超声雾化制粉：赋能合金研发与金属材料闭环回收

引言

在增材制造（3D 打印）领域，球形金属粉末是核心原料，粉末的球形度、流动性、成分均匀性直接决定最终成品质量。传统气体雾化、水雾化、等离子球化等制粉技术虽能实现规模化生产，但设备占地大、换产成本高、原料适配性差，难以满足实验室新型合金快速研发的需求，也制约了金属材料循环利用的落地。超声雾化制粉技术凭借小型化、灵活度高、原料兼容性强等优势，成为当下粉末冶金与增材制造领域的热门技术，也为可持续材料开发开辟了新路径。

正文

一、传统制粉技术的发展瓶颈

激光粉末床熔融、电子束熔化、直接能量沉积等主流增材制造工艺，对粉末形态要求严苛，高球形度、窄粒径分布的粉末是保障工艺稳定的关键。

目前行业主流的气体雾化、水雾化、等离子 / 感应球化工艺，擅长大批量工业化制粉，但存在明显短板：设备体积庞大、生产切换成本高昂，无法在高校、科研机构灵活部署；同时对原料品类限制较多，科研人员只能使用混合粉末或非球形粉末开展实验，极易造成合金成分不均、粉末流动性下降，严重阻碍新型合金体系的探索。

二、超声雾化制粉技术：核心原理与技术优势

（一）技术原理

超声雾化是本文研究的核心技术，其原理区别于传统高速流体冲击制粉：依靠高频振动破坏液态金属的表面张力，使熔融金属脱离本体形成微小液滴，液滴在气氛中自然冷却凝固，最终得到球形金属粉末。

该工艺可搭配两种主流熔化方式：等离子加热适用于高温合金制备，感应加热则适配低熔点合金；还可结合电弧熔炼模块，拓展废旧金属回收场景。设备支持小批量试产，制粉规模可从 1 克至数千克灵活调整，完美匹配新型合金配方快速验证的科研需求。

（二）核心优势

设备小型化：无需高速流体系统，雾化腔体体积大幅缩小，实验室、科研单位均可搭建使用；
原料兼容性广：熔化单元可直接适配金属条、切削屑、铸锭等多种原料，简化制粉前置工序；
粉末品质优异：制备粉末球形度高、粒径分布窄、成分偏析少，堆积密度与流动性表现突出；
工艺组合灵活：可与电弧熔炼结合，实现废旧金属再生制粉，推动材料闭环利用。

依托该技术，研究团队已成功制备锆基金属玻璃粉末、铂基高温合金、改性镁合金、铝合金、磁热功能合金等多类定制粉末，覆盖结构材料与功能材料两大方向。

三、典型材料应用实验与结果分析

本次研究选取C103 高温合金、银改性镁合金、回收钛合金三类代表性材料，开展超声雾化制粉实验，并通过扫描电镜、能谱分析、粒径测试等手段完成性能表征。

（一）C103 铌基高温合金

C103 合金是航空航天、火箭推进系统、高超音速装备所用的难熔高温合金，曾应用于阿波罗登月舱火箭喷管，多用于薄壁精密构件，对粉末纯净度与组织均匀性要求极高。

实验采用 40kHz 振动频率的 TZM 合金变幅杆，对 C103 合金窄条进行超声雾化。检测结果显示：

粉末整体呈标准球形，内部形成均匀枝晶组织，粒径分布窄，具备增材制造所需的高堆积密度与流动性；
能谱（EDS）检测未发现二氧化物夹杂与元素偏析，粉末纯度优异，可满足高端高温构件的使用标准。

（二）银改性镁合金

镁合金具备良好生物可降解性，植入人体后不会释放有毒离子，是骨科植入物的理想材料；掺杂银元素后，既能匹配骨骼愈合速率调控腐蚀速度，又可赋予合金抗菌性能。

该材料采用感应熔炼 + 超声雾化工艺（工作频率 60kHz），由于合金中锌元素沸点较低，高温下易蒸发，研究团队搭配电弧熔炼模块制备银镁母合金，有效抑制挥发性元素损耗，自制母合金成分偏差远低于商用产品。

实验现象与结论：雾化后粉末表面存在亚微米级颗粒，由锌蒸发后冷凝附着形成，同时高温易造成颗粒粘连。后续可通过加大喷嘴口径、优化浇注温度等方式改善该问题；所得粉末粒径适配激光粉末床熔融工艺，应用潜力显著。

（三）回收钛合金（钛加工屑再利用）

钛合金是航空航天关键战略材料，实现钛加工屑的回收再生，是践行材料可持续发展、构建闭环产业链的重点。

实验流程：将数控机床产生的钛合金切屑置于铜制冷坩埚，通过等离子电弧熔炼制成铸锭，再采用与 C103 合金同款超声雾化设备制粉，并调低等离子参数避免铝元素蒸发。

1. 粉末形貌与粒径

成品粉末球形度极高，粒径分布区间集中，超 85% 粉末粒径小于 100μm，适配激光粉末床熔融、电子束熔化、热等静压等多种粉末冶金工艺。粉末粒径参数如下表：

Parameter	Volume-based analysis (μm)	Number-based analysis (μm)
D10	36	30
D50	49	41
D90	118	52

2. 纯度指标

制粉后材料总氧含量增量仅 220ppm，整体氧含量低于 600ppm，完全符合 ASTMF2924 行业标准，再生粉末可直接投入工业应用。

四、研究总结与行业价值

超声雾化技术适配多元合金研发：可稳定制备组织均匀、形貌优良的 C103 高温合金粉末，是高端难熔合金研发的理想制粉手段；针对银改性镁合金等低熔点、含易挥发元素的材料，需精准控制浇注温度与熔炼参数，规避元素蒸发、颗粒粘连问题。
助力战略金属闭环回收：结合电弧熔炼与超声雾化工艺，可高效将钛合金加工屑转化为高品质球形粉末，再生粉末性能达标，为钛、镁等金属的循环利用提供成熟技术方案。
推动增材制造产业创新：相较于传统制粉工艺，超声雾化制粉小型化、低成本、定制化的特点，降低了新型合金的研发门槛，既能加速新材料配方迭代，也为粉末冶金行业绿色、可持续发展提供了全新技术路线。

未来，随着工艺持续优化，超声雾化制粉技术将在新型功能合金、生物医用材料、航空航天高端结构材料研发与回收领域发挥更大作用。

图文导读