CN108436093A - 一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器 - Google Patents

一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器 Download PDF

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Abstract

一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器，涉及金属粉体材料制备领域。所述的超音速雾化器包括坩埚、柱塞、上盖、导液管、下盖、进气孔、气腔、laval型环缝；所述的上盖中心安装有导液管，所述的上盖下部设置有下盖；下盖侧面相对设置有两处进气孔；所述的上盖和下盖封闭形成气腔，联通气腔，有以雾化器主轴线为中心由上盖和下盖共同组成的Laval型环缝，所述的坩埚中装有金属液，在拔开柱塞后，通过导液管进入雾化器被从Laval型环缝喷出的气流雾化。该超音速雾化器的优点是气流均匀一致，紊流度小，流场中不存在激波。

Description

一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾 化器
技术领域
本发明涉及金属粉体材料制备领域，具体涉及一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器。
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。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雾化器产生的高速、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，在所雾化熔体的物理性能为定值的条件下，雾化气流的速度对所得粉末的粒径起到决定性作用，提高雾化气流的速度可减小金属粉末的平均粒径。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雾化器出口处产生超音速气流。同时，超音速气流的获得并不是简单的把气流管截面尽量缩小就可以达到。由空气动力学可知，在雾化器中直线型圆锥收缩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。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前雾化器收缩结构存在气流不均匀、紊流度大的问题，提供一种气流均匀一致、紊流度小、流场中不存在激波的采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器，满足快速凝固金属气雾化的技术要求，制备的金属粉末粒度小、粒径分布窄。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器，所述的超音速雾化器包括坩埚、柱塞、上盖、导液管、下盖、进气孔、气腔及laval型环缝；
所述的上盖设有中心台肩孔，所述的中心台肩孔内安装有导液管，所述的上盖下部设置有下盖，上盖和所述的下盖密封连接，上盖和下盖之间的空间形成气腔，下盖侧面设置有与所述的气腔相通的进气孔；上盖下端外侧与下盖下端内侧之间形成Laval型环缝，所述的Laval型环缝与上盖的中心台肩孔同轴；
上盖上端面固定坐落有坩埚，所述的坩埚下端中部的出液口与导液管上端口正对设置，坩埚下端所述的出液口通过柱塞密封，坩埚中装有金属液，在拔开柱塞后，金属液流出导液管时被从Laval型环缝喷出的气流雾化。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
（1）本发明增加了稳定段，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，可以使通过稳定段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，超音速雾化器的环形气腔中压强较小，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（20%~50%），粒度分布范围较窄；
（5）本发明的气雾化喷管克服了气流不稳定、紊流度大，流场中存在激波的缺点，采用平滑曲线代替直线型面，使气流到达喉部时，得到均匀一致，紊流度小，流场中不存在激波的气体。
附图说明
图1为本发明超音速雾化器的示意图，为拔出柱塞3时的状态。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器，所述的超音速雾化器包括坩埚1、柱塞3、上盖4、导液管5、下盖6、进气孔7、气腔8及laval型环缝9；
所述的上盖4设有中心台肩孔，所述的中心台肩孔内安装有导液管5，所述的上盖4下部设置有下盖6，上盖4和所述的下盖6密封连接，上盖4和下盖6之间的空间形成气腔8，下盖6侧面设置有与所述的气腔8相通的进气孔7；上盖4下端外侧与下盖6下端内侧之间形成Laval型环缝9，所述的Laval型环缝9与上盖4的中心台肩孔同轴；
上盖4上端面固定坐落有坩埚1，所述的坩埚1下端中部的出液口与导液管5上端口正对设置，坩埚1下端所述的出液口通过柱塞3密封，坩埚1中装有金属液2，在拔开柱塞3后，金属液2流出导液管5时被从Laval型环缝9喷出的气流雾化。所述的金属液中的金属指316L不锈钢、Fe基高温合金、18Ni300模具钢等。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器，所述的上盖4与下盖6之间以及坩埚1与上盖4之间均采用密封圈密封，并分别采用螺栓连接。
具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器，所述的导液管5为石墨或陶瓷制成。
具体实施方式四：具体实施方式一或三所述的一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器，所述的导液管5下端口的直径d0为3~8mm。
具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器，所述的导液管5下端距离Laval型环缝9最低点的距离h为5~8mm。
具体实施方式六：具体实施方式一或五所述的一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器，所述的Laval型环缝9的中心圆直径D为16~20mm。
具体实施方式七：具体实施方式六所述的一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器，所述的Laval型环缝9包括收缩段12、喉部11和扩张段10，所述的收缩段12连通气腔8，收缩段12的下端连接有喉部11，所述的喉部11的下端连接有扩张段10。
具体实施方式八：具体实施方式七所述的一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器，所述的扩张段10的中心线与导液管5中心轴线之间的夹角为喷射顶角θ，θ=22.5°~30°。
实施例1：
使用图1所示的雾化器结构，气体流量为5Nm3/min（氩气），雾化器的最高使用压力为4.0MPa；雾化器导液管为石墨制成，导液管直径为3mm，伸出下雾化器的气流出口端5mm；Laval环缝中心圆直径为D为16mm；喷射顶角θ为22.5°；以不锈钢316L为雾化对象进行粉末的雾化试验，试验合金为15kg，雾化温度为1540℃，雾化压力为2.5MPa。雾化后将粉末用标准分析筛进行粉末粒度测定，所雾化的粉末粒度12~38μm，平均粒度为23μm，出粉率43％，氧含量为0.06％。
实施例2：
使用图1所示的雾化器结构，气体流量为5Nm3/min（氩气），雾化器的最高使用压力为4.0MPa；雾化器导流管护套为石墨制成，导流管直径为5mm，伸出下雾化器的气流出口端6mm；Laval环缝中心圆直径为D为17mm；喷射顶角θ为26°；以高铬铁基Fe-10Cr-1Cu-1Ni-1Mo-2C为雾化对象进行粉末的雾化试验，试验合金为20kg，雾化温度为1490℃，雾化压力为3MPa。雾化后将粉末用标准分析筛进行粉末粒度测定，所雾化的粉末粒度15~37μm，平均粒度为25μm，出粉率45％，氧含量为0.08％。
实施例3：
使用图1所示的雾化器结构，气体流量为5Nm3/min（氩气），雾化器的最高使用压力为4.0MPa；雾化器导流管护套为陶瓷制成，导流管直径为6mm，伸出下雾化器的气流出口端7mm；Laval环缝中心圆直径为D为18mm；喷射顶角θ为28°；以高温合金Fe-20Cr-4.5Al-0.5Ti-0.5Y2O3雾化对象进行粉末的雾化试验，试验合金为22kg，雾化温度为1550℃，雾化压力为3.5MPa。雾化后将粉末用标准分析筛进行粉末粒度测定，所雾化的粉末粒度12~39μm，平均粒度为24μm，出粉率42％，氧含量为0.05％。
实施例4：
使用图1所示的雾化器结构，气体流量为5Nm3/min（氩气），雾化器的最高使用压力为4.0MPa；雾化器导流管护套为陶瓷制成，导流管直径为8mm，伸出下雾化器的气流出口端8mm；Laval环缝中心圆直径为D为20mm；喷射顶角θ为30°；以高速工具钢ASP 2030雾化对象进行粉末的雾化试验，试验合金为25kg，雾化温度为1550℃，雾化压力为4MPa。雾化后将粉末用标准分析筛进行粉末粒度测定，所雾化的粉末粒度10~38μm，平均粒度为22μm，出粉率41％，氧含量为0.07％。

Claims (8)

1.一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器，其特征在于：所述的超音速雾化器包括坩埚（1）、柱塞（3）、上盖（4）、导液管（5）、下盖（6）、进气孔（7）、气腔（8）及laval型环缝（9）；
所述的上盖（4）设有中心台肩孔，所述的中心台肩孔内安装有导液管（5），所述的上盖（4）下部设置有下盖（6），上盖（4）和所述的下盖（6）密封连接，上盖（4）和下盖（6）之间的空间形成气腔（8），下盖（6）侧面设置有与所述的气腔（8）相通的进气孔（7）；上盖（4）下端外侧与下盖（6）下端内侧之间形成Laval型环缝（9），所述的Laval型环缝（9）与上盖（4）的中心台肩孔同轴；
上盖（4）上端面固定坐落有坩埚（1），所述的坩埚（1）下端中部的出液口与导液管（5）上端口正对设置，坩埚（1）下端所述的出液口通过柱塞（3）密封，坩埚（1）中装有金属液（2），在拔开柱塞（3）后，金属液（2）流出导液管（5）时被从Laval型环缝（9）喷出的气流雾化。
2.根据权利要求1所述的一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器，其特征在于：所述的上盖（4）与下盖（6）之间以及坩埚（1）与上盖（4）之间均采用密封圈密封，并分别采用螺栓连接。
3.根据权利要求1所述的一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器，其特征在于：所述的导液管（5）由石墨或陶瓷制成。
4.根据权利要求1或3所述的一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器，其特征在于：所述的导液管（5）下端口的直径d0为3~8mm。
5.根据权利要求1所述的一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器，其特征在于：所述的导液管（5）下端距离Laval型环缝（9）最低点的距离h为5~8mm。
6.根据权利要求1或5所述的一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器，其特征在于：所述的Laval型环缝（9）的中心圆直径D为16~20mm。
7.根据权利要求6所述的一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器，其特征在于：所述的Laval型环缝（9）包括收缩段（12）、喉部（11）和扩张段（10），所述的收缩段（12）连通气腔（8），收缩段（12）的下端连通有喉部（11），所述的喉部（11）的下端连通有扩张段（10）。
8.根据权利要求7所述的一种采用坩埚气雾化法制备铁基球形金属粉体的超音速雾化器，其特征在于：所述的扩张段（10）的中心线与导液管（5）中心轴线之间的夹角为喷射顶角θ，θ=22.5°~30°。
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