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金属空心微球具有轻质、吸波等特性,在工业生产的各个领域有着极大的应用潜力。本文根据液体雾化和气泡动力学理论,采用急冷雾化法,实现了对掺气熔体的雾化和快凝处理,通过液固相变直接获得了金属空心微球,分析了金属熔滴中气液两相的动态分离过程,求解了空心熔滴在凝固过程中的温度场及其冷却曲线,并对急冷熔体空心微球化机制进行了系统研究,结果表明: 金属在加热熔化过程中有微小气穴生成,随后熔体在气体压力作用下克服表面张力喷射出来。射流形成瞬间,气压骤降,微小气穴迅速长大形成小气泡,弥散于金属液所形成的射流中。随后,Cu辊高速旋转所产生的扰动作用使射流失稳,雾化分裂成熔滴群。在金属液表面张力和粘性力以及外界压力的共同作用下,若干小气泡被包覆于熔滴内部形成闭孔结构。在熔滴的快速凝固过程中,微孔不断长大和聚集,以气泡形式包覆于熔滴之中。在温度梯度所驱动的marangoni对流运动作用下,气泡向熔滴中心迁移、凝并和长大,最终形成金属空心微球结构。 计算所得Ni-8wt%Pb、Ni-3wt%Mg和Ni-8wt%Pb-3wt%Mg三种合金成分空心熔滴的温度场及冷却曲线稍有差别,但具有相同的变化规律。空心熔滴从产生到完全凝固所持续的时间主要集中在前16~18μs,而当t=75~100μs时,空心微球粒子即已冷却至室温。随着空心微球直径的增大,冷却速率呈指数函数关系不断减小。 随着辊速的增大,Ni-Pb合金系成球率先增大后减小;Ni-3wt%Mg合金成球率持续增大;Ni-8wt%Pb-3wt%Mg合金中由于铅含量大于镁含量,其成球率曲线总的变化趋势遗传了Ni-8wt%Pb合金成球率曲线特性,但Mg的加入对其有所影响,使其总体成球率增大了。 Ni-Pb合金随着粒径的减小,组织趋于细化。Ni-3wt%Mg合金球壳凝固组织细小,晶体形态以等轴晶为特征,晶粒尺寸在1~3μm范围内,未发现明显的宏观偏析,但局部出现了微弱偏聚及相分离现象。Ni-8wt%Pb-3wt%Mg合金球壳凝固组织中,L2(Pb)相优先占据表层,α-(Ni)相和(Mg)相依附其而形核。