CN113399671B - 一种制备纳米颗粒增强金属基复合粉末的气雾化喷盘 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备纳米颗粒增强金属基复合粉末的气雾化喷盘，包括密封装配的喷盘主体、喷盘上片和喷盘下片，所述喷盘上片的中心设置有金属液流通道，所述喷盘主体上设置有第一进气口、第一气室、第二进气口和第二气室，所述第一进气口与第一气室连通，所述第二进气口与第二气室连通；所述喷盘上片下部外周面与喷盘主体之间形成连通第一气室的第一喷嘴，所述喷盘下片上部内周面与喷盘主体之间形成连通第二气室的第二喷嘴。本申请的喷盘，实现了金属基体雾化制粉与纳米颗粒增强同步完成，提升了复合粉末的工业化生产效率，减少了能耗，降低了生产成本和粉体氧含量，提升了粉末成分稳定性，大大缩减了纳米颗粒增强金属基复合粉末的制备流程。

Description

一种制备纳米颗粒增强金属基复合粉末的气雾化喷盘
技术领域
本发明涉及冶金粉末制备技术领域，具体涉及一种制备纳米颗粒增强金属基复合粉末的气雾化喷盘。
背景技术
近年来，交通运输、航空航天和新能源等高科技产业科技迭代速度加快，推动先进智能制造产业迅速转型升级，结合3D打印工艺特点，研制兼具高温强度、耐磨损、耐离子或中子辐射、高导热和抗氧化等性能的复杂工件已经在航天发动机、核反应堆、集成电路等前沿领域有了特定应用。金属基复合材料(MMCs)由其高比强度、比模量、高导热性、耐热性、耐磨性、低热膨胀性等优异的综合性能而备受关注，高度弥散分布的第二相颗粒与基体共格时，强度提升源自共格强化、模量错配强化和有序强化，分布在晶界或再结晶晶粒的边缘上时，能够获得强度-塑性协同提升。当第二相尺寸大于临界尺寸或与基体不共格时，运动位错通过Orowan绕过强化机制绕过第二相颗粒，形成位错环，强化基体。例如铝基高导热复合材料、镍/铁基ODS合金、钛基高比强复合材料等已经有广泛应用。
增材制造(3D打印)技术是近十年飞速发展的一项近净成形和快速制造技术，它基于离散-堆积原理，根据三维计算机数字模型，采用逐层堆积的方法直接成形零部件，实现产品的直接3D打印成形，作为一种颠覆性的制造技术，在生物医疗、航空航天、装备制造等领域具有广泛的应用前景，与大数据、云计算、物联网、机器人等技术一起构成未来智能制造平台。增材制造用金属粉末对氧含量、球形度、粒度分布、原材料纯度等要求较高，随着增材制造技术在各个领域的快速推广应用，扩大了球形雾化粉末的市场需求。气雾化过程是在惰性气氛下(通常为氮气、氩气)，高温金属熔体以稳定的液流通过喷盘，进入雾化室，受到高速气流剧烈的冲击作用，瞬间被破碎成微细金属液滴，液滴在沉降过程中受表面张力作用，逐渐球化并最终凝固成球状粉末。气雾化粉末粒度可通过喷盘结构及气体压力调控，气雾化制备合金粉末具有粉末球形度优异，产能高的优点，是目前商用增材制造用金属粉末的主要制备方法。
纳米颗粒增强金属基复合粉末的制备是指通过一定方式实现金属基体粉末与纳米颗粒的冶金结合，目前常采用机械合金化的方式，其是在磨球的作用下使纳米颗粒与基体粉末长时间经受反复的变形、冷焊、破碎，从而获得纳米颗粒增强金属基复合粉末的一种粉末制备技术。但是目前机械合金化实现粉末冶金结合难以应用于增材制造，如Fe、Al、Ti等金属元素在机械合金化过程中容易氧化，使合金性能下降；长时间球磨容易引入磨球介质夹杂，粉末成分不可控，纳米颗粒均匀分散性差，最终影响力学性能；机械合金化粉末大多是非球形粉，流动性和填充性能差，无法通过直接能量沉积或粉末床熔融等方式进行打印成形。
在目前已经应用或已报道的喷盘中，还没有涉及到能实现制备纳米颗粒增强金属基复合粉末的新型雾化喷盘(使雾化制粉与纳米颗粒增强同步完成的喷盘)，因此，基于气雾化粉末球形度高、无夹杂、低氧含量等优势，开发一种能直接雾化制备纳米颗粒增强MMCs粉末的喷盘有较大的应用前景，也有迫切的工业化需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种制备纳米颗粒增强金属基复合粉末的气雾化喷盘，以便实现雾化制粉与纳米颗粒增强同步完成，提升复合粉末的工业化生产效率，减少能源消耗，降低生产成本，降低粉体氧含量，提升粉末成分稳定性，大大缩减纳米颗粒增强金属基复合粉末的制备流程。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种制备纳米颗粒增强金属基复合粉末的气雾化喷盘，包括密封装配的喷盘主体、喷盘上片和喷盘下片，所述喷盘上片的中心设置有金属液流通道，所述喷盘主体上设置有第一进气口、第一气室、第二进气口和第二气室，所述第一进气口与第一气室连通，所述第二进气口与第二气室连通；所述喷盘上片下部外周面与喷盘主体之间形成连通第一气室的第一喷嘴，所述喷盘下片上部内周面与喷盘主体之间形成连通第二气室的第二喷嘴。
进一步，所述喷盘上片的下段呈倒锥形状，所述喷盘主体上形成与喷盘上片的下段匹配的倒锥形孔。
进一步，所述喷盘下片的顶部设置倒锥形孔，所述喷盘主体上形成与该倒锥形孔匹配的倒锥形段。
进一步，所述喷盘主体、喷盘上片和喷盘下片之间可拆卸式密封装配。
进一步，所述第一喷嘴和第二喷嘴均为环缝式或环孔式结构。
进一步，所述第一进气口和第二进气口均开设在喷盘主体的周面。
本发明的有益效果：
本申请的制备纳米颗粒增强金属基复合粉末的气雾化喷盘，包括密封装配的喷盘主体、喷盘上片和喷盘下片，所述喷盘上片的中心设置有金属液流通道，所述喷盘主体上设置有第一进气口、第一气室、第二进气口和第二气室，所述第一进气口与第一气室连通，所述第二进气口与第二气室连通；所述喷盘上片下部外周面与喷盘主体之间形成连通第一气室的第一喷嘴，所述喷盘下片上部内周面与喷盘主体之间形成连通第二气室的第二喷嘴。本申请的喷盘，实现了金属基体雾化制粉与纳米颗粒增强同步完成，提升了复合粉末的工业化生产效率，减少了能耗，降低了生产成本和粉体氧含量，提升了粉末成分稳定性，大大缩减了纳米颗粒增强金属基复合粉末的制备流程。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明优选实施例的结构示意图；
图2为本发明合金粉末型态示意图；
图3为合金粉体型态与喷嘴的位置关系图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。显然,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。
如图1所示，本实施例的制备纳米颗粒增强金属基复合粉末的气雾化喷盘，包括通过密封件实现密封装配的喷盘主体2、喷盘上片1和喷盘下片9，所述喷盘主体2、喷盘上片1和喷盘下片9之间可拆卸连接，以便通过拆卸的方式清理各构件的内腔，防止多炉次之间所用的不同纳米颗粒相互混合，影响成品复合粉末的成分，最终影响合金性能，有利于提升粉末成分稳定性。为提高整体结构的紧凑性，优选地，所述喷盘上片1的下段呈倒锥形状，所述喷盘主体2上形成与喷盘上片的下段匹配的倒锥形孔；所述喷盘下片9的顶部设置倒锥形孔，所述喷盘主体2上形成与该倒锥形孔匹配的倒锥形段。
所述喷盘上片1的中心设置有金属液流通道11，为待雾化的金属液流12的进入通道，实际应用过程中，确保金属液流通道11的进料端微正压，出料端微负压，稳定熔炼室保护气体和金属液流的流速，避免返喷。
所述喷盘主体2上设置有第一进气口3、第一气室10、第二进气口4和第二气室8，所述第一进气口3和第二进气口4均开设在喷盘主体的周面，所述第一进气口3与第一气室10连通而构成第一介质流通道，所述喷盘上片1下部外周面与喷盘主体2之间形成连通第一气室的第一喷嘴14，第一介质流5流经第一介质流通道后从第一喷嘴14喷出；所述第二进气口4与第二气室8连通而构成第二介质流通道，所述喷盘下片9上部内周面与喷盘主体2之间形成连通第二气室的第二喷嘴13，第二介质流7流经第二介质流通道后从第二喷嘴13喷出；所述金属液流11、第一介质流5和第二介质流7在喷嘴下方形成反应区6。
所述第一介质流和第二介质流的介质类型按需选定，其中一种为用于金属液流雾化成粒的由纯净气体构成的雾化气流，另一种为纳米颗粒流；介质流的压力、流量、温度等参数独立调节，优选地，用于雾化金属熔体的雾化气流压力较高，而纳米颗粒流压力较低。
在实际应用过程中，金属液流周边的气路应优先保证气流的稳态，采取利于雾化的设计，避免返喷、扰流等；用于雾化的雾化气流的气路优先考虑提高气流动能、减少气体消耗的设计，拉瓦尔和超声等技术均可使用；纳米颗粒流优先考虑气路输送顺畅、粉体投射均匀、焦点适中，减少存粉和拥堵。气路设计是一个逐渐优化和匹配的问题，还可以采用压力、流量调节的手段。
所述第一介质流通道和第二介质流通道空间交叉，各自独立互不干涉；所述第一喷嘴和第二喷嘴均为环缝式或环孔式结构，采用该种结构设计，气流行程短，动能衰减少，利于雾化气流和纳米颗粒的输送；第一喷嘴和第二喷嘴的喷射角度有严格要求，不允许喷射介质流出现交叉，因为这样会造成介质流的严重衰减，甚至形成气流扰动，直接影响作用的效果，甚至还会诱发返喷等故障。
本申请喷盘的核心思路为：在雾化过程中，可通过第一喷嘴喷射的高压气体对金属熔体起雾化作用，在颗粒收缩成球形的过程中，通过第二喷嘴喷射出纳米颗粒，粘附于未凝固的球形金属粉末表面，实现金属基雾化成粒和纳米颗粒附着同时进行；也可以由第一喷嘴携带纳米粉末先与熔融金属液流接触、附着、混合，瞬间通过第二喷嘴而雾化成复合粉末。该喷嘴可在不引入杂质的情况下制备多种低氧含量球形合金粉，进而实现批量并高效的制备多种纳米颗粒增强MMCs粉末的目的。
综上所述，针对不同金属基体及纳米增强颗粒，上述喷盘结构实现了在雾化金属粉末的同时将纳米颗粒与球形金属粉末复合的目的，实现了金属基体与纳米颗粒的冶金结合，可用于成型不同的合金粉末，使用分体式结构能降低喷盘的机加工难度，大大降低了加工成本；提升了复合粉末的工业化生产效率，减少了能耗，降低了生产成本和粉体氧含量，提升了粉末成分稳定性，大大缩减了纳米颗粒增强金属基复合粉末的制备流程。
此外，有必要补充说明的是：本申请的喷盘结构，通过对第一介质流和第一介质流种类、流速等的调控，能在反应区成型如图2所示的不同合金粉末型态，具体来说：
附着态合金粉：纳米颗粒附着合金粉末表面的粉末，纳米粉外露；
包裹态合金粉：合金成分包裹纳米颗粒的粉末，纳米粉在合金粉内部，成为内核；这可以理解为纳米粉在具有足够的动能，可以克服液态金属表面张力，能够穿透到液态金属内部的状态。
复合态合金粉：部分纳米颗粒附着于合金粉表面，部分纳米粉被包裹在合金粉内部，是附着态与包裹态的混合态粉体。
合金粉体型态与喷嘴的位置关系如图3所示，如果想获得附着态粉末，应该第一喷嘴喷射雾化气流，第二喷嘴喷射纳米粉，即金属液流先接触雾化气流，后接触附着气流，这样的效果是纳米粉在作用区与雾化后的金属液滴附着明显；
如果想获得包裹态粉末，应该第二喷嘴喷射雾化气流，第一喷嘴喷射纳米粉，这样的效果是纳米粉在作用区与雾化前的金属液流的穿透效果明显，而且雾化是对纳米粉附着穿透后的金属液雾化，进一步加强包裹的效果。
如想获得混合态粉末，第一喷嘴和第二喷嘴的喷射角应按同焦点设计，达到雾化和附着同时进行。
如果纳米粉昂贵，希望提高纳米粉利用率，即附着包裹优先，优选的第一喷嘴用于输送纳米粉。
为使上述技术方案更加清楚，下面列举一些具体的应用实例：
实施例1
采用本申请的气雾化喷盘用于稀土氧化物颗粒增强镍基高温合金复合粉末的制备，针对真空感应熔炼气雾化制备ODS镍基合金球形粉末，具体过程为：将MA754合金置于熔炼炉中，在镍基高温合金熔化并达到雾化要求温度时，倾倒到中间包，熔融镍基高温合金液流通过中间包漏眼流出进入喷嘴的金属液流通道，经过第一喷嘴高压气体将MA754合金液雾化成球形金属液滴；与此同时，第二介质流通道连接装满纳米氧化钇的供粉缸，气体带动纳米氧化钇粉末从第二喷嘴中喷出，使纳米氧化钇粉末附着于正在沉降的MA754合金球形液滴表面，形成附着态复合液滴，复合液滴继续沉降、逐渐凝固，形成氧化钇增强镍基ODS合金球形粉。
实施例2
采用本申请的气雾化喷盘用于球形纳米碳化硅颗粒增强铝基高导热复合粉末的制备，针对真空感应熔炼气雾化制备高导热铝基球形粉末，具体过程为：第一介质流通道连接装满纳米碳化硅的供粉缸，低压气体带动纳米碳化硅颗粒经过第一喷嘴喷射汇聚于中心熔体。将6XXX系合金置于熔炼炉中，在6XXX系合金熔化并达到雾化要求温度时，倾倒到中间包，熔融导热6XXX系合金液流通过中间包漏眼流出，流出的合金液首先会遇到从第一喷嘴喷出的夹带纳米碳化硅粉的气流，气流会将纳米碳化硅颗粒复合于熔体流中(表面或表层)，复合熔体流继续下移(瞬间)经过第二喷嘴喷出的高压雾化气体，被击碎并形成雾化合金液滴，纳米粉被包裹或分撒于微细液滴中，成以包裹态为主的球形金属粉末，形成包裹态粉末，得到碳化硅增强铝合金复合球形粉。
实施例3
采用本申请的气雾化喷盘用于球形纳米氧化铝颗粒增强铜高强高导复合粉末的制备，针对感应熔炼气雾化制备铜合金球形粉末，具体过程为：将铜合金置于真空电极感应熔炼炉中，第一喷嘴和第二喷嘴喷射角同焦点，第一介质流通道连接装满纳米氧化铝的供粉缸，第二介质流通道连通高压雾化气体，对高强高导铜合金雾化，会形成复合态粉末，得到氧化铝增强弥散铜合金复合球形粉。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的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宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种制备纳米颗粒增强金属基复合粉末的气雾化喷盘，包括密封装配的喷盘主体(2)、喷盘上片(1)和喷盘下片(9)，所述喷盘上片的中心设置有金属液流通道(11)，其特征在于：所述喷盘主体上设置有第一进气口(3)、第一气室(10)、第二进气口(4)和第二气室(8)，所述第一进气口与第一气室连通，所述第二进气口与第二气室连通；所述喷盘上片下部外周面与喷盘主体之间形成连通第一气室的第一喷嘴(14)，所述喷盘下片上部内周面与喷盘主体之间形成连通第二气室的第二喷嘴(13)；在雾化过程中，通过第一喷嘴喷射的高压气体对金属熔体起雾化作用，在颗粒收缩成球形的过程中，通过第二喷嘴喷射出纳米颗粒，粘附于未凝固的球形金属粉末表面，实现金属基雾化成粒和纳米颗粒附着同时进行；或者由第一喷嘴携带纳米粉末先与熔融金属液流接触、附着、混合，瞬间通过第二喷嘴而雾化成复合粉末；
第一喷嘴喷射雾化气流，第二喷嘴喷射纳米粉，获得附着态粉末；第二喷嘴喷射雾化气流，第一喷嘴喷射纳米粉，获得包裹态粉末；第一喷嘴和第二喷嘴的喷射角按同焦点设计，获得混合态粉末。
2.根据权利要求1所述的制备纳米颗粒增强金属基复合粉末的气雾化喷盘，其特征在于：所述喷盘上片(1)的下段呈倒锥形状，所述喷盘主体(2)上形成与喷盘上片的下段匹配的倒锥形孔。
3.根据权利要求2所述的制备纳米颗粒增强金属基复合粉末的气雾化喷盘，其特征在于：所述喷盘下片(9)的顶部设置倒锥形孔，所述喷盘主体(2)上形成与该倒锥形孔匹配的倒锥形段。
4.根据权利要求3所述的制备纳米颗粒增强金属基复合粉末的气雾化喷盘，其特征在于：所述喷盘主体(2)、喷盘上片(1)和喷盘下片(9)之间可拆卸式密封装配。
5.根据权利要求4所述的制备纳米颗粒增强金属基复合粉末的气雾化喷盘，其特征在于：所述第一喷嘴(14)和第二喷嘴(13)均为环缝式或环孔式结构。
6.根据权利要求5所述的制备纳米颗粒增强金属基复合粉末的气雾化喷盘，其特征在于：所述第一进气口(3)和第二进气口(4)均开设在喷盘主体的周面。
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