CN111375776A - 用于破碎高温金属熔液的旋流雾化喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于破碎高温金属熔液的旋流雾化喷嘴。高压高速气流从旋流雾化喷嘴的进气口(3)沿环腔(4)的切线方向进入,在环腔(4)内形成强烈的旋流,然后从旋流雾化喷嘴的环形喷口(2)喷出,形成带强旋流的超音速高速气流。熔化的高温金属熔液在重力的作用下,从旋流雾化喷嘴的高温金属熔液流道(1)滴入高速气流雾化区被粉碎成微细金属熔液液滴。旋流雾化喷嘴不仅可以通过高速气流冲击高温金属熔液液滴使其破碎,还可利用强旋流使微细金属熔液液滴旋转产生离心力进行破碎,具有更好的破碎效果。

Description

用于破碎高温金属熔液的旋流雾化喷嘴
技术领域:
本发明属于粉体工程技术领域,是一种对高温金属熔液进行破碎的旋流雾化喷嘴,涉及利用旋流雾化喷嘴对高温金属熔液进行破碎从而获得超细金属粉末。
背景技术:
3D打印(3D printing)技术又称三维打印技术,是一种以数字模型文件为基础,运用激光或电子束高温烧熔金属粉末或高分子材料粉末等,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,从而极大地缩短产品的研制周期,提高生产率和降低生产成本。高分子材料使用温度低,机械性能差等缺点大大限制其应用范围,而金属材料机械性能和高温性能优异,通过3D打印技术制造的各种高性能金属结构部件,极大的促进了多学科技术领域的发展。高性能的金属粉末是3D打印技术制造高性能金属结构部件的关键原材料,其性能直接制约3D打印金属部件技术的发展。
增材制造的另一个发展方向是粉末冶金,模具成型或注射成型。将金属粉末和有机粘结剂或塑料颗粒混合造粒形成造粒料,根据所需金属零件的形状和尺寸设计模具,然后将造粒料通过模具压模或注射机注塑成型,成型后的粉末冶金胚体脱脂后放入高温炉中烧结成型。粉末冶金最大的优势就是生产效率高,烧结成型后的零件机械加工量少,节省原材料,所加工的零部件致密度高,机械性能好。
常规的物理和化学方法制造超细金属粉末,只能得到超细单质金属粉末,很难获得超细的金属合金粉末,金属单质的各项技术性能指标均不理想,需要通过添加合金成份进行改善,由于3D打印技术的特点,很难像常规制造技术那样在3D打印制造过程中对单质金属粉末添加另几种单质金属形成合金成份,所以高性能超细金属合金粉末的制造技术,已经成为3D打印技术和粉末冶金技术制造高性能金属部件的关键制约技术。
高性能的金属合金材料,强度高,韧性好,耐腐蚀,采用常规物理机械破碎的方法很难将其粉碎成细小的颗粒,而且制成的合金颗粒形貌不好,杂质含量高;将耐腐蚀的不锈钢材料在高温下熔化成液体,将金属液体分散成较小的液滴,倒入水中冷却获得不锈钢粉末,可以获得形貌接近球形的较好颗粒,但是不锈钢粉的颗粒粗大,很难获得微米级的超细粉末,金属氧化严重,化学活性较高的钛合金,不能采用这种方法制造;将金属材料在惰性气体的保护下高温熔化,分散成较小的金属液滴,然后采用气流粉碎的方式破碎成微细金属粉末,虽然可以获得微细的金属合金粉末,金属粉末的形貌也是非常理想的球形,但工艺工程过于复杂很难控制,所获得金属合金粉末粒径分布太宽,需要后续分级处理,直接影响了金属合金粉末的质量。
综上所述,惰性气体高速气流气雾化的方法是制造高纯超细金属合金粉末非常有发展前景的制造方法,其中高效能的气流雾化喷嘴的设计与制造技术是获得高性能金属粉末的关键技术,气流雾化喷嘴均采用提高喷嘴的流速和压力的办法来改进雾化效果,但是改进效果有限。有的方法采用倾斜高速旋转的金属铜盘将落到铜盘表面的高温金属熔液液滴打碎,获得尺寸更细小的液滴颗粒,金属熔液液滴颗粒冷却凝固即可获得微细金属粉末。破碎铜盘二次破碎虽然可以获得更细微的金属粉末,但是铜盘的撞击会影响最终的金属粉末形貌,使非球形粉末比例增加。
发明内容:
本发明是一种对高温金属熔液进行破碎的旋流雾化喷嘴,不仅可以产生超音速高速气流,而且此喷嘴可以产生很强的旋流,对高温金属熔液进行高速气流冲击破碎和旋流离心粉碎从而获得超细金属粉末。
本发明破碎高温金属熔液液滴的旋流雾化喷嘴如图1所示,旋流雾化喷嘴平行于地面放置,高压高速气流从旋流雾化喷嘴的进气口(3)沿喷嘴环腔(4)的切线方向进入,旋流雾化喷嘴有三个进气口沿环腔(4)均匀布置,高压高速气流从旋流雾化喷嘴进气口进入在环腔(4)内形成高速旋流,带高速旋流的高压高速气流从旋流雾化喷嘴的环形喷口(2)喷出,形成带强旋流的高速气流。
熔化的高温金属熔液液滴在重力的作用下,从旋流雾化喷嘴的高温金属熔液流道(1)滴落,进入旋流雾化喷嘴的气流雾化粉碎区域,在超音速高速气流的冲击下被破碎成微细金属熔液液滴,高速气流中所带的强旋流带动微细金属熔液液滴旋转,在离心力的作用下进一步粉碎成为更微细的高温金属熔液液滴,微细的高温金属熔液液滴冷却凝固,即可获得微细的金属粉末。
附图说明:
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
附图图1是本发明用于破碎高温金属熔液的旋流雾化喷嘴的工程设计结构示意图,附图图1中上视图为轴对称结构的中心剖面视图,附图图1中下视图为俯视图的剖面视图,附图图1中图标说明如下:1.高温金属熔液流道,2.旋流雾化喷嘴环形喷口,3.进气口,4.旋流雾化喷嘴环形腔室。
具体实施方式:
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施方式中的附图,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施方式是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明保护的范围。因而以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明保护的范围。
下面通过实施例对本发明做出详细的说明:
实施例1:
将直径50毫米的国标牌号TC4的钛合金圆棒的头部加工成顶部夹角60度的尖锥形,在锥形超高频感应加热线圈中加热到1800摄氏度以上,TC4钛合金棒尖头部分熔化成金属熔液液滴,在重力的作用下从旋流雾化喷嘴的高温金属熔液液滴流道(1)进入旋流雾化粉碎区域。
压力4MPa的高压高纯氩气从旋流雾化喷嘴的3个进气口(3)进入,氩气气流从喷嘴环形腔室(4)的切线方向进入,在环腔内形成很强的旋流,然后从环形雾化喷嘴的喷口(2)喷出,形成带有强旋流的超音速高速气流,高温金属熔液液滴在高速带旋流气流的作用下破碎成直径为15微米甚至更细微的高温金属熔液液滴颗粒,高温金属熔液液滴冷却即可形成平均粒径15微米的超细TC4金属粉末。
实施例2:
根据国标牌号4J29的精密合金的金属比例成份配料,将金属配料放置在容量300升的氧化铝坩埚中,通过中频感应加热将金属配料加热到摄氏1600度熔化,同时利用中频感应加热的电磁搅拌作用,熔炼4J29精密合金高温金属熔液。
氧化铝坩埚下部有漏孔,4J29精密合金高温金属熔液熔炼完成后,提起氧化铝坩埚下部漏孔的塞子,4J29精密合金高温金属熔液在重力的作用下流出,从雾化喷嘴的高温金属熔液液滴流道(1)进入旋流雾化粉碎区域。
压力4MPa的高压高纯氩气从旋流雾化喷嘴的3个进气口(3)进入,氩气气流从喷嘴环形腔室(4)的切线方向进入,在环腔内形成很强的旋流,然后从环形雾化喷嘴的喷口(2)喷出,形成带有强旋流的超音速高速气流,高温金属熔液液滴在高速带旋流气流的作用下破碎成直径为12微米甚至更细微的高温金属熔液液滴颗粒,高温金属熔液液滴冷却即可形成平均粒径12微米的超细4J29精密合金粉末。

Claims (5)

1.一种用于破碎高温金属熔液液滴的旋流雾化喷嘴,包括高温金属熔液流道(1)、旋流雾化喷嘴环形喷口(2)、进气口(3)、旋流雾化喷嘴环形腔室(4)。高压高速气流从进气口(3)沿旋流雾化喷嘴环形腔室(4)的切线方向进入,在环形腔室(4)内形成强烈旋流,然后高压高速气流从环形喷口(2)喷出,形成带强旋流的超音速高速气流,对高温金属熔液液滴具有很好的破碎效果。
2.根据权利要求1所述的旋流雾化喷嘴,其特征在于旋流雾化喷嘴与地面水平放置,熔化的高温金属熔液液滴在重力的作用下,从高温金属熔液流道(1)中滴落进入带旋流的超音速高速气流雾化破碎区。
3.根据权利要求1所述的旋流雾化喷嘴,其特征在于旋流雾化喷嘴的进气口(3),沿环形腔室(4)均匀布置,进气口(3)中轴线方向与环形腔室(4)的切线方向平行,使高压高速气流可以沿环形腔室(4)的切线方向进入环形腔室(4)。
4.根据权利要求1所述的旋流雾化喷嘴,其特征在于旋流雾化喷嘴具有一个较大的环形腔室(4),使沿切线进入腔室的高压高速气流可以形成很强的旋转流动。
5.根据权利要求1所述的旋流雾化喷嘴,其特征在于旋流雾化喷嘴的环形喷口(2)可以喷出带很强旋流的超音速高速气流,不仅可以高速冲击高温金属熔液液滴将其破碎,其中所带的强旋流可以使微细的高温金属熔液液滴产生旋转离心力破碎。
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