CN102581291A - 一种用于金属气体雾化的环缝型超音速喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种用于金属气体雾化的环缝型超音速喷嘴，它包含连接外部气瓶的进气管(4)，进气管与喷嘴环形气腔(1)相连，喷嘴中心有一中心孔(2)，气腔下方内外腔壁形成环缝结构的超音速气体喷管(3)，它包含有稳定段、收缩段、喉部和扩散段，缝体剖面由呈对称的曲线构成。整个喷管的型面是由ABCD曲线以中心孔(2)轴线为对称轴形成的缝体剖面，该剖面绕中心孔(2)轴线旋转360°所得到的一个曲面。在气体喷管(3)的通过喷嘴中心孔轴线的剖面中，缝形通道的中心线的延长线与喷嘴中心孔轴线形成夹角α为0°～60°且≠0°。该超音速气雾化喷嘴的优点是，气流均匀一致，紊流度小，流场中不存在激波。

Description

一种用于金属气体雾化的环缝型超音速喷嘴

技术领域

本发明涉及快速凝固气体雾化金属熔体制备微细粉末的喷嘴，特别是包括一种特殊气流型线的超音速环缝型气体雾化喷嘴。

背景技术

在制备金属粉末行业中，气体雾化技术成为生产高性能金属粉末的主要方法之一。由于其具有高的冷却速度(10⁴℃/s～10⁶℃/s)和过冷度，因此通过气雾化制备超细球形金属粉体具有很多引人注目的特性，例如，可以有效地减少合金成分的偏析，获得微观组织细小、成分均匀的合金粉末。此外，通过控制冷凝速率可以获得具有非晶、准晶、微晶或过饱和固溶体等非平衡组织的粉末。广泛应用于合成金刚石用金属粉末触媒、微电子焊接、金属基复合材料、磁性材料、注射成型等高技术领域。

气雾化的基本原理是用喷嘴产生的高速、高压气流将金属熔体粉碎成细小的熔滴，随后经过球化、冷却和凝固成为金属粉末的过程。雾化气流常采用互成角度的射流方式来雾化金属液流，雾化喷嘴典型的结构有自由降落式和紧耦合式两种。自由降落式喷嘴雾化制粉时，金属熔体自导流嘴流出，要经过一段距离才能与气体射流发生作用。而紧耦合式喷嘴是熔体从导流嘴流出很短距离即开始雾化。因此紧耦合式喷嘴的能量利用率高，并能产生相对稳定的液流，粉末的粒度较细。

为了预测雾化后形成粉体粒径，一些研究者在大量实验的基础上得到了一些经验公式，其中Lubanska公式(载于Journal of Metals，1970，45页)被认为是最准确和适用范围最广的。Lubanska公式如下，

$d_m=d_{0}k{\left[\frac{v_m}{v_g\mathrm{We}}(1+\frac{M}{A})\right]}^{\frac{1}{2}}$

式中，

表示韦伯数，ρ_m表示液态金属的密度，σ_m表示表面张力，Δv表示液态金属和气流之间的相对速度，d₀表示金属液流的直径；d_m表示粉体的平均粒径，k是由特定喷嘴决定的经验常数，v_m和v_g分别代表金属熔体和雾化气流的粘度，M和A分别表示金属和雾化气体的质量流量。由Lubanska公式可以看出在所雾化熔体的物理性能为定值的条件下，

因此，雾化气流的速度对所得粉末的粒径起到决定性作用，提高气体速度(高的韦伯数)可减小金属粉末的平均粒径d_m。

为了得到高速气流，雾化气流的型线必须是先收缩后扩张，否则即使上下游压强差再大也不可能在喷嘴出口处产生超音速气流。那些以为把气流管截面尽量缩小就可以得到超音速气流了，结果是失败的。美国的J.Ting等发明的超音速雾化喷嘴(US Patent N.6142382)，利用收缩-扩张型(Laval)喷管得到了超音速气流，见图3。中国的陈新国利用同样的方法发明了一种高压气体雾化喷嘴(CN 2714160Y)，见图4。但是这两种喷嘴的喷管大都采用了简单加工工艺的结构，气流喷管的收缩段和喉部大多为直线型型线，即收缩段为圆锥形。I.E.Anderson等指出此类型喷嘴的腔体内产生的气流很不稳定(Materialsscience and engineering A，326(2002)101-109)。由空气动力学分析可以知道，这种结构产生的气流到达喉部并非均匀一致，紊流度大，流场中存在激波，导致气体的能量损失。而根据超音速喷管的设计要求，到达喉部的音速流必须是均匀的。

发明内容

本发明的目的在于根据现有技术中存在的问题对其进行改进，以便能得到一种气流均匀一致，紊流度小，流场中不存在激波的超音速气雾化喷嘴。满足快速凝固金属气雾化的技术要求，制备的金属粉末达到粒度小，粒径分布窄的目的。

为达到上述目的，本发明提出的技术方案为：

一种用于金属气体雾化的环缝型超音速喷嘴，它包含连接外部气瓶的进气管，进气管与喷嘴的环形气腔相连，该喷嘴中心有一上下贯通的中心孔，中心孔的上口为进口，中心孔的下口为出口，环形气腔的下方连接环缝形状的气体喷管，气体喷管的通过喷嘴中心孔轴线的剖面是以喷嘴中心孔轴线为中心线对称形成两条缝形通道，每条缝形通道从气体喷管的进口到气体喷管的出口均朝向喷嘴中心孔轴线倾斜，并由双条AB曲线、双条BC曲线和双条CD曲线组成，其中AB曲线是直线，BC曲线是圆滑的渐缩的曲线，CD曲线是圆滑的渐扩的曲线，并到气体喷管的出口处形成直线，所述的环缝形状的气体喷管的缝体是围绕喷嘴中心孔轴线旋转360°所得到的一个由上到下朝内倾斜的曲面，该曲面的出口是围绕着中心孔的出口的环缝形状，该曲面是由AB曲线所在的稳定段、BC曲线所在的收缩段、C处的喉部和CD曲线所在的扩散段所组成。

在本发明的用于金属气体雾化的环缝型超音速喷嘴装置中，在所述的气体喷管的通过喷嘴中心孔轴线的剖面中，两条缝形通道的中心线的延长线分别与喷嘴中心孔轴线形成夹角α，角α均为0°～60°且≠0°。

在本发明的用于金属气体雾化的环缝型超音速喷嘴装置中，在所述的气体喷管的通过喷嘴中心孔轴线的剖面中，所述的(AB)曲线所在的稳定段的轴向长度L₁与稳定段的宽度a之比为1∶1～1∶4。L₁与a之比优选为1∶1～1∶2。

在本发明的用于金属气体雾化的环缝型超音速喷嘴装置中，在所述的气体喷管的通过喷嘴中心孔轴线的剖面中，所述的BC曲线所在的收缩段的轴向长度L₂与收缩段的最宽的宽度b之比为：1∶5～2∶1。L₂与b之比优选为：1∶2～1∶1。

在本发明的用于金属气体雾化的环缝型超音速喷嘴装置中，所述的稳定段的宽度a与喷管喉部C点的宽度c之比为：1∶1～10∶1，a与c之比优选为4∶1～5∶1。

在本发明的用于金属气体雾化的环缝型超音速喷嘴装置中，所述的CD曲线所在的扩散段，其在气体喷管的出口处宽度d与C点的宽度c之比为1∶1～4∶1。

本发明与已有技术相比具有如下优点：

①增加了稳定段，使气流速度分布均匀，导直气流方向，使各点气流方向均平行于缝体中心线方向，减少气流的紊流度；

②收缩段改为平滑的曲线设计，可以使稳定段来的气流均匀加速至音速；

③整个喷管型线的设计，减少产生普朗特-迈耶波或者各种激波的机率，降低能量损失和紊流度；

④节约材料，降低成本。按照这种设计，气雾化喷嘴的气腔中压强较小，耗气量减小，并且喷管出口的马赫数可以控制，进而可以控制快速凝固气雾化过程中粉体的粒度分布。满足在气雾化过程中的性能要求，可以获得高的细粉出粉率，粒度分布范围较窄。

附图说明

图1为本发明的环缝型气雾化喷嘴示意图。

图1中：1为环形气腔，2为中心孔，3为环缝结构的气体喷管，4为进气管。

图2为本发明气体喷管剖面结构示意图。

图2中：AB为稳定段，BC为收缩段，C为喉部，CD为扩散段。

图3为美国专利US 6142382金属气雾化喷嘴示意图。

图3中：5为喷嘴，6为导流嘴，7为喷管收缩段，8为喷管扩散段，9为喷管喉部。

图4为中国专利CN 2714160Y高压气雾化喷嘴示意图。

图4中：10为喷嘴，11为喷管收缩段，12为喷管喉部，13为喷管扩散段。

图5为实施例1中FeNi30粉体的粒度分布曲线。

图6为实施例1中FeNi30粉体的SEM照片。

图7为实施例2中17-4PH粉体的SEM照片。

图8为实施例3中CuSn20粉体的SEM照片。

具体实施方式

如图1所示，图1是喷嘴的通过喷嘴中心孔轴线的剖面图。本发明的用于金属气体雾化的环缝型超音速喷嘴，它包含连接外部气瓶的进气管4，进气管4与喷嘴环形气腔1相连，喷嘴中心有一中心孔2，中心孔2的上口为进口，中心孔2的下口为出口。环形气腔下方内外腔壁形成环缝结构的超音速气体喷管3，它包含有稳定段、收缩段、喉部和扩散段。气体喷管3的结构如缝体形状，气体喷管3剖面结构如图2所示，图2为本发明气体喷管的通过喷嘴中心孔轴线的剖面结构示意图。气体喷管3剖面结构由喷嘴中心孔轴线为对称轴的呈对称结构的封闭曲线构成。气体喷管3的通过喷嘴中心孔轴线的剖面是以喷嘴中心孔轴线为中心线对称形成两条缝形通道，每条缝形通道从气体喷管3的进口到气体喷管3的出口均朝向喷嘴中心孔轴线倾斜，并由双条AB曲线、双条BC曲线和双条CD曲线组成，其中AB曲线是直线，BC曲线是圆滑的渐缩的曲线，CD曲线是圆滑的渐扩的曲线，并到气体喷管3的出口处形成直线，所述的环缝形状的气体喷管3的缝体是围绕喷嘴中心孔轴线旋转360°所得到的一个由上到下朝内倾斜的曲面，该曲面的出口是围绕着中心孔2的出口的环缝形状，该曲面是由AB曲线所在的稳定段、BC曲线所在的收缩段、C处的喉部和CD曲线所在的扩散段所组成。在所述的气体喷管3的通过喷嘴中心孔轴线的剖面中，两条缝形通道的中心线的延长线分别与喷嘴中心孔轴线形成夹角α，角α均为0°～60°且≠0°。

使用时，合金熔体流入中心孔2(即导流嘴)中，雾化气体从外部气瓶中通过进气管4经环形气腔1进入气体喷管3中，在气体喷管3中通过稳定段、收缩段、喉部和扩散段后，从气体喷管3喷出，使从中心孔2(即导流嘴)中流出合金熔体雾化成金属粉体。

如图2所示，气体喷管3的稳定段的曲线AB是一平行于缝形通道中心线的直线。稳定段缝宽为a，轴向长度为L₁，L₁与a之比为1∶1～1∶4，最佳值为1∶1～1∶2。

如图2所示，气体喷管3的收缩段为BC所示的曲线沿缝形通道中心线径向形成的曲面。B点缝宽为a，C点缝宽为c。收缩段的轴向长度为L₂，L₂与b之比为：1∶5～2∶1，最佳值为1∶2～1∶1。

如图2所示，喷管喉部为C点，其中a与c之比为1∶1～10∶1，最佳值为4∶1～5∶1。

如图2所示，扩散段的CD段型线是由直线加一段曲线组成，其直线段倾斜角是由设计马赫数M决定。其中直线倾斜角的范围是0°～60°且≠0°，D点缝宽d与c之比为1∶1～4∶1。

如图3所示，图3为美国专利US 6142382金属气雾化喷嘴示意图。在图3中，喷嘴5具有导流嘴6，喷管是由直线型型线的喷管收缩段7、喷管喉部9、喷管扩散段8组成。该金属气雾化喷嘴利用收缩-扩张型(Laval)喷管得到了超音速气流。

如图4所示，图4为中国专利CN 2714160Y高压气雾化喷嘴示意图。在图4中，该喷嘴10是由由直线型型线的喷管收缩段11、喷管喉部12、喷管扩散段13组成。

上述的美国专利US 6142382金属气雾化喷嘴和中国专利CN 2714160Y高压气雾化喷嘴的喷管大都采用了简单加工工艺的结构，气流喷管的收缩段和喉部大多为直线型型线，即收缩段为圆锥形。I.E.Anderson等指出此类型喷嘴的腔体内产生的气流很不稳定(Materials science and engineering A，326(2002)101-109)。由空气动力学分析可以知道，这种结构产生的气流到达喉部并非均匀一致，紊流度大，流场中存在激波，导致气体的能量损失。而根据超音速喷管的设计要求，到达喉部的音速流必须是均匀的。

本发明的的气雾化喷管克服了前面所述的缺点，采用了平滑曲线代替了直线型面，使气流到达喉部时，得到了均匀一致，紊流度小，流场中不存在激波的气体。

实施例1：

本实施例中，FeNi30合金熔体以1650℃的温度从导流嘴中流出。气体喷管的喉部缝宽c与出口处缝宽d之比为1∶1.7，稳定段L₁与a之比为1∶1，稳定段a与喉部c之比为5∶1，收缩段长度L₂与b之比为1∶2，角α为15°。雾化气体为氮气，雾化压力为4.0MPa，雾化室内压力为0.1MPa。金属粉体的粒度分布曲线如图5所示，金属粉体的SEM照片如图6所示。做出的粉末所达到的平均颗粒直径为27.1μm，10wt％小于11.2μm，90wt％小于60.6μm。

实施例2：

材料为17-4PH不锈钢熔体以1600℃的温度从导流嘴喷出，导流嘴内径为4.0mm。气体喷管的喉部缝宽c与出口处缝宽d之比为1∶3，稳定段L₁与a之比为1∶2，稳定段a与喉部c之比为4∶1，收缩段长度L₂与b之比为1∶2，角α为20°。雾化气体为氮气，雾化压力为3.5MPa，雾化室内压力为0.1MPa。17-4PH不锈钢粉体的SEM照片如图7所示。粉末所达到的平均颗粒直径为22.1μm，16wt％小于9.1μm，84wt％小于41.7μm。

实施例3：

本实施例中，气体喷管的喉部缝宽c与出口处缝宽d之比为1∶2，稳定段L₁与a之比为1∶2，稳定段a与喉部c之比为5∶1，收缩段长度L₂与b之比为1∶2，角α为20°。雾化气体为氩气，雾化压力为2.0MPa，雾化室内压力为0.1MPa。CuSn20合金熔液雾化温度为1200℃。CuSn20粉体的SEM照片如图8所示。雾化所得粉末10wt％小于5.6μm，90wt％小于25.2μm，平均直径D50为13.6μm。

Claims (6)

1.一种用于金属气体雾化的环缝型超音速喷嘴，其特征在于，它包含连接外部气瓶的进气管(4)，进气管(4)与喷嘴的环形气腔(1)相连，该喷嘴中心有一上下贯通的中心孔(2)，中心孔(2)的上口为进口，中心孔(2)的下口为出口，环形气腔(1)的下方连接环缝形状的气体喷管(3)，气体喷管(3)的通过喷嘴中心孔轴线的剖面是以喷嘴中心孔轴线为中心线对称形成两条缝形通道，每条缝形通道从气体喷管(3)的进口到气体喷管(3)的出口均朝向喷嘴中心孔轴线倾斜，并由双条(AB)曲线、双条(BC)曲线和双条(CD)曲线组成，其中(AB)曲线是直线，(BC)曲线是圆滑的渐缩的曲线，(CD)曲线是圆滑的渐扩的曲线，并到气体喷管(3)的出口处形成直线，所述的环缝形状的气体喷管(3)的缝体是围绕喷嘴中心孔轴线旋转360°所得到的一个由上到下朝内倾斜的曲面，该曲面的出口是围绕着中心孔(2)的出口的环缝形状，该曲面是由(AB)曲线所在的稳定段、(BC)曲线所在的收缩段、(C)处的喉部和(CD)曲线所在的扩散段所组成。

2.根据权利要求1所述的用于金属气体雾化的环缝型超音速喷嘴装置，其特征在于，在所述的气体喷管(3)的通过喷嘴中心孔轴线的剖面中，两条缝形通道的中心线的延长线分别与喷嘴中心孔轴线形成夹角α，角α均为0°～60°且≠0°。

3.根据权利要求1所述的用于金属气体雾化的环缝型超音速喷嘴装置，其特征在于，在所述的气体喷管(3)的通过喷嘴中心孔轴线的剖面中，所述的(AB)曲线所在的稳定段的轴向长度(L₁)与稳定段的宽度(a)之比为1∶1～1∶4。

4.根据权利要求1所述的用于金属气体雾化的环缝型超音速喷嘴装置，其特征在于，在所述的气体喷管(3)的通过喷嘴中心孔轴线的剖面中，所述的(BC)曲线所在的收缩段的轴向长度(L₂)与收缩段的最宽的宽度(b)之比为：1∶5～2∶1。

5.根据权利要求1所述的用于金属气体雾化的环缝型超音速喷嘴装置，其特征在于，所述的喷管喉部C点的宽度(c)与稳定段的宽度(a)之比为1∶10～1∶1。

6.根据权利要求1所述的用于金属气体雾化的环缝型超音速喷嘴装置，其特征在于：所述的(CD)曲线所在的扩散段，其在气体喷管(3)的出口处宽度(d)与C点的宽度(c)之比为1∶1～4∶1。

Images