中國粉體網(wǎng)訊  球形金屬粉體作為一種優(yōu)質(zhì)的冶金原材料，具有形狀規(guī)則、性質(zhì)穩(wěn)定、致密度高、流動性極好等特點(diǎn)，不僅適用于傳統(tǒng)粉末冶金領(lǐng)域的高端產(chǎn)品制造，還適用于金屬基增材制造、熱噴涂、金屬注射成形和微電子封裝以及復(fù)合粉體制備、磁粉芯材料制備等領(lǐng)域。可以說，球形金屬粉體在高端制造業(yè)蓬勃發(fā)展的時代將具有巨大的潛力。

世界各國高度重視優(yōu)質(zhì)球形金屬粉體巨大的市場需求，紛紛投入大量資金開展制粉技術(shù)的研究。我國冶金工業(yè)經(jīng)過近些年的發(fā)展，粉體種類已經(jīng)明顯增多，但還是無法滿足市場需求，在球形粉體制造工藝方面與國外傳統(tǒng)優(yōu)勢企業(yè)相比差距明顯。國內(nèi)使用的很多高性能球形金屬粉體仍依賴國外進(jìn)口，尤其是增材制造領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)球形金屬粉體原料，高昂的價格使生產(chǎn)成本增加，也制約了這些先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展與推廣，因而加快開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新制粉工藝具有十分重要的意義。

球形金屬粉體的應(yīng)用領(lǐng)域

金屬基增材制造

增材制造被譽(yù)為第三次工業(yè)革命的標(biāo)志性技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)顯著提高了材料利用率與生產(chǎn)效率。金屬具有良好的力學(xué)性能與電磁特性，應(yīng)用廣泛，金屬基增材制造逐漸成為技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。高性能的球形金屬粉體是其關(guān)鍵性原材料，粉體的品質(zhì)和價格直接影響了成型零件的綜合力學(xué)性能和生產(chǎn)成本。

高品質(zhì)、低成本的球形金屬粉體材料作為增材制造的重要一環(huán)，已經(jīng)成為德國EOS公司、美國Stratasys公司、美國GE公司、美國3D Systems等知名增材制造企業(yè)的產(chǎn)業(yè)布局重點(diǎn)。

金屬注射成形

金屬注射成形技術(shù)是由注射成型、粉末冶金工藝結(jié)合發(fā)展而來的一種新型成型技術(shù)，可提供比壓鑄更高的強(qiáng)度、比熔�；蛐蜕拌T造更好的公差，適用于高密度、高精度金屬零件的生產(chǎn)，以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的小型金屬零件的批量生產(chǎn)。

球形粉體松裝密度高、流動特性好，是具有優(yōu)勢的金屬注射成形原料。通過將不同粒徑的球形粉體配比使用，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的臨界固體載荷，可將更多的粉體裝入聚合物中，減少粘合劑的使用，降低燒結(jié)過程中的收縮和變形。此外，球形顆粒沒有明確的擇優(yōu)取向，保證了生坯在燒結(jié)脫脂過程中具有更好的各向同性收縮。

熱噴涂

熱噴涂技術(shù)是一種迅速發(fā)展的表面強(qiáng)化技術(shù)，該工藝使用高溫火焰或等離子體將金屬粉末或線材熔化為液滴，然后由高壓氣體將液滴噴射到處理表面，形成具有特殊性質(zhì)的涂層。熱噴涂工藝操作便捷，制備的涂層性能良好，可有效強(qiáng)化金屬的表面性能，增強(qiáng)耐蝕性、耐磨性、導(dǎo)電性等，在軍事、航空、航天、機(jī)械、電力、生物工程等領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

熱噴涂材料種類很多，按原料形狀可分為粉體、金屬絲、金屬棒。使用粉體噴涂時，應(yīng)具有良好的流動性，以獲得平整均勻的涂層。球形金屬粉體流動性優(yōu)良，形狀規(guī)則，在噴涂過程中送粉更加流暢，可極大程度上避免粉體團(tuán)聚，恰好能滿足熱噴涂的工藝要求。

微電子封裝

電子封裝的實(shí)現(xiàn)方式是靠“芯片-基板”、“芯片-芯片”的互連，互連焊接凸點(diǎn)通常由導(dǎo)電性優(yōu)良的純金屬或錫基釬料以及上述材料組成的多層結(jié)構(gòu)所構(gòu)成。為滿足封裝質(zhì)量，需要控制凸點(diǎn)的尺寸、球形度、表面形貌、微觀組織結(jié)構(gòu)等，對原料粉體的質(zhì)量要求相應(yīng)提高。

一般而言，不同的電子器件和使用場所，所選用的封裝粉體成分不同。其中，單粒度的球形銅錫基金屬微粉因其強(qiáng)度高、導(dǎo)熱快、導(dǎo)電能力強(qiáng)等特點(diǎn)而具有較大潛力。

磁粉芯

磁粉芯是中高頻變壓器磁芯、高頻開關(guān)電源、高精度變壓器和抗電磁干擾器件中的重要組成元件。有研究發(fā)現(xiàn)，磁粉芯的性能除取決于原料合金成分外，還受粉體形貌的影響。球形度高的金屬磁粉在絕緣包覆過程中易于形成均勻完整的絕緣層，可顯著提高磁粉芯的電阻率；且單個磁粉顆粒之間隔離良好，有利于減少渦流損失，提高磁粉芯的綜合軟磁性能。此外，球形粉體中的孔洞很少，通過合理搭配粒徑，能夠制備出高密度磁粉芯產(chǎn)品，提升磁導(dǎo)率。

從制備原理看各種工藝的缺陷

球形金屬粉體的制備原理

球形金屬粉體的制備技術(shù)根據(jù)原理大致可為兩類：一類基于液相破碎原理，例如GA工藝、PA工藝、PREP工藝；另一類基于微粒重熔原理，例如PS、液/固界面去潤濕法、切絲重熔法。

在基于液相破碎法工藝中，無論是利用高速等離子體沖擊分散金屬液流的GA工藝、PA工藝，還是利用高速旋轉(zhuǎn)的離心力剝離金屬液膜的PREP工藝，都需要借助外力克服液體的表面張力，使微液滴從金屬母液中分離并飛出。在飛行過程中，微液滴在表面張力的作用下收縮成球，隨后在下落過程中迅速冷卻凝固。而基于微粒重熔法的工藝中，由顆粒在高溫介質(zhì)中加熱熔化形成微小液滴，而后微液滴在表面張力作用下迅速收縮成球，隨后凝固冷卻。

總體來看，主流的球形金屬粉體的制備工藝可以概括成微液滴形成、收縮成球、快速凝固的關(guān)鍵物理過程，而深入了解這些工藝的物理過程對開發(fā)或改進(jìn)球形金屬粉體制備技術(shù)極有意義。

各種主流制備方法的缺陷

目前，制備球形金屬粉體的方法眾多，各有優(yōu)勢，但也存在諸多問題。霧化法是目前應(yīng)用最廣的球形粉體商業(yè)制備方法，結(jié)合不同的工藝形式衍生出多種類型，包括真空感應(yīng)熔煉霧化、電極感應(yīng)熔煉氣霧化、等離子體霧化。

霧化法的特征在于使用高壓氣體分散金屬液流，強(qiáng)烈的氣流沖擊會在霧化腔內(nèi)形成氣體回流，凝固的細(xì)顆粒會被氣流裹挾流回霧化腔中部，與半凝固的顆粒碰撞，形成衛(wèi)星球顆粒。衛(wèi)星球增多會顯著影響粉體的流動性。

此外，霧化工藝的另一個問題在于，用于霧化的高壓氣體會被包裹在液態(tài)金屬中，而霧化過程液滴在高速氣流中冷卻極快，殘留的氣泡仍會在凝固的粉末中形成氣孔。這些氣孔對最終成型零件的機(jī)械性能，尤其是疲勞性能損害很大，即使通過熱等靜壓(HIP)也無法消除。到目前為止，仍然缺乏避免這兩種霧化工藝中的固有缺陷形成的手段。

等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化，衛(wèi)星球缺陷存在較少。在等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化中，液滴由離心力作用下徑向飛離金屬母材表面；也就是說，微液滴是有序飛出的，液滴和凝固顆粒碰撞形成衛(wèi)星球的可能性極低。然而，正是因?yàn)殡x心剝離液滴的霧化方法，等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化的粉體尺寸粒度較大，生產(chǎn)效率較低。

等離子體球化工藝可有效避免霧化工藝中普遍存在的衛(wèi)星球和空心球缺陷，特別適用于高熔點(diǎn)金屬、難熔合金的制備，對于低熔點(diǎn)金屬，無法避免成分燒損，造成成分的不穩(wěn)定性。高溫下燒損揮發(fā)的合金元素會重新冷凝形成超微細(xì)粉，附著在大顆粒表面，影響顆粒光潔度，降低粉體流動性。

小結(jié)

隨著金屬基增材制造、熱噴涂、金屬注射成形和微電子封裝等先進(jìn)制造技術(shù)的涌現(xiàn)與快速發(fā)展，新的制造工藝對金屬粉體提出了新的性能要求。大量新興先進(jìn)制造技術(shù)都需要粒度分布合適、無空心球、衛(wèi)星球等缺陷，致密性、流動性好，雜質(zhì)含量低的優(yōu)質(zhì)球形金屬粉體作為原料支持。然而，目前幾種主流的球形粉體的制備工藝仍存在一些缺陷問題，制備性能優(yōu)良的球形金屬粉體引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。我國球形金屬粉體的種類、產(chǎn)量在近幾年有了顯著增長，但與國外傳統(tǒng)優(yōu)勢企業(yè)差距較大，高端產(chǎn)品仍不能滿足市場需求。因此，研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高端球形粉體的制備工藝，具有重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實(shí)意義。

參考來源：

鮑其鵬博士：金屬微粒下落熔融球化原理及其應(yīng)用，北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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