程序的建立将促进更一致的研究和知识转移，为双方提供有效的合作平台。进一步的合作研究可以包括共同研究设施、技术交流学生项目和大学主导的联盟。然而，雾化技术的进步仍需时间和努力，直到实证结果成为主流。每个领域都需要做出妥协，但最终应建立起一种协同关系。

本综述的目的是基于现有文献进行更新，并通过新颖的实验对比来提供关于金属粉末雾化最新进展和当前挑战的全面认识。这项工作离不开行业合作伙伴的慷慨支持和对领域发展的浓厚兴趣。随着对金属粉末需求的增加，粉末制造和增材制造领域将继续发展。通过协作，这一领域将迎来前所未有的飞跃。

**作者贡献声明**
Lucas M. Erich：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、资源准备、方法论构建、研究设计、资金获取、数据分析、概念构思。
Logan D. Winston：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、资源准备、方法论构建、研究设计、资金获取、数据分析、概念构思。
Daniel Oropeza：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、项目监督、项目管理、资金获取。