美国研发难熔金属粉末雾化系统服务聚变能源材料开发

美国研究人员正在开发一套新型难熔金属粉末雾化系统，用于制备面向极端环境应用的高温合金粉末。该系统将支持燃气轮机、航空航天装备以及聚变能源系统等领域的新材料研发。

艾姆斯国家实验室 (Ames National Laboratory) 科学家乔丹·蒂亚克斯 (Jordan Tiarks) 表示，该实验室长期从事特种粉末制备研究，新系统将在此基础上把材料加工能力拓展至更高温度区间和更难处理的材料体系。

研究团队介绍，金属粉末是粉末冶金和增材制造等先进制造技术的重要基础，可用于精确制备复杂零部件和特种合金。对于部分高温合金而言，传统工艺难以满足研发所需的粉末质量和供应规模。新系统最高可在3400℃条件下加工材料，粉末生产速度可达每分钟1公斤，有助于为新材料开发、测试和放大提供足够样品。

目前，陆基和航空航天燃气轮机主要采用镍基或钴基高温合金。为在更高温度下保持效率，这类设备通常需要复杂冷却系统和成本较高的隔热涂层。研究人员希望开发可承受更严苛温度条件的新型合金，以提高性能并降低冷却需求。蒂亚克斯称，一些研发团队已经提出合金设计方案，但获取可用于测试的粉末材料往往需要等待较长时间。

美国能源部高级研究计划署 (ARPA-E) 认为，当前瓶颈不仅在于新型合金本身，也在于缺乏能够制备足量、高质量合金粉末的研发装备。艾姆斯国家实验室此前已在粉末冶金领域积累多年经验，因此承担了相关能力建设工作。

据介绍，新系统采用转移弧等离子体工艺，不需要特制电极，而是通过高能等离子体在雾化前局部熔化原料。原料可采用棒材、块材等不同物理形态，前提是材料成分保持稳定。熔化过程在水冷铜炉内进行，熔融材料外层会在铜炉壁上凝固，形成被称为“炉壳”的薄层固体保护结构，用于隔离超高温熔融材料与冷却铜壁。

该工艺每次只熔化少量材料。蒂亚克斯表示，局部熔化一方面可降低安全风险，避免大量超高温金属同时处于熔融状态;另一方面可缩短材料处于高温环境的时间，有利于保持纯度并控制材料反应活性。

这台难熔金属粉末雾化器将补充艾姆斯国家实验室现有雾化设备体系，重点面向加工温度更高的金属和合金。对于可在较低温度下处理的常规合金，该实验室现有感应雾化器和近耦合雾化器仍具有更高效率，其最佳粒径范围收率可达50%至60%;相比之下，难熔金属粉末雾化器在高温合金粉末制备中的典型收率约为10%至20%。