CN101875032B - 带有外加磁场的沉积坯喷射成形装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属坯加工领域，尤其涉及一种沉积坯喷射成形装置。一种带有外加磁场的沉积坯喷射成形装置，包括坩锅(1)、雾化器(2)、充电电极(3)和沉积器(4)，坩锅(1)和雾化器(2)之间由导流管连通，沉积器(4)位于雾化器喷嘴出口的下方，雾化器喷嘴和沉积器(4)之间为雾化颗粒飞行区(5)，充电电极(3)位于金属液(6)分离成雾化颗粒(8)的破碎点，所述的雾化颗粒飞行区(5)周围装有磁场发生装置(9)，且磁场发生装置位于充电电极下方。本发明通过外加的磁场，改变雾化颗粒的飞行轨迹，使飞行区的锥形扩张角缩小，大大提高金属液收得率，还可以通过改变磁场的方向和大小，提高沉积坯件的成形的质量，节约沉积坯件制造成本，提高了经济效益。
Description
技术领域
本发明属于金属坯加工领域，尤其涉及一种沉积坯喷射成形装置。
背景技术
喷射成形是在快速凝固粉末冶金工艺基础上发展起来的一种先进的材料制备技术。喷射成形技术的突出优点在于将金属熔体的雾化与沉积成形合二为一，可直接由液态金属制取大尺寸、具有快速凝固特点的最终形锭坯，克服了粉末冶金技术工艺繁多、氧化严重的问题，使得喷射沉积材料能够拥有比粉末冶金材料更高的综合力学性能。图1给出了喷射成形的原理简图，它是用雾化器2内高压惰性气体7将从其上部坩埚1经过导流管流出的高温钢液6雾化成细小的熔滴，熔滴在高速气流的作用下飞行并被逐渐冷却，在这些熔滴尚未完全凝固前将其沉积到具有一定形状的沉积器4上，通过改变熔滴射流与沉积器的相对位置和沉积器4的运动形式，可以得到盘(柱)、管(环)、板(带)等不同形状的半成品沉积坯件11。
将钢液颗粒作为沉积单元进行金属零件成形时，需要在喷嘴下方放置一个沉积平台作为基底，钢液颗粒逐渐沉积到基底上形成零件。由于雾化喷嘴产生的是连续的锥形钢液颗粒束流，液滴生成频率较高，只靠基底的运动并不能保证只在所需要的位置沉积液滴，很难实现零件的复杂和精密成形，而且雾化钢液的收得率也不高，这限制了喷射成形技术的进一步发展和应用。
现有的喷射成形装置还有一个缺陷在于，在射流离开喷射口之后，由于射流边界与周围环境存在较大的速度梯度，在射流边界处产生强烈的卷吸运动。外界介质迅速进入到射流内，射流径向速度衰减加速；在轴向，由于卷吸入的介质与射流介质内发生动量交换，导致射流速度迅速降低，射流扩张角增大。由于射流扩张角度增大，钢液颗粒呈现锥形状向四周散开飞行，而沉积器的面积有限，因此部分钢液颗粒不能沉积在沉积器上(单喷嘴情况下钢液的收得率一般在45％-65％左右)，如图1所示。
虽然也有一些技术可以控制液滴的飞行轨迹，比如论文《均匀液滴飞行轨迹控制技术》(哈尔滨工业大学硕士学位论文《金属均匀液滴喷射飞行轨迹控制技术的研究》，2004.12：2～5)中利用静电场对带电金属液滴进行偏转可以精确地控制液滴的飞行轨迹，根据零件的CAD数据，将所需要的金属液滴沉积到指定位置；在液滴从金属射流上分离出来的破碎点处放置一个充电电极，当液滴从充电电极中间穿过时，由于液流和电极之间存在电势差，在液流和电极之间就形成了静电场，当液滴从液流中断裂下来时，由于静电感应，液滴带上与充电电极极性相反的电荷。在充电电极的下方放置一对偏转电极板，形成偏转静电场，当带电金属液滴飞经偏转电场时，在静电力的作用下，获得横向的初始位移和初始速度，当金属液滴飞离偏转电场时，由于具有横向初速度，金属液滴就会以一定的轨迹运动，最后落在基底上，液滴所带电荷量与偏转电场的强度及液滴的飞行时间决定了液滴偏转距离的大小。对金属液滴充电偏转的方法与喷墨打印所用的技术及CRT显示器上的电子枪工作原理相似。这种技术的缺点在于，静电场对粒子施加的是方向一致、大小均匀的电场力，所以只能让整个射流区域整体偏转，无法缩小雾化颗粒飞行区的锥形扩张角和最终的散布半径。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种带有外加磁场的沉积坯喷射成形装置，以解决现有技术中雾化颗粒飞行区的锥形扩张角大造成雾化金属液收得率低的缺陷。
一种带有外加磁场的沉积坯喷射成形装置，包括坩锅、雾化器、充电电极和沉积器，坩锅和雾化器之间由导流管连通，沉积器位于雾化器喷嘴出口的下方，雾化器喷嘴和沉积器之间为雾化颗粒飞行区，金属液装在坩锅中，雾化器内为高压惰性气体，所述的惰性气体为氮气或氦气，所述的充电电极位于所述的金属液分离成雾化颗粒的破碎 点，所述的雾化颗粒飞行区周围装有磁场发生装置，且磁场发生装置位于充电电极下方。
所述的磁场发生装置产生的磁场以雾化颗粒飞行区轴线所在的平面分界，两边的电磁场方向相反。
所述的磁场发生装置为两个通电的电磁线圈，两个电磁线圈对称布置在雾化颗粒飞行区的两边，两个电磁线圈的轴线构成的平面和雾化颗粒飞行区的轴线相垂直。
所述的磁场发生装置为永磁体，其产生的磁场为环形磁场，磁场的轴心和雾化颗粒飞行区的轴心相同。
所述的雾化器通入的惰性气体压力为0.4MPa，在距离雾化器喷嘴出口下方80mm～120mm处开始施加磁场，施加磁场的区域在Y轴方向的长度为150mm～250mm，雾化器喷嘴出口中心轴线处的磁场强度为0T，磁场强度沿X轴坐标绝对值的增大呈线性增加，在磁场边界处达到最大2.0T～3.0T。
本发明在已有喷射成形工艺设备的基础上，在雾化颗粒飞行区施加一定的外加磁场，改变雾化颗粒的飞行轨迹，使飞行区的锥形扩张角缩小，从而大大提高金属液收得率，还可以通过改变磁场的方向和大小，灵活地控制雾化颗粒的飞行轨迹，便于制造形状更为复杂的沉积坯件，提高沉积坯件的成形的质量，节约沉积坯件制造成本，提高了经济效益。
图1为现有的带有外加磁场的沉积坯喷射成形装置的结构示意图；
附图说明
图2为本发明带有外加磁场的沉积坯喷射成形装置的结构示意图；
图3为实施例1的A-A磁力线剖面图；
图4为图3的金属颗粒在磁场中的受力示意图；
图5为实施例2的A-A磁力线剖面图；
图6为未施加磁场的钢液颗粒运动轨迹示意图；
图7为施加磁场后的钢液颗粒运动轨迹示意图。
图中：1-坩锅、2-雾化器、3-充电电极、4-沉积器、5-雾化颗粒飞行区、6-金属液、7-惰性气体、8-雾化颗粒、9-磁场发生装置、10-磁力线、11-沉积坯件、水平轴线为X轴，雾化颗粒飞行区的轴线为Y轴。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
如图2所示，一种带有外加磁场的沉积坯喷射成形装置，包括坩锅1、雾化器2、充电电极3和沉积器4，坩锅1和雾化器2之间由导流管连通，沉积器4位于雾化器喷嘴出口的下方，雾化器喷嘴和沉积器之间为雾化颗粒飞行区5，金属液6装在坩锅1中，雾化器2内为高压氮气7，所述的充电电极3位于所述的金属液6分离成雾化颗粒8的破碎点，所述的雾化颗粒飞行区5周围装有磁场发生装置9，且磁场发生装置位于充电电极下方。所述的磁场发生装置9为两个对称布置在雾化颗粒飞行区5两侧的通电的电磁线圈，两个电磁线圈的轴线构成的平面和雾化颗粒飞行区5的轴线相垂直，其产生的磁场以雾化颗粒飞行区5轴线所在的平面为分界，两边的电磁场方向相反，所述的雾化器2通入的氮气压力为0.4MPa，在距离雾化器喷嘴出口下方80mm～120mm处开始施加磁场，施加磁场的区域在Y轴方向的长度为150mm～250mm，雾化器喷嘴出口中心轴线处的磁场强度为0T，磁场强度沿X轴坐标绝对值的增大呈线性增加，在磁场边界处达到最大2.0T～3.0T。
如图3和图4所示，以雾化颗粒飞行区5轴线为分界线，雾化颗粒飞行区5横截面的左半圆区域施加垂直纸面向内的磁场，右半圆区域施加垂直纸面向外的磁场。在锥形的雾化颗粒飞行区5轴线两边，磁力线10的方向相反，锥形区域的雾化颗粒8受到的磁力方向也相反，均指向锥形区域中心轴线，因此雾化颗粒8的飞行轨迹逐渐向锥形中 心轴线靠近，有利于减小雾化锥形区域的扩张角，提高金属液6的收得率。
当金属液为钢液时，根据钢液雾化颗粒沉积试验得到，当雾化喷嘴出口直径为8mm，共有22个孔，通入氮气，压力为0.4MPa，在距离雾化颗粒飞行区下方80mm处开始施加磁场，施加磁场的区域在Y轴方向的长度为250mm。雾化颗粒飞行区中心轴线处的磁场强度为0T，磁场强度沿X轴坐标绝对值的增大呈线性增加，在磁场边界处达到最大3.0T。钢液雾化颗粒受到磁场力后向雾化颗粒飞行区中心轴线偏移，钢液雾化颗粒到达沉积器时形成的区域中L的长度为20mm。
雾化喷嘴出口直径为8mm，共有22个孔，通入氮气，压力为0.4MPa，在距离雾化颗粒飞行区下方100mm处开始施加磁场，施加磁场的区域在Y轴方向的长度为200mm。雾化颗粒飞行区中心轴线处的磁场强度为0T，磁场强度沿X轴坐标绝对值的增大呈线性增加，在磁场边界处达到最大2.0T。钢液雾化颗粒受到磁场力后向雾化颗粒飞行区中心轴线偏移，钢液雾化颗粒到达沉积器时形成的区域中L的长度为25mm。
雾化喷嘴出口直径为8mm，共有22个孔，通入氮气，压力为0.5MPa，在距离雾化颗粒飞行区下方120mm处开始施加磁场，施加磁场的区域在Y轴方向的长度为150mm。雾化颗粒飞行区中心轴线处的磁场强度为0T，磁场强度沿X轴坐标绝对值的增大呈线性增加，在磁场边界处达到最大2.0T。钢液雾化颗粒受到磁场力后向雾化颗粒飞行区中心轴线偏移，钢液雾化颗粒到达沉积器时形成的区域中L的长度为30mm。
实施例2
一种带有外加磁场的沉积坯喷射成形装置，包括坩锅1、雾化器2、充电电极3和沉积器4，坩锅1和雾化器2之间由导流管连通，沉积器4位于雾化器喷嘴出口的下方，雾化器喷嘴和沉积器4之间为雾化颗粒飞行区5，金属液6装在坩锅1中，雾化器2内为高压氦气7，所述的充电电极3位于所述的金属液6分离成雾化颗粒8的破碎点，所述的雾化颗粒飞行区5外加有环形磁场，磁场的轴心和雾化颗粒飞行区的轴心相同，参见图5。当充电电极3为正电极时，雾化颗粒8带负电荷，设置环形磁场的方向从A-A俯视图上看成顺时针方向；当充电电极3 为负电极时，雾化颗粒8带正电荷，设置环形磁场的方向从A-A俯视图上看成逆时针方向，图5所示的环形磁场方向为逆时针方向；这样所有的雾化颗粒8都受到向心的电磁力的所用，缩小了飞行的散布半径。
为验证在雾化颗粒运行区间施加磁场后的效果，采用FLUENT软件对施加磁场前和施加磁场后雾化颗粒运行轨迹进行了计算，结果如图6和图7所示。在没有施加磁场时，雾化颗粒的飞行轨迹呈锥形状扩散；在施加磁场后，雾化颗粒在飞行区域的后半段呈收缩状，这有利于提高雾化颗粒的收得率，同时也能有效控制雾化颗粒的沉积位置。
同样，对于复杂的成形坯件，通过改变磁场的方向和大小，对雾化颗粒进行偏转，精确控制雾化颗粒的飞行轨迹，根据坯件的CAD数据，将所需要的雾化颗粒沉积到指定位置，有效减小了沉积坯件11内部的显微疏松，提高了沉积坯件11的致密度，使产品的质量大大增强。
Claims (5)
1.一种带有外加磁场的沉积坯喷射成形装置，包括坩锅(1)、雾化器(2)、充电电极(3)和沉积器(4)，坩锅(1)和雾化器(2)之间由导流管连通，沉积器(4)位于雾化器喷嘴出口的下方，雾化器喷嘴和沉积器(4)之间为雾化颗粒飞行区(5)，金属液(6)装在坩锅(1)中，雾化器(2)内为惰性气体(7)，所述的惰性气体(7)为氮气或氦气，所述的充电电极(3)位于所述的金属液(6)分离成雾化颗粒(8)的破碎点，其特征是：所述的雾化颗粒飞行区(5)周围装有磁场发生装置(9)，且磁场发生装置位于充电电极下方。
2.如权利要求1所述的带有外加磁场的沉积坯喷射成形装置，其特征是：所述的磁场发生装置(9)产生的磁场以雾化颗粒飞行区(5)轴线所在的平面分界，两边的电磁场方向相反。
3.如权利要求2所述的带有外加磁场的沉积坯喷射成形装置，其特征是：所述的磁场发生装置(9)为两个通电的电磁线圈，两个电磁线圈对称布置在雾化颗粒飞行区(5)的两边，两个电磁线圈的轴线构成的平面和雾化颗粒飞行区(5)的轴线相垂直。
4.如权利要求1所述的带有外加磁场的沉积坯喷射成形装置，其特征是：所述的磁场发生装置(9)为永磁体，其产生的磁场为环形磁场，磁场的轴心和雾化颗粒飞行区(5)的轴心相同。
5.如权利要求1~4中任意一权利要求所述的带有外加磁场的沉积坯喷射成形装置，其特征是：所述的雾化器(2)通入的惰性气体压力为0.4MPa，在距离雾化器喷嘴出口下方80mm～120mm处开始施加磁场，施加磁场的区域在Y轴方向的长度为150mm～250mm，雾化器喷嘴出口中心轴线处的磁场强度为0T，磁场强度沿X轴坐标绝对值的增大呈线性增加，在磁场边界处达到最大2.0T～3.0T，水平轴线为X轴，雾化颗粒飞行区的轴线为Y轴。
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