前沿解读：超声雾化 —— 赋能增材制造的金属粉末制备新机理

引言

在航空航天、医疗、汽车等领域飞速发展的当下，增材制造（3D 打印） 技术凭借复杂构件一体化成型、材料利用率高的优势，成为先进制造的核心方向。而金属粉末作为增材制造的核心原料，其球形度、粒径均匀性、内部致密度，直接决定最终打印件的力学性能与使用可靠性。传统气雾化、水雾化制粉工艺，易出现粉末粒径不均、内部孔洞、成分偏析等问题，难以满足高端制造需求，超声雾化技术由此成为金属粉末制备领域的重点研究方向。

近日，多国联合研究团队在《增材制造》期刊发表成果，依托高速光学成像、超快同步辐射 X 射线成像两大原位观测手段，彻底厘清了超声雾化的核心作用机理，为超声雾化制备高品质金属粉末的工业化应用筑牢了理论基础。

正文

一、技术背景：超声雾化为何成为制粉优选？

现阶段增材制造所用金属粉末，主流制备工艺为气体雾化、水雾化，但这类工艺存在固有短板：粉末性能一致性差，会造成打印过程中材料流变、能量吸收不稳定，最终使成品出现闭孔、晶粒不均、力学性能波动等缺陷。

超声辅助熔体雾化作为新型制粉技术，依靠超声振动击碎熔融金属形成微小液滴，液滴快速凝固后得到金属粉末，和传统工艺相比优势显著：

适配范围广，可制备铝基、镁基、不锈钢、钛合金等多种微米 / 纳米级金属粉末；
工艺可控性强，通过调整超声参数即可调控粉末粒径；
成品球形度高、杂质少，是增材制造理想的粉末制备技术。

此前学术界针对超声雾化机理存在三大假说：毛细波主导理论、空化主导理论、毛细波 - 空化联合理论，长期未有直观实验证据佐证，也制约了该工艺的优化升级。本次研究以水、甘油为模拟介质，结合纯铝熔体开展实物实验，首次直观证实空化效应与毛细波协同作用、空化为主导的联合机理。

二、实验体系：多手段原位观测，还原雾化全过程

为拆解超声雾化动态机理，研究团队搭建了多套观测与实验装置，分层开展机理探究与工艺验证。

1. 成像观测装置

高速光学成像系统：采用 20~24kHz 超声换能器，搭配碳纤维板作为雾化平台。碳纤维板耐高温、抗疲劳，且与铝熔体润湿性良好，是金属雾化的理想载体。使用高速相机以 10~50kHz 帧率拍摄，捕捉液滴、液膜的宏观雾化形态。
超快同步辐射 X 射线成像系统：依托同步辐射光源，实现纳秒级时间分辨率、微米级空间分辨率，穿透液体表层，观测内部空泡生长、溃灭等微观动态，弥补光学成像的观测盲区。

2. 金属雾化实验装置

针对纯铝熔体设计高温雾化系统：利用感应加热在 800℃下熔化纯铝，向雾化室通入氩气营造低氧惰性氛围，避免铝液氧化；熔融铝在压差作用下流向 60kHz 碳纤维超声振动板，完成雾化制粉，最终通过扫描电镜、激光衍射仪表征粉末形貌与粒径。

三、核心机理：超声雾化的完整动态过程（重点解读）

研究将实验对象分为静止液滴 / 液膜、撞击液滴两大类，结合不同粘度介质（水、甘油），完整还原超声雾化全流程，明确空化效应是雾化的核心驱动力。

1. 静止体系雾化：空化催生毛细波，逐步破碎成滴

该过程共分为 8 个阶段，也是超声制粉最基础的作用形式：

初始状态：液体内部存在天然微小空泡，液面保持平稳；
空泡激活：开启超声振动后，液体局部压力降低，原有空泡开始脉动、长大；
气泡成团：大量空泡聚集形成气泡云团，空化效应逐步加剧；
空泡溃灭：气泡团剧烈内爆，产生冲击波与高速液体射流；
毛细波生成：空化产生的冲击波传递至气液界面，促使液面形成规则毛细波（法拉第波）；
界面畸变：剧烈空化持续扰动界面，毛细波发生扭曲、失稳；
液滴脱落：畸变波峰断裂、收缩，形成细小液滴，完成初次雾化；
过程终止：液膜厚度降至临界值以下，雾化停止。

实验同时发现特殊现象：液膜厚度直接影响液滴尺寸与喷射速度。液膜越薄，空化作用越强烈，生成的液滴粒径越小；甘油等高粘度液体中，空化会主导形成细长液瓣，液瓣断裂后形成雾滴，毛细波作用被大幅削弱。

此外，实验还观测到旋转气泡台风现象：液膜内的气泡团随声流快速移动、合并，在振动板边缘持续喷射液滴，是雾化过程的重要中间形态。

2. 撞击液滴雾化：冲击 + 超声耦合，加速雾化进程

当液滴自由撞击超声振动板面时，会形成 “边缘飞溅 + 表面飞溅” 的复合雾化效果：

液滴撞击板面后快速铺展，接触区域率先产生毛细波；
液膜内部空泡振荡、溃灭，强化界面扰动；
液膜边缘优先发生飞溅形成小液滴，后续整个铺展层逐步雾化。

超声振幅是决定雾化速率的关键：振幅越高，动量传递越强，雾化启动速度越快；高振幅工况下，液滴撞击后几乎无明显形变，雾化瞬间完成。

3. 关键结论：空化与毛细波的协同关系

空化效应是根源驱动力：先有空泡脉动、溃灭、产生冲击波，才会催生毛细波；
两者协同破碎：空化破坏界面稳定性，毛细波进一步放大失稳效果，共同促使液滴生成；
空化产生的次谐波振荡，会形成高速射流，大幅提升液滴喷射速度。

四、工艺验证：超声雾化制备铝粉的性能与工艺规律

铝及铝合金是增材制造应用最广泛的材料之一，但铝熔体易氧化、密度低，连续超声雾化难度大。本次研究直接开展纯铝熔体超声雾化实验，验证了该技术的工业化价值，并总结出核心工艺规律。

1. 粉末形貌与品质

经扫描电镜观测，不同超声振幅下制备的铝粉球形度优异，无细长颗粒、团聚颗粒与卫星颗粒；颗粒截面无封闭气孔，粉末流动性与堆积密度极佳，完美适配激光粉末床熔融等主流增材制造工艺。

2. 超声振幅对粉末粒径的影响

实验固定超声频率为 60kHz，对比 60%、75%、100% 三档输入功率（对应不同振动振幅）下的粉末粒径分布：

振幅越小，粉末粒径越细、分布越窄：60% 低功率工况下，粉末 D10~D90 区间仅 21.8μm，颗粒尺寸均匀性最优；100% 高功率下粒径分布区间扩大至 67.6μm，大颗粒占比提升。
功率阈值效应：60% 与 75% 功率下，粉末粒径差异极小，继续降低振幅对粉末性能无明显改善，可作为工艺优化的参考阈值。
粒径分布特征：超声雾化铝粉呈现正偏态分布，细颗粒占比更高，有利于提升粉末堆积密度。

整体来看，调低超声振动振幅，是制备细粒径、高均匀性铝粉的核心工艺策略，在保证颗粒球形度的同时，精准控制粒径范围。