Facile and cost-effective droplet cooling and solidification model for gas atomization: Influence of atomizing gas composition on droplet non-equilibrium solidification behavior
石雅贤，黎兴刚*，葛昌纯*
Keywords: Gas atomization; Nonequilibrium solidification; Modified scheil-gulliver model; Computational fluid dynamics (CFD)
DOI: 10.1016/j.partic.2026.02.010
现有模型对复杂组分熔滴在极高冷却速率下的非平衡凝固行为预测仍具有局限性。本文以高钒钢气雾化过程为研究对象，建立了耦合计算流体力学（CFD）与热力学相图计算的液滴冷却凝固模型，并利用改进的Scheil-Gulliver方案实现了熔滴飞行过程中固相分数演变的全过程动态追踪。研究结果表明，该模型获取的冷却速率与粒径分布规律与文献及实验结果高度契合，有效验证了模型的可靠性。通过深入剖析雾化介质（氮气与氩气）热物理性质对传热贡献的影响，本文量化了不同气体成分下的冷却效能差异，并建立了冷却速率与凝固距离的定量预测模型，为气雾化工艺参数的精确优化及粉末组织调控提供了重要的理论依据。
相关研究成果发表于PARTICUOLOGY（Volume 111），欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！
亮点
1. 方法上，提出了一种兼顾准确性与计算效率的液滴冷却-凝固建模思路，为复杂多元合金雾化过程提供了可推广的分析框架。
2. 机理方面，定量区分了“动能主导破碎”和“传热主导凝固”两类效应，解释了为什么Ar和N2会分别对应更细粒径与更优组织。
3. 应用方面，建立了冷却速率、凝固距离与液滴粒径之间的定量关系，可为制粉工艺参数设计和雾化气体选择提供直接参考。
研究背景
气体雾化是增材制造和粉末冶金领域最常用的制粉方法之一，粉末的粒度分布、表面形貌和内部组织会直接影响后续成形质量与服役性能。对于高钒钢这类高合金体系，液滴在超快冷却条件下会出现明显的非平衡凝固效应，传统模型往往难以同时兼顾热力学精度与工程计算效率。因此，建立一个既能反映液滴飞行冷却历史、又能定量预测凝固行为的模型，对理解雾化机理和优化工艺参数具有重要意义。
要点精读
1. 方法框架：将CFD计算得到的液滴温度演化与修正Scheil-Gulliver模型建立的温度-液相分数关系进行耦合。相比简单线性固液转变假设，该方法能够更准确地描述液滴冷却与凝固分数演化。
图1.（a）高钒钢的温度-相图；（b）液相分数随温度的变化情况
2. 揭示Ar与N2的分工机制：在相同雾化压力下，Ar的气体动能更高，对液滴二次破碎更有利，因此更容易得到更细的粉末；N2的换热效率更强，使液滴冷却更快、凝固更早完成，从而形成更细晶、表面更平滑的粉末。
图2. 气体动能场
（a）氮气；（b）氩气；（c）沿轴向距离的分布情况
图3. 相对传热系数（heff）
（a）氮气；（b）氩气；（c）沿轴向距离的分布情况
3. 模型与实验相互印证：通过粉末粒度分布、SEM/EBSD微观组织以及二次枝晶臂间距（SDAS）估算冷却速率，对模型结果进行了验证，证明该模型能够较好地预测不同气体条件下的冷却速率与凝固距离。
图4.（a）不同雾化介质下液滴凝固过程中平均冷却速率与液滴直径之间的关系；
（b）不同雾化介质中液滴飞行距离与液滴直径之间的关系
主要结论与展望
研究表明，雾化气体不仅影响液滴破碎行为，也深刻改变飞行过程中的冷却和非平衡凝固路径。若目标是提高细粉收得率、获得更小粒径，可优先考虑Ar；若目标是提升冷却速率、细化组织并改善粉末表面形貌，则N2更具优势。未来，该模型还可拓展至更多多元合金体系，并与原位表征、多尺度模拟及机器学习优化相结合，为粉末制备的智能化设计提供支持。
通讯作者简介
葛昌纯，中国科学院院士、世界陶瓷科学院院士，北京科技大学教授、博士生导师，我国著名粉末冶金、先进陶瓷与核材料专家。长期从事粉末冶金、先进陶瓷、核材料及相关新材料研究，在浓缩铀关键分离膜、特种陶瓷及材料学科建设等方面作出系统性、开创性贡献，是我国相关领域的重要奠基者和推动者之一。作为首席科学家或项目负责人，主持国家“863计划”项目、国家自然科学基金重点项目、国防军工重大专项等国家级科研项目20余项。获国家技术发明奖一等奖、国家科技进步奖二等奖、省部级科技奖励10余项，并荣获“何梁何利基金科学与技术进步奖”、“冶金科技终身成就奖”、“核工业功勋奖章”等荣誉称号。
黎兴刚，华北电力大学卓越工程师学院/先进材料研究院教授，博士生导师，研究工作主要围绕金属雾化制粉技术、金属增材制造（3D打印）及多相流传热传质过程仿真模拟等。发表学术论文90余篇，出版专著1部、著作章节3章，授权发明专利10余项。承担国家自然科学基金面上项目（×2）、国防科工局进口替代项目、科技部科技创新领军人才计划、德国科学基金（DFG）、北京市科委项目、深圳市科创局项目等10余项。开发了国内首台耦合压力-气体雾化制粉装备及相关技术，大幅提高了特定粒度区间的粉体收得率，极大地降低了3D打印用粉体的制造成本。入选北京市科技新星计划、深圳市海外高层次人才孔雀计划。
供稿：原文作者
排版：《颗粒学报》编辑部
文章信息
Shi, Y., Li, X., & Ge, C. (2026). Facile and cost-effective droplet cooling and solidification model for gas atomization: Influence of atomizing gas composition on droplet non-equilibrium solidification behavior. Particuology, 111, 120-135. https://doi.org/10.1016/j.partic.2026.02.010