CN103273070A - 一种可调式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，钛液导流管沿轴线贯穿有钛液通道，喷嘴外套通过定位螺栓固定在钛液导流管的一端，由定位螺栓隔开的钛液导流管外壁和喷嘴外套内壁之间形成设有高压气源入口的高压气源室，钛液导流管的另一端渐收，与渐收面相对的喷嘴外套的内壁包括两个坡面使其与钛液导流管渐收的外壁之间形成拉伐尔喷管，定位螺栓调节拉伐尔喷管的截面尺寸；拉伐尔喷管喉道的尺寸可通过喷嘴外套调节，喉道尺寸决定了高压气流喷出的马赫数，因此决定了钛及钛合金雾化后圆形粉末颗粒的尺寸，故使用本发明的雾化喷嘴，可根据需要获得不同颗粒大小的粉末，从而增加了设备的灵活性，且雾化过程稳定，易于控制。

Description

一种可调式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴

技术领域

本发明涉及一种喷嘴，具体涉及一种金属粉末雾化喷嘴。

背景技术

常用的超细金属粉末的制备方法有机械法（如球磨法和气流磨粉碎法）、物理法（如离子旋转电极法和气体雾化法）以及物理－化学法，而气体雾化法则又分为传统雾化技术（主要包括超声雾化技术、紧耦合雾化技术和高压气体雾化技术）和新型雾化技术（主要有层流雾化技术、超声紧耦合雾化技术和热气体雾化技术，目前多处于研究阶段）。其中，机械法只适合脆性金属及合金的破碎制粉，而物理－化学法难以应用于大规模工业生产，所以目前研究多集中在气体雾化法。

具有代表性的喷嘴结构主要有三大类：超声雾化技术；紧耦合（close-coupled）雾化技术和高压气体雾化技术：

超声雾化技术由拉伐尔喷嘴和哈特曼振动管组合在一起，在产生2~2.5马赫数超声速气流的同时，产生80-100kHz的脉冲频率；该技术只能在金属液流直径小于5mm的情况下才具有较好效果，因此适用于铝等低熔点金属粉末的生产。

紧耦合雾化技术的主要思想是增加气体动能至金属液流的传输效率，改进限制式喷嘴的机构，使气流自出口至液流的距离最短，因此目前已成为大多雾化设备的首选；然而在紧耦合雾化技术中，包含许多物理和化学过程，存在着气体的动能和液体的热能等传输过程，情况十分复杂，气流与液流的作用机理至今没有完全研究清楚，同时，需要精确控制才能避免雾化过程的堵嘴等不稳定现象。

高压气体雾化技术将紧耦合喷嘴的环缝出口改为20～24个单一喷孔，通过提高气压（最高可达到17MPa）和改变导液管出口处的形状设计，克服紧耦合喷嘴中存在的气流激波（这是紧耦合喷嘴中产生上述不稳定现象的原因），使气流呈超声速层流状态，并在导液管出口处形成有效的负压；高压气体雾化技术不足的地方一是细粉末的出产率低(小于20％)，二是气体消耗量大，生产成本高。

为此，由上世纪90年代至今，国外对雾化技术的研究在以下三方面取得了新的进展：

层流雾化技术对喷嘴进行重大改进，提出了层流超声雾化的概念，使气流在喷嘴中呈层流状态，同时金属液流也呈层流状态，气流不再以某一角度冲击液态金属流，而是平行于液态金属流，在这里液态金属流依靠气流在液流表面产生的剪切力和挤压而变形，液流直径不断减小，发生层流纤维化，这一过程在一个稳定的气流和金属流场中进行。但该雾化技术控制难度大，雾化过程不稳定，且产量小(金属质量流率小于lkg／min)，不利于工业化生产。

超声紧耦合雾化技术对紧耦合环缝式喷嘴进行结构优化，一是使气流的出口速度超过声速，从而在较小的雾化压力下获得高速气流，二是增加金属液流的体积流率。目前仍处于实验室阶段。

热气体雾化技术是用提高雾化介质温度的方法来增加其动能，进而提高雾化效率和节省通气量。但热气体雾化技术由于受到气体加热系统和喷嘴的限制，对其雾化机理、喷嘴的设计、粉末性能、组织结构以及气体消耗量还很少有研究报告。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于为了克服现有技术的不足，提供一种可调式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，目的是根据生产需要得到不同细度的钛或钛合金粉末。

技术方案：本发明所述的一种可调式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，包括喷嘴外套、钛液导流管和定位螺栓，所述钛液导流管沿轴线贯穿有钛液通道，所述喷嘴外套通过所述定位螺栓固定在所述钛液导流管的一端，由所述定位螺栓隔开的所述钛液导流管外壁和所述喷嘴外套内壁之间形成设有高压气源入口的高压气源室，所述钛液导流管的另一端渐收，与渐收面相对的所述喷嘴外套的内壁包括两个坡面使其与所述钛液导流管渐收的外壁之间形成拉伐尔喷管，由于定位螺栓决定了喷嘴外套和钛液导流管之间的距离，故可由所述定位螺栓调节所述拉伐尔喷管的截面尺寸，截面尺寸决定了从高压气源室喷射出的气流的流量以及气流从拉伐尔喷管喷射出的速度，且直接影响到气流将钛液通道中流出的钛及钛合金进行雾化后的粉末颗粒的大小。

具体的，所述喷嘴外套的两个坡面包括入口面和出口面，所述入口面从高压气源室延伸出来且渐收，所述入口面和出口面的衔接点为喉道，所述出口面从所述喉道延伸并渐阔；从高压气源室进入拉伐尔喷管的气流在入口面到喉道的空间内逐渐加速至音速，从喉道到出口面的空间进一步加速至超音速。

进一步，所述喉道的截面面积和拉伐尔喷管的出口面积之比为1：1.53，使气体流的在拉伐尔喷管出口的马赫数为2.0，实现2倍音速，气体流的压力和拉伐尔喷管出口背压之比为8.31，保证钛及钛合金液从钛液通道中流出时在超音速气流的剪切作用下，破碎成圆球形液滴，随之迅速冷却，形成圆球形细小粉末。

所述钛液导流管渐收面、所述喷嘴外套入口面和所述喷嘴外套出口面分别与重垂线的夹角依次减小，保证高压气体流进入拉伐尔喷管可在喉道被加速至音速，在拉伐尔喷管的出口被加速至超音速，气体流实现无激波膨胀，因此在拉伐尔喷管出口处产生背压，在与拉伐尔喷管出口靠近的钛液导流管唇口处产生一定的负压，由于钛液通道内的压力与出口负压的压力差，引导钛液从钛液通道内流出。

为了调节拉伐尔喷管的截面尺寸，首先将所述定位螺栓固定在所述钛液导流管的一端，一组厚度与所述拉伐尔喷管喉道宽度相同的定位辅助片包覆在所述钛液导流管的渐收面上，所述定位辅助片在所述喷嘴外套拧紧固定在所述定位螺栓上后取出，从而使拉伐尔喷管定型；按此种方式组装，由定位辅助片的厚度决定了拉伐尔喷管喉道的宽度，故可根据所需雾化后的粉末细度选择不同厚度的定位辅助片，形成不同规格的拉伐尔喷管，在实际生产中，若要生产不同类型及细度大小的金属粉末，无需更换不同规格大小的喷嘴，只需采用定位辅助片对本发明的拉伐尔喷管喉道尺寸进行调节，即可进行选择性生产。

优选地，所述定位辅助片为2~3片，此时，定位辅助片最易取出且获得的喉道宽度最为精准；若采用一整块定位辅助片，由于钛液导流管的渐收面类似于圆锥面，一整块定位辅助片与钛液导流管的接触面较大，摩擦力较大，故取出定位辅助片时不易拔出；若采用更多片数的定位辅助片进行调节定位，则片数太多，造成各个方向的喉道宽度不等，且取出时由于每片定位辅助片面积小，不易取出甚至易滑入高压气源室中。

优选地，所述喷嘴外套由钛合金制成，若以其他金属制成，气体流从高压气源室出时会带有喷嘴外套上其他金属的分子，当对钛液导流管流出的钛及钛合金液体进行粉碎时，会使钛液中掺有其他金属的杂质，而喷嘴外套以钛合金制成即可避免此类污染现象产生，保证雾化粉碎后的粉末纯度高；优选地，所述钛液导流管和定位螺栓由钨合金制成，钨合金耐高温，雾化过程中产生高温环境，钨合金不会分解对钛及钛合金造成污染，且与钛及钛合金有较好的相容性，从而保证所生成的钛及钛合金粉末有较高的纯度。

有益效果：1、拉伐尔喷管喉道的尺寸可通过定位螺栓调节，喉道的宽度决定了高压气流喷出的马赫数，因此决定了钛及钛合金雾化后圆形粉末颗粒的尺寸，故使用本发明的雾化喷嘴，可根据需要获得不同颗粒大小的粉末，从而增加了设备的灵活性，且雾化过程稳定，易于控制；2、由于喷嘴外套、钛液导流管以及定位螺栓均由合金制成，因此其加工精度比常见的铝合金雾化用的玉石材料要高得多，各部件尺寸精确，继而钛及钛合金雾化后圆形粉末颗粒的尺寸也可精确控制，其次合金材料更耐磨，因此其寿命要比同类产品高的多，平均雾化成本降低；3、本产品除了可用于雾化钛及钛合金外，还可用于雾化熔点类似的其他合金。

附图说明

图1为本发明的纵剖截面示意图；

图2为本发明的横截截面示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种可调式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，如图1、2所示，包括喷嘴外套1、钛液导流管2和定位螺栓3，喷嘴外套1由钛合金制成，钛液导流管2和定位螺栓3由钨合金制成。钛液导流管2沿轴线贯穿有钛液通道4，喷嘴外套1通过定位螺栓3固定在钛液导流管2的一端，由定位螺栓3隔开的钛液导流管2外壁和喷嘴外套1内壁之间形成设有高压气源入口5的高压气源室6，钛液导流管2的另一端渐收，与渐收面7相对的喷嘴外套1的内壁包括两个坡面：入口面8和出口面9，入口面8从高压气源室6延伸出来且渐收，入口面8和出口面9的衔接点为喉道10，出口面9从喉道10延伸并渐阔，两个坡面与钛液导流管2渐收的外壁之间形成拉伐尔喷管，钛液导流管2渐收面7、喷嘴外套1入口面8和喷嘴外套1出口面9分别与重垂线的夹角为α、β1和β2，α>β1>β2。

本实施例的具体参数见下表所示：

马赫数	2.00
		钛液通道直径	3.00mm
钛液通道唇口壁厚	2.00mm
		α	22.00°
钛液导流管渐收面长度	20.00mm
		拉伐尔喷管喉道宽度w1	0.50mm
拉伐尔喷管喉道半径	10.00mm
		拉伐尔喷管出口半径	7.04mm
高压气源室压强	4.16atm
		拉伐尔喷管出口压强	0.50atm
拉伐尔喷管出口流量	1.80kg/min
		拉伐尔喷管出口宽度w2	1.16mm
拉伐尔喷管出口面长度	15~16mm
		拉伐尔喷管入口面长度	7~10mm
β1	45.00°
		β2	11.03°

上述数据可保证喉道10的截面面积（图2中阴影面积A）和拉伐尔喷管的出口面积（图2中阴影面积B）之比为1:1.53，使气体流的在拉伐尔喷管出口的马赫数为2.0，气体流的压力和拉伐尔喷管出口背压之比为8.31；为了实现上述喷嘴尺寸，拉伐尔喷管的喉道10大小由定位螺栓3确定，本实施例中的定位螺栓3为自锁式固定螺栓，首先把自锁式固定螺栓紧固在钛液导流管2的一端上，然后把预先设定的同样均匀厚度的三片金属片（约2mm宽×20mm长×0.5mm厚）贴在钛液导流管2的渐收面7上，此预先设定的厚度决定了喷管喉道10的宽度，随之把喷嘴外套1沿自锁式固定螺栓的外径向上拧紧固定，最后取出三片金属片，从而形成拉伐尔喷管。

本实施例的具体工作流程为：钛及钛合金锭被熔化，保存在钛液通道4上方的坩埚内；高压氩气通过高压气源入口5进入高压气源室6，从而进入拉伐尔喷管的入口，由于拉伐尔喷管一开始渐收的尺寸，高压氩气逐渐加速，在喉道10处达到音速，而后由于拉伐尔喷管渐阔的尺寸，从喉道10到出口进一步加速至超音速，在出口处达到马赫数2；高压氩气的供应压力和在拉伐尔喷管出口处的背压，使得氩气通过拉伐尔喷管出口后实现无激波膨胀，在钛液导流管2唇口11处产生一定的负压，在钛液导流管2唇口11处负压的作用下，钛及钛合金液从钛液通道4中流出，并在超音速氩气气流的剪切作用下，破碎成圆球形液滴，随之迅速冷却，形成圆球形细小粉末。

Claims (7)

1.一种可调式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，其特征在于：包括喷嘴外套、钛液导流管和定位螺栓，所述钛液导流管沿轴线贯穿有钛液通道，所述喷嘴外套通过所述定位螺栓固定在所述钛液导流管的一端，由所述定位螺栓隔开的所述钛液导流管外壁和所述喷嘴外套内壁之间形成设有高压气源入口的高压气源室，所述钛液导流管的另一端渐收，与渐收面相对的所述喷嘴外套的内壁包括两个坡面使其与所述钛液导流管渐收的外壁之间形成拉伐尔喷管，由所述定位螺栓调节所述拉伐尔喷管的截面尺寸。

2.根据权利要求1所述的可调式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，其特征在于：所述喷嘴外套的两个坡面包括入口面和出口面，所述入口面从高压气源室延伸出来且渐收，所述入口面和出口面的衔接点为喉道，所述出口面从所述喉道延伸并渐阔。

3.根据权利要求2所述的可调式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，其特征在于：所述喉道的截面面积和拉伐尔喷管的出口面积之比为1：1.53。

4.根据权利要求1所述的可调式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，其特征在于：所述钛液导流管渐收面、所述喷嘴外套入口面和所述喷嘴外套出口面分别与重垂线的夹角依次减小。

5.根据权利要求2所述的可调式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，其特征在于：所述定位螺栓固定在所述钛液导流管的一端，一组厚度与所述拉伐尔喷管喉道宽度相同的定位辅助片包覆在所述钛液导流管的渐收面上，所述定位辅助片在所述喷嘴外套拧紧固定在所述定位螺栓上后取出。

6.根据权利要求5所述的可调式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，其特征在于：所述定位辅助片为2~3片。

7.根据权利要求1所述的可调式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，其特征在于：所述喷嘴外套由钛合金制成，所述钛液导流管和定位螺栓由钨合金制成。

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