Принцип работы процесса газовой атомизации

Обзор

Газовое распыление - это метод производства металлических порошков, при котором используются высокоскоростные струи инертного газа для дезинтеграции потока расплавленного металла на мелкие сферические частицы порошка. Сайт процесс распыления газа достигается превосходный контроль над гранулометрическим составом, морфологией, чистотой и микроструктурой порошка.

Ключевыми характеристиками порошка, распыляемого газом, являются сферическая форма частиц, высокая чистота, мелкие размеры до 10 микрон и однородный состав. Газовое распыление облегчает использование передовых технологий производства на основе порошка, таких как литье металлов под давлением, аддитивное производство, прессование и спекание в порошковой металлургии.

В этом руководстве представлен всеобъемлющий обзор процесса газовой атомизации и порошка. В нем рассматриваются методы распыления, образование частиц, параметры процесса, оборудование, применяемые сплавы, характеристики порошка, спецификации продукции, области применения и поставщики. Для обобщения технических данных включены полезные сравнительные таблицы.

Как Процесс газовой атомизации Работает

Газовое распыление превращает расплавленный сплав в порошок с помощью следующих основных этапов:

Этапы процесса газовой атомизации

• Таяние - Сплав расплавляется в индукционной печи и перегревается выше температуры жидкости
• Заливка - Струя расплавленного металла, залитая в камеру распыления
• Распыление - Высокоскоростные струи инертного газа расщепляют металл на мелкие капли
• Застывание - Капли металла быстро превращаются в частицы порошка, проходя через камеру.
• Коллекция - Частицы порошка собираются в циклонном сепараторе в нижней части башни

Ключевое явление происходит, когда кинетическая энергия газовых струй преодолевает поверхностное натяжение металла и сдвигает поток жидкости на капли. Эти капли застывают в порошковые частицы со сферической морфологией.

Тщательный контроль процесса позволяет подобрать размер частиц, чистоту и микроструктуру порошка.

Методы распыления газа

В промышленности используются два основных метода распыления газа:

Методы газовой атомизации

Метод	Описание	Преимущества	Ограничения
Распыление в тесном контакте	Сопло в непосредственной близости от точки застывания расплава	Компактная конструкция, низкое потребление газа	Возможность загрязнения расплава из форсунки
Распыление свободным падением	Сопло расположено ниже точки застывания	Снижение загрязнения расплава	Требуется более высокая распылительная башня

Конструкции с тесной связью рециркулируют распыляющий газ, но при этом существует риск некоторого окисления расплава. Свободное падение обеспечивает более чистую атмосферу с меньшим риском реакции сопла.

Дополнительные варианты включают в себя несколько газовых сопел, ультразвуковое распыление, центробежное распыление и коаксиальные сопла для специальных применений.

Конструкции форсунок для распыления газа

Различные конструкции сопел создают высокоскоростные газовые струи, необходимые для распыления:

Типы форсунок для распыления газа

Насадка	Описание	Схема газового потока	Размер капельки
Де Лаваль	Сходящееся-разходящееся сопло	Сверхзвуковой	Большое, широкое распространение
Коническая	Простое коническое отверстие	Sonic	Средний
Щель	Удлиненное щелевидное отверстие	Sonic	Малый
Множество	Массив микросопел	Звуковой/сверхзвуковой	Очень маленький, узкое распространение

Сопла De Laval используют ускорение газа до сверхзвуковых скоростей, но имеют сложную геометрию. Звуковые сопла с упрощенной формой обеспечивают большую гибкость.

Более мелкие капли и строго контролируемое распределение по размерам достигаются за счет использования нескольких микросопел или щелевых конфигураций.

Формирование и затвердевание порошка

Разделение расплавленного металла на капли и последующее затвердевание происходит по разным механизмам:

Этапы формирования порошка

• Расставание - Неустойчивость рэлеевской струи вызывает возмущения и образование капель
• Искажение - Капли удлиняются в связки под действием силы сопротивления воздуха
• Разрыв - Связки распадаются на капли, близкие к конечному размеру
• Застывание - Быстрое охлаждение за счет контакта с газом и излучения формирует твердые частицы
• Замедление - Потеря скорости при движении частиц вниз через камеру распыления

Комбинированные эффекты поверхностного натяжения, турбулентности и воздушного сопротивления определяют конечный размер и морфологию частиц. Максимальные скорости охлаждения частиц свыше 1 000 000 °C/с гасят метастабильные фазы.

Параметры процесса

Основные параметры процесса газового распыления включают в себя:

Процесс газовой атомизации Параметры

Параметр	Типовой диапазон	Влияние на порошок
Давление газа	2-10 МПа	Увеличение давления уменьшает размер частиц
Скорость газа	300-1200 м/с	При более высокой скорости образуются более мелкие частицы
Расход газа	0,5-4 м3/мин	Увеличивает поток для повышения производительности и получения более мелких деталей
Перегрев расплава	150-400°C	Более высокий перегрев уменьшает количество сателлитов и улучшает поток порошка
Скорость застывания расплава	10-150 кг/мин	Более низкие скорости выливания улучшают гранулометрический состав
Диаметр струи расплава	3-8 мм	Более крупный поток обеспечивает большую пропускную способность
Расстояние разделения	0.3-1 m	Большое расстояние уменьшает содержание спутников

Баланс этих параметров позволяет контролировать размер частиц порошка, его форму, скорость производства и другие характеристики.

Системы сплавов для газовой атомизации

Газовое распыление позволяет перерабатывать в порошок практически любые сплавы, включая:

Сплавы, пригодные для газовой атомизации

• Титановые сплавы
• Никелевые суперсплавы
• Кобальтовые суперсплавы
• Нержавеющие стали
• Инструментальные стали
• Низколегированные стали
• Сплавы на основе железа и никеля
• Драгоценные металлы
• Интерметаллиды

Для распыления газа требуется температура плавления ниже точки разложения распыляемого газа. Типичными газами являются аргон, азот и гелий.

Тугоплавкие сплавы с очень высокой температурой плавления, такие как вольфрам, могут быть сложны для распыления и часто требуют специальной обработки.

Для большинства сплавов требуется перегрев расплава намного выше температуры ликвидус, чтобы сохранить достаточную текучесть для распыления на мелкодисперсные капли.

Характеристики порошка, распыляемого газом

Типичные характеристики порошка, распыляемого газом:

Характеристики порошка, распыляемого газом

Характеристика	Описание	Значение
Морфология частиц	Высокая сферичность	Отличная текучесть, плотность упаковки
Распределение частиц по размерам	Регулируется в диапазоне 10-150 мкм	Регулирует плотность прессования и поведение спекания
Диапазон размеров частиц	Можно добиться плотного распределения	Обеспечивает единые свойства компонентов
Химическая чистота	Как правило, >99,5%, за исключением запланированных сплавов	Избегайте загрязнения в результате реакции форсунок
Содержание кислорода	<1000 ppm	Критически важен для высокоэффективных сплавов
Кажущаяся плотность	До 60% теоретической мощности	Показатель прессинга и управляемости
Внутренняя пористость	Очень низкий	Хорошо подходит для обеспечения микроструктурной однородности
Морфология поверхности	Гладкость с некоторыми спутниками	Указывает на стабильность процесса

Сферическая форма и регулируемое распределение по размерам облегчают использование в процессах вторичной консолидации порошка. Жесткий контроль над кислородом и химическим составом позволяет получать сплавы с высокими эксплуатационными характеристиками.

Технические характеристики порошков, распыляемых газом

Спецификации международных стандартов помогают определить:

• Распределение частиц по размерам
• Диапазоны кажущейся плотности
• Расход воздуха в зале
• Приемлемые уровни кислорода и азота
• Допустимая микроструктура и пористость
• Ограничения по химическому составу
• Процедуры отбора проб

Это обеспечивает контроль качества и воспроизводимость поведения порошка.

Технические характеристики порошков, распыляемых газом

Стандарт	Материалы	Параметры	Методы испытаний
ASTM B964	Титановые сплавы	Размер частиц, химический состав, микроструктура	Дифракция рентгеновских лучей, микроскопия
AMS 4992	Аэрокосмические титановые сплавы	Размер частиц, содержание кислорода	Ситовой анализ, плавление в инертном газе
ASTM B823	Порошковая инструментальная сталь	Кажущаяся плотность, скорость потока	Расходомер Холла, волюметр Скотта
SAE AMS 5050	Никелевые сплавы	Размер частиц, морфология	Лазерная дифракция, СЭМ
MPIF 04	Многие стандартные сплавы	Кажущаяся плотность, скорость потока	Расходомер Холла, плотность резьбы

Спецификации разработаны с учетом критических требований к применению в аэрокосмической, автомобильной, медицинской и других отраслях промышленности, ориентированных на качество.

Области применения порошка, распыляемого газом

Порошки, распыляемые газом, позволяют изготавливать высокопроизводительные компоненты с помощью:

• Литье металлов под давлением (MIM)
• Аддитивное производство (AM)
• Горячее изостатическое прессование (HIP)
• Порошковая ковка
• Термическое и холодное напыление
• Прессование и спекание в порошковой металлургии

Преимущества по сравнению с коваными материалами:

• Сложные геометрические формы с мелкими деталями
• Отличные механические свойства
• Консолидация почти полной плотности
• Новые и индивидуальные сплавы
• Различные варианты материалов

Газовое распыление позволяет получать сферические, текучие порошки, оптимальные для автоматизированной обработки сложных деталей с высокими стандартами качества в различных отраслях промышленности.

Мировые поставщики порошков, распыляемых газом

Известные мировые поставщики порошков, распыляемых газом, включают:

Производители порошков с газовым распылением

Компания	Материалы	Возможности
ATI Powder Metals	Титан, никель, сплавы инструментальной стали	Широкий диапазон сплавов, большие объемы
Praxair Surface Technologies	Титановые, никелевые, кобальтовые сплавы	Широкий выбор сплавов, платная обработка
Sandvik Osprey	Нержавеющие стали, низколегированные стали	Специалисты по черным металлам
Höganäs	Инструментальные стали, нержавеющие стали	Нестандартные сплавы, порошки для аддитивного производства
Столярная присадка	Титановые, никелевые, кобальтовые сплавы	Нестандартные сплавы, специализированные размеры частиц

Небольшие региональные поставщики также предлагают порошки, распыляемые газом, часто обслуживая нишевые сплавы или области применения.

Многие поставщики также осуществляют просеивание, смешивание, нанесение покрытий и другие операции по последующей обработке порошка.

Преимущества и ограничения газовой атомизации

Газовая атомизация - плюсы и минусы

Преимущества	Ограничения
Сферическая морфология порошка	Более высокие первоначальные капитальные затраты
Контролируемое распределение частиц по размерам	Требуется инертный газ высокой чистоты
Применимо для многих систем сплавов	Тугоплавкие сплавы, трудно поддающиеся распылению
Химический состав и микроструктура чистых порошков	Может возникнуть эрозия сопла
Быстрое закаливание порошка сохраняет метастабильные фазы	Требуется перегрев расплава значительно выше уровня ликвидуса
Непрерывный процесс производства порошка	Форма порошка ограничивает прочность зеленого цвета

Сферическая форма и мелкие размеры порошка, распыляемого газом, дают определенные преимущества, но требуют больших эксплуатационных затрат по сравнению с более простыми процессами механического измельчения.

Выбор порошка, распыляемого газом

Ключевые аспекты при выборе порошка с газовым распылением:

• Желаемая химия и состав сплава
• Целевой гранулометрический состав
• Подходящие диапазоны кажущейся и ответвительной плотности
• Предельные значения кислорода и азота зависят от области применения
• Характеристики потока для автоматизированной обработки порошка
• Процедуры выборки для обеспечения репрезентативности
• Техническая экспертиза поставщика и обслуживание клиентов
• Соображения общей стоимости

Испытания прототипов помогают определить пригодность новых сплавов и порошков, распыляемых газом, для конкретного применения. Тесное сотрудничество с производителем порошка позволяет оптимизировать работу.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Какой наименьший размер частиц может быть получен при распылении газа?

Специализированные форсунки могут производить порошок с одноразмерными микронами до 1-5 микрон. Однако ультратонкий порошок имеет очень низкую кажущуюся плотность и проявляет сильные межчастичные силы Ван-дер-Ваальса, что требует осторожного обращения.

Что вызывает спутники порошка при распылении газа?

Спутники образуются, когда капли слишком велики или сталкиваются и частично соединяются до полного застывания. Более высокий перегрев, более низкая скорость заливки и увеличенное расстояние между капельками помогают уменьшить образование спутников.

Почему для распыления газа требуется инертный газ высокой чистоты?

Высокоскоростные газовые струи могут со временем стирать металл с сопла и загрязнять порошок. Реактивные газы, такие как азот и кислород, также негативно влияют на чистоту порошка и характеристики сплава.

Чем распыление газа отличается от распыления воды?

Водное распыление позволяет получить более неоднородный порошок с крупными размерами, обычно 50-150 микрон. Газовое распыление позволяет получить более мелкий порошок размером до 10 микрон со сферической морфологией, предпочтительной для прессования и спекания.

Что такое центробежное распыление?

При центробежном распылении расплавленный металл заливается во вращающийся диск, который выбрасывает мелкие капли расплавленного металла, застывающие в порошок. Этот метод обеспечивает более высокую производительность по сравнению с газовым распылением, но снижает контроль размера и формы порошка.

Можно ли быстро переключать сплавы при газовом распылении?

Да, на специализированном оборудовании поток расплава может быть быстро изменен для получения композитных и легированных порошков. Однако перекрестное загрязнение между сплавами должно быть сведено к минимуму путем продувки камеры.

Заключение

Процесс газового распыления позволяет получать сферические, текучие металлические порошки с жестко контролируемым распределением частиц по размерам, чистотой и микроструктурными характеристиками, оптимальными для передовых процессов консолидации порошка в критических областях применения. Тщательная манипуляция параметрами процесса и специальные конструкции сопел позволяют в значительной степени контролировать конечные характеристики порошка. Благодаря дальнейшему развитию газовое распыление предоставляет инженерам больше возможностей для производства высокопроизводительных компонентов новыми творческими способами.

узнать больше о процессах 3D-печати

Additional FAQs on Gas Atomization

1) Which inert gas should I choose: argon, nitrogen, or helium?

• Argon is the default for most alloys due to cost and inertness. Nitrogen is acceptable for many steels but can form nitrides in Ti, Al, or superalloys—avoid where embrittlement is a risk. Helium improves heat transfer and fineness but is expensive; often used as a blend (e.g., Ar/He).

2) How do I minimize satellite formation without sacrificing throughput?

• Increase melt superheat, reduce pour rate, optimize stand-off distance, and adopt multi-jet or slit nozzles. Downstream classification plus light plasma spheroidization can further reduce satellites.

3) What oxygen and nitrogen limits are typical for AM-grade powders?

• Common specs: O ≤ 0.10–0.20 wt% for stainless/tool steels, ≤ 0.04–0.10 wt% for Ni/Co superalloys; N tightly controlled for Ti (≤ 0.03 wt%) and avoided in atomization gas. Always verify per ISO/ASTM 52907 and OEM datasheets.

4) How does close-coupled compare to free-fall for ultra-fine cuts (10–45 μm)?

• Close-coupled generally yields finer PSD and higher AM-grade yield but with greater risk of oxidation/nozzle pickup; free-fall offers cleaner chemistry and lower satellites at the expense of tower height and gas use.

5) What process monitors are most impactful for quality consistency?

• Melt temperature/superheat, real-time gas O2/H2O analyzers, nozzle differential pressure, acoustic/optical breakup monitoring, and inline sieving/classification metrics. These enable closed-loop control of PSD and chemistry.

2025 Industry Trends for Gas Atomization

• Inline analytics: Wider deployment of optical droplet imaging and spectroscopic off-gas monitoring for closed-loop PSD and chemistry control.
• Sustainability: Higher inert gas recycle rates, heat-recovery from towers, and EPDs for powder lines to meet OEM Scope 3 targets.
• AM-grade yield: Disciplined nozzle maintenance and hybrid Ar/He mixes increasing 15–45 μm yields for LPBF.
• Alloy expansion: Greater adoption of Cu and Al alloys for thermal/e-mobility, and oxide-dispersion variants via powder blending/coating.
• Digital passports: Lot-level “powder passports” linking melt chemistry, PSD, O/N/H, and flow/density to end-part serials in aerospace and medical supply chains.

2025 Snapshot: Gas Atomization KPIs (indicative)

Метрика	2023	2024	2025 YTD	Notes/Sources
AM-grade yield to 15–45 μm (stainless/tool steel)	30–42%	33–46%	36–50%	Process + classification optimization
Typical oxygen for Ni superalloy (wt%)	0.05-0.10	0.04–0.09	0.04–0.08	ISO/ASTM 52907 compliant lots
Gas recycle rate (argon systems)	40–60%	50–70%	60–80%	Energy/cost/CO2 improvements
Lead time (AM-grade powder, weeks)	6–10	5-8	4–7	Added capacity in EU/US/APAC
Nozzle service interval (hours of melt)	120–180	150–220	180–260	Harder alloys/coatings and PM

References: ISO/ASTM 52907/52920/52930; ASTM B214/B212/B964; supplier technical notes (Sandvik Osprey, Carpenter Additive, Höganäs); industry sustainability reports; peer-reviewed atomization studies.

Latest Research Cases

Case Study 1: Increasing AM-Grade Yield via Ar/He Gas Blending (2025)

• Background: A powder producer sought higher LPBF yield (15–45 μm) for a nickel superalloy without raising oxygen.
• Solution: Implemented Ar/He 80/20 blend, optimized close-coupled slit nozzle, and closed-loop melt superheat control.
• Results: AM-grade yield +8.2% absolute; sphericity improved from 0.93 to 0.95; oxygen maintained at 0.06–0.07 wt%; LPBF bulk density improved from 99.6% to 99.9% using unchanged scan parameters.

Case Study 2: Low-Nitrogen Stainless Steel via Free-Fall Atomization (2024)

• Background: An automotive Tier‑1 needed low N for fatigue-critical 17‑4PH AM components.
• Solution: Switched to free-fall atomization with deep vacuum backfill and ultra-dry argon; added inline O2/H2O analyzers and dry-room classification.
• Results: Nitrogen reduced from 0.05 to 0.02 wt%; Hall flow improved by 12%; scrap rate in high-speed PBF builds down 35%; mechanicals met AMS/ASTM targets with reduced scatter.

Мнения экспертов

• Dr. Lars Arnberg, Professor Emeritus, Norwegian University of Science and Technology
• Viewpoint: “Gas dynamics at the breakup zone dictate PSD more than melt chemistry—nozzle design and stand-off control are the primary levers.”
• Dr. Christina M. Lomasney, Materials Scientist and AM Advisor
• Viewpoint: “Powder hygiene—oxygen, moisture, and handling—often determines final part performance as much as PSD. Inline analyzers are now table stakes.”
• Dr. Suman Das, Professor of Mechanical Engineering, Georgia Tech
• Viewpoint: “Digital powder passports linking atomization data to printed part quality are accelerating qualification for aerospace and medical applications.”

Practical Tools and Resources

• Standards and QA
• ISO/ASTM 52907 (feedstock), 52920/52930 (process/quality): https://www.iso.org
• ASTM B214 (sieve), B212 (apparent density), B964 (Hall flow), B822 (laser diffraction): https://www.astm.org
• MPIF standards and handbooks: https://www.mpif.org
• Modeling and control
• OpenFOAM/COMSOL for multiphase breakup and spray modeling: https://www.openfoam.com, https://www.comsol.com
• Inline gas analyzers (O2/H2O) and optical breakup monitoring from metrology vendors
• Data and design
• Copper Development Association and Nickel Institute materials data: https://www.copper.org, https://www.nickelinstitute.org
• NIST AM Bench datasets and measurement science: https://www.nist.gov
• Безопасность
• NFPA 484 (combustible metals) and ATEX directives: https://www.nfpa.org
• Market/pricing
• LME indices for base metals impacting powder cost: https://www.lme.com

Last updated: 2025-10-16
Changelog: Added 5 targeted FAQs; introduced a 2025 KPI table and trend commentary; provided two recent case studies (Ar/He blending and low‑N stainless); compiled expert viewpoints; linked standards, modeling, data, safety, and market resources
Next review date & triggers: 2026-03-31 or earlier if ISO/ASTM feedstock standards revise, major suppliers change gas/blend practices, or significant lead-time/price shifts occur in gas atomization supply chains