CN105728727B - 实现颗粒输送和液态金属中空射流的喷射沉积装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种实现颗粒输送和液态金属中空射流的喷射沉积装置及方法，包括固相颗粒流化输送器、固相颗粒分配器、导液管、雾化器、塞杆和管道等。所述固相颗粒流化输送器能够对固相颗粒进行流化态处理，所述固相颗粒分配器通过管道分别与流化输送器和导液管相连，所述导液管包括中心孔结构和环缝结构。所发明装置工作时，流化态固相颗粒由导液管中心孔喷出，金属液由导液管环缝以中空射流方式喷出。二者在雾化器作用下同时雾化并均匀混合，经沉积制备出金属基复合材料锭坯。所发明的喷射沉积装置改进了固相颗粒的加入方式，并使金属液形成中空射流，改善了固相颗粒和金属液的雾化沉积效果，有利于提高锭坯质量。

Description

实现颗粒输送和液态金属中空射流的喷射沉积装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种材料制备领域的技术，具体是一种能够同时实现固相颗粒输送和液态金属中空射流功能的喷射沉积装置及方法。

背景技术

喷射沉积技术是近年发展起来的一种制备金属基复合材料的新工艺，其基本原理是在喷射沉积过程中，把具有一定动量的增强固相颗粒强制加入雾化液流中，使液态金属与增强固相颗粒共同沉积到运动的基体上，制备出所需形状的金属基复合材料锭坯。

采用喷射沉积技术制备金属基复合材料锭坯，在目前已有的研究和实践中，大多采用插管方法直接将增强固相颗粒喷入金属熔体雾化锥中，但该方法不易保证固相颗粒在沉积坯中分布的均匀性，且材料利用率较低。而中间包内的金属液，在由普通导液管流经雾化器时，基本呈实心圆柱形态，圆柱直径由导液管内径控制。为保证雾化效果，导液管直径不能太大。这些问题使得现有喷射沉积技术难以适应和满足金属基复合材料锭坯的实际生产需求。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN204898041U，公开(公告)日2015.12.23，公开了一种铝合金喷射沉积设备，包括雾化室，所述雾化室具有一沉积空间，该沉积空间内设置有可转动的沉积底盘，所述雾化室的上方安装有漏包，所述漏包与沉积空间内连通有喷嘴，所述喷嘴的出口面对沉积底盘，所述喷嘴具有输送雾化N₂的第一开口，所述雾化室的底端还设有抽风口，所述喷嘴还连通有送粉管道，所述送粉管道具有一输送送粉N₂的第二开口，所述送粉管道上设有送粉装置和漏斗，所述送粉装置连通在漏斗和送粉管道之间。但该技术所述的粉末是与液态金属化学成分相同的过喷粉末，无法适用于碳化物、氮化物和氧化物等多种用于制备金属基复合材料的增强固相颗粒。该技术是通过改进喷嘴结构实现送粉，难以控制固相颗粒的质量流量，且固相颗粒在沉积锭坯中的分布不够均匀。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种实现颗粒输送和液态金属中空射流的喷射沉积装置及方法，克服了传统插管方法导致的固相颗粒分布不均匀和材料利用率低的问题。同时，液态金属经导液管环缝以中空射流方式喷出，有利于金属液雾化为更均匀细小的液滴，从而能够制备出固相颗粒分布均匀的高质量金属基复合材料锭坯。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种实现颗粒输送和液态金属中空射流的喷射沉积装置，包括：中间包、设置于中间包底部的带有雾化器的固相颗粒分配器和与之相连的固相颗粒流化输送器，其中：固相颗粒分配器的输入端与中间包相连，固相颗粒流化输送器的输出端经有压缩气体管路与固相颗粒分配器的第二输入端相连，从而使得固相颗粒流化输送器内的固相颗粒与中间包内的液态金属同时进行雾化并均匀混合于固相颗粒分配器的输出端。

所述的固相颗粒在流化输送器中经流化处理呈均匀流化态，在压缩气体作用下经管道输送至固相颗粒分配器，固相颗粒分配器与导液管相连，流化态固相颗粒进入导液管并由导液管下端中心孔喷出；当中间包内的液态金属流入导液管并经导液管环缝以中空射流方式喷出时，在雾化器高速高压气体作用下，固相颗粒与液态金属同时进行雾化并均匀混合，经沉积制备出金属基复合材料锭坯。

所述的流化输送器内设有阀门，通过阀门控制固相颗粒的质量流量，该固相颗粒流化输送器对其中的固态颗粒进行流化态处理，固相颗粒的质量流量由阀门进行调节控制。

所述的中间包与固相颗粒分配器的输入端之间设有塞杆，通过塞杆的上升和下降以控制导液管上端锥形孔的开启和关闭，该塞杆与导液管的接触面为圆锥面，圆锥面母线与水平面的夹角为10°～80°。

所述的固相颗粒分配器包括：雾化器和导液管，其中：导液管包括中心孔结构和环缝结构，中心孔结构是固相颗粒的输送通道，环缝结构是液态金属的输送通道。

所述的液态金属采用但不限于：单质金属液或合金液。

所述的固相颗粒采用但不限于：SiC、TiC、WC、BC、VC、TaC、NbC、CrC、HfC等碳化物，SiN、BN、TiN等氮化物，SiO2、Al2O3、MgO、CrO2、Y2O3、Nb2O3、HfO2等氧化物。

所述的压缩气体采用但不限于：氮气、氩气和氦气。

本发明涉及上述装置的喷射沉积方法，包括以下步骤：

第一步，塞杆下降关闭导液管上端锥形孔，向中间包内注入适量金属液。

第二步，固相颗粒流化输送器工作，将固相颗粒进行流化态处理。流化态固相颗粒经管道和固相颗粒分配器输送至导液管，并经导液管下端中心孔喷出。

第三步，开启雾化器的压缩气体阀门，雾化器开始工作。

第四步，提升塞杆，金属液进入导液管并经环缝喷出，在雾化器高压高速气体作用下，固相颗粒和金属液同时进行雾化，并沉积为一定形状的金属基复合材料锭坯。

技术效果

与现有技术相比，本发明所述的喷射沉积装置能有效调控固相颗粒的质量流量和流化态水平，提高固相颗粒在雾化和沉积过程中在空间分布的均匀性。同时，金属液以中空射流方式喷出，有利于金属液雾化为更加均匀细小的液滴。这都改善了固相颗粒和金属液的雾化沉积效果。

本发明所述的喷射沉积装置制备出的金属基复合材料锭坯，固相颗粒分布均匀，微观组织均匀细小，整体致密性高，综合力学性能好。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2b为导液管主视图；

图2a为图2b沿水平中心线的剖分图；

图2c为图2b沿垂直中心线的剖分图；

图3a为导液管立体示意图；

图3b和图3c为图3a沿两条相互垂直的中心线的剖分图；

图中：塞杆1、金属液2、中间包3、导液管4、固相颗粒分配器5、雾化器6、阀门7、固相颗粒流化输送器8、a为中心孔结构、b为环缝结构。

具体实施方式

如图1所示，本实施例包括：塞杆1、中间包3、导液管4、固相颗粒分配器5、雾化器6、阀门7、固相颗粒流化输送器8。

所述的流化输送器8内通有压缩气体，固相颗粒在流化输送器8中经流化处理呈均匀流化态，在压缩气体作用下经管道输送至固相颗粒分配器5，固相颗粒分配器5与导液管4相连，流化态固相颗粒进入导液管4并由导液管4下端中心孔喷出。同时，提升塞杆1，中间包3内的液态金属2流入导液管4并经导液管4环缝以中空射流方式喷出。在雾化器6高速高压气体作用下，固相颗粒与液态金属同时进行雾化并均匀混合，经沉积制备出金属基复合材料锭坯。

如图2a～图3c所示，为不同剖分方向的导液管4的二维和三维结构示意图，该导液管4包括用于输送固相颗粒的中心孔结构a和用于输送液态金属的环缝结构b，其中：中心孔结构a的两个入口端位于导液管4的水平两侧，环缝结构b的入口端位于导液管4的顶部，中心孔结构a环缝结构b的出口端均位于导液管4的底部，从而实现均匀混合。

本实施例具体工作过程分为以下步骤：

第一步，塞杆1下降关闭导液管4上端锥形孔，向中间包3内注入适量金属液2。

第二步，固相颗粒流化输送器8工作，将固相颗粒进行流化态处理。通过阀门7调节固相颗粒的质量流量，流化态固相颗粒经管道和固相颗粒分配器5输送至导液管4，并经导液管4下端中心孔喷出。

第三步，开启雾化器6的压缩气体阀门，雾化器6开始工作。

第四步，提升塞杆1，金属液2进入导液管4并经环缝喷出，在雾化器6高速高压气体作用下，固相颗粒和金属液同时进行雾化，并沉积为一定形状的金属基复合材料锭坯。

本发明所述的喷射沉积装置能有效提高固相颗粒在雾化和沉积过程中在空间分布的均匀性。同时，金属液以中空射流方式喷出，有利于金属液雾化为更细小的液滴。从而改善固相颗粒和金属液的雾化沉积效果，能够制备出固相颗粒分布均匀、微观组织细小、致密性高、综合力学性能好的金属基复合材料锭坯。理论分析表明，本发明所述的喷射沉积装置，固相颗粒的利用率能够提高30％以上，生产效率提高20％以上。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种实现颗粒输送和液态金属中空射流的喷射沉积装置，其特征在于，包括：中间包、设置于中间包底部的带有雾化器的固相颗粒分配器和与之相连的固相颗粒流化输送器，其中：固相颗粒分配器的输入端与中间包相连，固相颗粒流化输送器的输出端经有压缩气体管路与固相颗粒分配器的第二输入端相连，从而使得固相颗粒流化输送器内的固相颗粒与中间包内的液态金属同时进行雾化并均匀混合于固相颗粒分配器的输出端；该固相颗粒分配器包括：雾化器和导液管，其中：导液管包括用于输送固相颗粒的中心孔结构和用于输送液态金属的环缝结构；

所述的中心孔结构的两个入口端位于导液管的水平两侧，环缝结构的入口端位于导液管的顶部，中心孔结构环缝结构的出口端均位于导液管的底部，从而实现均匀混合。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的流化输送器内设有阀门，通过阀门控制固相颗粒的质量流量，该固相颗粒流化输送器对其中的固态颗粒进行流化态处理，固相颗粒的质量流量由阀门进行调节控制。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的中间包与固相颗粒分配器的输入端之间设有塞杆，通过塞杆的上升和下降以控制导液管上端锥形孔的开启和关闭。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征是，所述的塞杆与导液管的接触面为圆锥面，圆锥面母线与水平面的夹角为10°～80°。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的液态金属包括：单质金属液和/或合金液；所述的固相颗粒包括：SiC、TiC、WC、BC、VC、TaC、NbC、CrC、HfC，SiN、BN、TiN，SiO₂、Al₂O₃、MgO、CrO₂、Y₂O₃、Nb₂O₃或/或HfO₂；所述的压缩气体包括：氮气、氩气和/或氦气。

6.一种根据上述任一权利要求所述装置的喷射沉积方法，其特征在于，将固相颗粒在流化输送器中经流化处理呈均匀流化态，在压缩气体作用下经管道输送至固相颗粒分配器，固相颗粒分配器与导液管相连，流化态固相颗粒进入导液管并由导液管下端中心孔喷出；当中间包内的液态金属流入导液管并经导液管环缝以中空射流方式喷出时，在雾化器高速高压气体作用下，固相颗粒与液态金属同时进行雾化并均匀混合，经沉积制备出金属基复合材料锭坯。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，具体包括以下步骤：

第一步，塞杆下降关闭导液管上端锥形孔，向中间包内注入适量金属液；

第二步，固相颗粒流化输送器工作，将固相颗粒进行流化态处理；流化态固相颗粒经管道和固相颗粒分配器输送至导液管，并经导液管下端中心孔喷出；

第三步，开启雾化器的压缩气体阀门，雾化器开始工作；

第四步，提升塞杆，金属液进入导液管并经环缝喷出，在雾化器高压高速气体作用下，固相颗粒和金属液同时进行雾化，并沉积为一定形状的金属基复合材料锭坯。