面对绿色低碳发展与能源结构调整这一世界性挑战，通信网络和电子电气等领域对大电流功率电感器的要求不断提高。非晶合金软磁材料是当前迫切需要的先进电感器磁粉芯原料，其具备优异的高频导磁性、热稳定性和耐蚀性等优点而优于其他软磁材料。然而，作为一种原子短程有序而长程无序的亚稳态材料，非晶合金粉末的制备仍是一种难度较大的前沿技术。液态合金雾化法凭借粉末性能稳定、冷却速度快及可大规模生产等优势，已成为当前制备非晶合金粉末的主要工艺。在分析非晶材料特性及其形成机理的基础上，系统阐述了气雾化和水雾化制备非晶合金粉末的原理及国内外发展状况，概述了雾化过程中熔体破碎和凝固机理的现有认识。通过系统分析雾化制备的研究现状及亟待解决的问题，以期为中国开发非晶粉末雾化和冷却工艺高效制备非晶粉末提供一定的启发和技术思路。

　　软磁材料具有低矫顽力和高磁导率，在电子电气行业具有广泛的应用，其不仅可用于制造具有储存与转换能量功能的高效电感器和变压器，还可用于生产具备处理、传递信息功能的高性能滤波器和开关电源等。近年来，丰富的集成电路电子产品需求促进了多相型电源电路技术的发展，而轻便化和小型化的发展趋势制约了电源中电感器数量的增加，因而对软磁材料的高饱和磁化强度(BS)、高磁导率(μ)、高居里温度(Tc)和低矫顽力(Hc)等性能提出了更高要求。软磁材料有晶态和非晶态之分，其中，性能优越的非晶态合金软磁材料是当前的重要研究方向。

　　非晶合金又称为金属玻璃，是指过冷金属液体在快速冷却过程中原子扩散不充分导致内部液体结构得以固化保存而形成的一种性质和结构介于液体与固体之间的独特材料。自19世纪60年代Duwez P教授成功制备铁基非晶合金以来，非晶合金凭借其高BS、低Hc、高μ且稳定性好等优良特性开始成为软磁材料的研究热点，并有望代替传统的铁氧体软磁材料。众多学者在发展铁基非晶合金体系的同时，不断将其用于各种软磁产品的开发。除优良的软磁特性外，非晶合金还具备强耐腐蚀性、高屈服强度、高弹性应变和低热膨胀等特性，应用领域十分宽阔。目前，对非晶合金结构与性能的研究逐步深入，发现非晶材料还具有优良的润滑性能、燃烧性能、储能特性以及生物亲和性等，在汽车制动、国防、医疗、化工和环保等领域都具有广泛的应用前景。

　　近10多年来，中国在粉末产品开发与生产方面已取得巨大发展。其中，自北京科技大学协同青岛云路新能源科技有限公司成功开发小辊径甩带连铸法批量生产精密宽带非晶以来，中国宽带非晶产品不仅可满足内需，还开始主导较大份额的国际市场。然而，微细粉末等高端非晶粉末产品至今仍然依赖进口。自20世纪80年始，国际上金属粉末生产工艺得到快速发展，高性能非晶金属粉末为新一代一体成型电感的制造提供了高性能原料，有力地推动了新兴电子产业的发展。目前，世界非晶粉末总产量80%以上通过雾化法生产，雾化法与其他粉末制备技术相比，具有生产成本低、规模大、污染小、粉末细小、粒度分布集中和可批量生产等特点。本文首先介绍非晶材料的基本特性与形成因素，然后分别介绍气雾化与水雾化制备微细非晶粉末的雾化原理及发展历程，重点论述雾化生产中非晶合金的粉末化破碎与冷却机理，并在此基础上探讨、总结铁基非晶粉末雾化领域的研究现状及发展方向。

　　图1所示为晶体态和非晶体态下Al2O3原子结构示意图，相对于长程有序的晶体，把内部结构表现为短程有序而长程无序的材料称为非晶材料。

　　图2所示为高温熔体冷却凝固的2种方式。由图2可知，通常情况下液态金属冷却温度至凝固点时就会发生形核、长大从而形成晶体结构；但当冷却速率超过一定值时，液体没有充分时间发生形核长大，将会保持液态结构而不发生结晶，最终转变为玻璃态非晶体。因此，足够高的冷却速率是液态成形制备非晶材料的前提条件。

　　20世纪60年代，Duwez P教授在不同结构异价元素固溶体合金熔体快淬试验中发现了Au-Si非晶体，并证实这种非晶体是在快冷条件下由液态直接凝固形成，从而使非晶合金引起了广泛重视。1967年，Duwez P团队首次成功制备性能优良的软磁Fe-P-C合金。经过数十年发展，目前已开发出铁基、钼基、镍基和钴基等多种非晶合金系。同时，这些非晶合金系凭借优良的软磁性能得到日益广泛的应用。

　　(1)晶态软磁材料的软磁性能受到各向异性影响而不利于高频应用，但非晶体中原子排列长程无序，不存在宏观上的各向异性，组织分布均匀，软磁性能更好。如图3所示，与铁氧体和硅钢等传统软磁材料相比，非晶合金具有足够的高饱和磁化强度且矫顽力更低。

　　(3)非晶合金中不仅有已知强度最高的金属材料(如，Co基非晶合金强度高达6 GPa)，而且也有强度很低的金属材料(Sr基非晶合金强度低于300 MPa)。此外，由于非晶体没有晶粒与晶界等结构，非晶态合金耐蚀性也优于传统晶体软磁材料(非晶态Fe68Cr5Mo4 Nb4B16腐蚀电流仅为晶态下的百分之一)。

　　可见，相对于传统晶态材料，非晶合金在软磁领域具有独特的优良性能。下面将从热力学与动力学两方面来介绍非晶合金形成因素。

　　式中：ΔHf、ΔSf分别为某一温度下的熔化焓与熔化熵；Tf近似为熔点；Δcl→sp(T)为过冷液体与固相间的定压比热容之差。

　　根据热力学理论可知，ΔGl→s越小，形核自由能越高，则其合金非晶形成能力(glass forming ability，GFA)也越强。故随着非晶合金中元素种类的增加，体系组元增加，有利于提高合金GFA。SHEN Jun等计算出不含Co与含7%Co时Fe-Co系合金的理论ΔGl→s分别为2.0 kJ/mol与1.6 kJ/mol，证明通过适当添加合金元素可以提高合金GFA、促进非晶化转变。

　　根据动力学分析结果，黏度是影响晶化过程的重要动力学因素。黏度增加，原子扩散阻力增加，晶化受到抑制，过冷液体得以长时间保存进而有利于非晶化过程。合金元素含量对熔体黏度的影响复杂，如图4所示，随着非晶合金系中Co质量分数的增加，合金黏度先增加后下降，当合金中Co质量分数增至7%时，黏度达到最大值，此时合金系GFA最强。

　　评价非晶合金GFA强弱一方面可以从成分范围出发，能够形成非晶合金的成分区间愈宽则GFA越强；另一方面，可以从温度出发，其约化非晶化温度Trg(有Trg=Tg/Tm和Trg=Tg/TL 2种形式，Tg、Tm和TL分别为非晶化温度、熔点与液相线温度)越高，非晶合金GFA越强。目前针对合金的GFA已提出了多种判据，但大多还不够成熟，合金体系的GFA评价仍不同程度地依赖经验和试验。

　　当前，制备非晶粉末常用方法有机械合金化和雾化法。机械合金化虽然可以生产部分难熔金属粉末，但其具体原理仍有待进一步研究。与之相比，液态合金雾化法则凭借其工艺简单、成本低和生产规模大等优点已成为当前非晶粉末生产的主要方法。雾化法根据所用雾化介质可分为气雾化与水雾化，下面将分别介绍2种雾化法的原理以及技术发展状况。

　　气雾化法即采用惰性气体介质对合金熔体进行雾化急冷以形成非晶粉末，原理如图5所示。在高压气体冲击作用下，熔体表面能增加，进而破碎产生细小液滴，并最终凝固为粉末。由于采用惰性气体，虽然粉末氧含量较低，但成本较高且气体冷却能力有限，因此难以生产大量非晶态超细粉。

　　气雾化根据雾化器喷嘴的不同，可分为自由式雾化与限制式紧耦合雾化，如图6所示。此外，根据熔炼方法，可分为坩埚雾化与无坩埚雾化；根据装置类型，可分为真空雾化与非真空雾化。这几种分类的主要特点为：(1)相对于限制式雾化，自由式雾化容易控制，雾化粉末形貌更加规则，成本较低，但粉末粒度较粗；(2)坩埚熔炼对原料要求较低，可提高生产效率、降低生产成本，但在高温熔炼环境下会不可避免地引入杂质等夹杂物；(3)真空雾化生产时间长、成本高，但可以生产活性大、化学性质不稳定的合金粉末，并提高粉末纯度。

　　总结气雾化工艺发展历程见表1。自紧耦合气雾化技术问世以来，仍有许多新型气雾化工艺得到开发，但这些技术无法同时满足大规模生产、超快冷及非晶粉末收得率高等要求，故紧耦合气雾化技术仍然是目前应用最广泛且研究最集中的气雾化技术。

　　以水作为流体介质，合金熔体的水雾化同样适合生产非晶粉末，包括其他类型铁基粉末和铜基粉末。与气雾化法相比，其主要特点如下：

　　(2)水冷却能力强于气体介质，故水雾化冷却速度更快，一般为104~105K/s，实际生产最快可达106 K/s以上。水雾化所得粉末粒度较细，但因液滴冷却时间较短、球化不充分而导致球形度差于气雾化粉末。

　　(3)水雾化适合于制备软磁粉末。周晚珠等对比了2种雾化工艺生产的铁基非晶合金粉末的软磁特性，虽然2种粉末饱和磁化强度相差不大，但水雾化与气雾化粉末的矫顽力分别为0.61 kA/m和1.39 kA/m，表明了水雾化生产软磁粉末的优越性，即水雾化工艺冷却速度更快，能够获得性能更优秀的非晶粉末，且水雾化粉末比气雾化粉末更易于压制成型，产品性能更稳定。

　　水雾化根据介质喷射类型，当前有锥形喷嘴和V型喷嘴之分，如图7所示。锥形喷嘴形成圆锥状水流难以保证喷射均匀性，金属熔体易喷溅造成喷嘴堵塞，但其所得粉末球形度更高；V型喷嘴有铅笔式与水帘式2种，可通过调整喷射角与保护气氛来保证喷射均匀并减少粉末氧含量。

　　总结水雾化工艺发展历程见表2。随着增材制造技术的发展，水雾化凭借冷却能力强和生产成本低等独特优势获得了广泛应用，但粉末球形度差、成型能力不足与氧含量偏高等也是水雾化工艺亟待解决的问题。其中，采用气水进行混合雾化的旋转水雾化技术具有更快的冷却速率，粉末颗粒球形度也优于传统水雾化，有望推动非晶粉末雾化技术的进一步发展，但目前该技术工业应用与雾化机理研究较少。

　　目前，虽然合金熔体的雾化非晶化工艺应用广泛，但其在实际工业生产中的雾化过程还存在控制难度大、介质消耗量大且粉末性能与几何形态(球形度)不稳定等问题。鉴于此，探究雾化工艺下非晶粉末形成机理对于制造性能稳定的非晶粉末至关重要。

　　虽然水雾化与气雾化介质不同，但雾化本质上就是通过高动量流体的外力使熔体破碎为细小液滴，进而冷却凝固成形。因此，雾化过程均存在金属熔体不同程度的变形、破碎与聚合行为。Hinze J O认为，虽然雾化方式不同，但熔体方式按雾化介质能量由小到大顺序均可分为图8所示的滴状、带状与膜状3种类型。

　　水雾化工艺中，金属熔体在高压水流强烈冷却冲击下在雾化室破碎并直接冷却为金属粉末。据此，可将雾化室中的水雾化过程大致分为4个区域：稳定区、滞留区、雾化区及雾化完成区。熔体从导液管流入雾化室后，在一小段距离内只受到轻微扰动，近乎呈自由落体进入滞留区中并在流体压力场中开始上下起伏运动，此时熔体下落受到雾化水膜的阻碍。离开滞留区后，熔体受到高压水射流的撞击(射流与熔体垂直时)与剪切(射流与熔体夹角为锐角时)2种作用破碎而产生金属颗粒或小液滴。熔体进入雾化完成区后，金属液滴及粉末在高压射流作用下进一步发生粘合与，最终全部凝固为粉末。

　　Seki Y等研究了雾化参数对水雾化生产粉末粒径的影响，发现雾化水压增加，粉末粒径减小；抽吸压强负值增加，气体流入速率增加，粒径减小，粉末氧含量则随之增大。因此，抽吸压力负值更大的V型喷嘴雾化能力强于锥形喷嘴。Seki Y通过高速摄影发现，金属液流与水射流接触前先被流入气体破碎，这一过程与气雾化中的一次雾化类似。

　　式中：X用于判断雾化介质能量的高低；Q为熔体体积流量；ω为雾化室旋转角速度；DA为雾化室直径；σ为熔体表面张力；μs为熔体动力黏度；ρ为熔体密度。

　　当0X0.07时，雾化介质能量较小，发生液滴；当0.07X1.13时，雾化介质能量适中，发生带状；当X1.13。

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