粒度儀——金屬粉末表徑分析專家

2021-01-09 安東帕AntonPaar

美國加州大學聖塔芭芭拉分校天體物理學和宇宙學家菲利普-盧賓教授認為:「如果你的文明希望通過廣播方式表示你們的存在,最聰明的方法就是像燈塔一樣發送出信號」。盧賓教授的研究團隊計劃在地球上建造一臺高能雷射器,將所有數據通過光信號發送到太空。盧賓介紹說,「光子包中可能包含有你獨特的DNA序列。這些數據以1或0的形式發送出去,就像是計算機代碼一樣」;雷射的明暗閃爍可以代表這種二進位代碼。

雷射是20世紀以來繼核能、電腦、半導體之後,人類的又一重大發明,被稱為「最快的刀」、「最準的尺」、「最亮的光」。

當前雷射應用很廣泛,有雷射打標、雷射焊接、雷射切割、光纖通信、雷射測距、雷射雷達、雷射武器、雷射唱片、雷射矯視、雷射美容、雷射掃描、雷射滅蚊器、LIF無損檢測技術等等。

今天的主題是雷射衍射法,是一種具有可靠、簡單及測量範圍廣等特點的粒徑檢測方法,因此其廣泛應用於金屬粉末生產過程中的質量控制環節。由於顆粒粒徑越小,越易於團聚,從而造成超細金屬粉粒徑分布峰出現分離。因此,為了生產出最佳金屬粉原料,需充分考慮超細原料粉團聚現象。PSA儀器可以有效測量此範圍中的粒度分布。

兩個不同生產批次(批次1、批次2)的新鮮雷射燒結(如上圖1.4404 Sandvik)不鏽鋼粉末(即R00)均採用PSA 1190 LD的溼法測量其粒徑,其分散介質為水。為了避免顆粒團聚,使其形成穩定分散液,在分散缸中加入偏磷酸鈉(NaMP),使其濃度達到1 g/L。取樣時,先將金屬粉料緩慢旋轉360°,然後從側面取樣品,從而保證所取的樣品具有代表性。將所取的粉料加入到分散缸中,使其濃度達到10%左右。為了避免大顆粒的沉降,攪拌器功率調到最大。由於樣品的光學性質已知,因此採用Mie模型進行分析。輸入的參數如表3所示。

兩個批次不鏽鋼粉的粒度分布如圖6所示

兩個批次粉料的粒徑分布主峰均在40μm附近,為金屬粉產品的一項重要指標。此外,兩個批次的最大粒徑均約90μm。然而,兩個批次的粒徑分布在最小值處存在明顯的差異。由圖可見,批次1在10 μm和4μm處分別出現一個峰值,而批2則是一個從10到90μm連續的寬峰。同時,這種差異也反映在兩個批次樣品的體積分布D值上,如表4所示。

粉料粒徑分布的不均勻會對粉料的性質 (如流動性能和團聚性)造成影響。從而進一步影響到燒結流程和最終產品的性質。

為了進一步研究存在於批次1中的小顆粒,取批次1中的樣品,並經過孔徑為30μm的篩子進行篩分。然後將過篩後的粉料分散在1g /L NaMP的水相中,經超聲處理10min,並沉澱1min。沉澱後,粗顆粒沉澱到底部,但由於細顆粒的沉降速度比粗顆粒慢,導致沉澱後的水相仍然渾濁。將沉澱後的液相(批次1_Fine fraction)導入PSA儀器的分散缸中進行測量。圖7所示分別為批次1原始樣、經篩分後和經沉澱後樣品的粒度分布。由圖可見,批次1的未經過處理的原始樣品粒徑分布範圍最寬,其粒徑下限為2 μm。經篩分沉澱後的樣品,其粒徑分布集中在 (2 - 11μm)之間。

值得注意的是,經過30μm篩子篩分後的樣本在30 - 60μm的範圍內仍有分布。這個結論歸因於一個眾所周知的事實:篩分是根據粒子的最小尺寸篩選的。由樣品電鏡圖 (圖8)可見,樣品中含有細長顆粒,其長度在40 - 60μm之間,而寬度約為30μm。這種細長粒子數量很少,只有兩三個,在篩分過程中可忽略不計。但相比之下,雷射衍射法下的PSD結果對兩倍體積的大顆粒非常敏感。由此可見,雷射衍射粒徑分布與樣品的實際粒徑高度相關。

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