CN113751706B - 纯净化工艺降低粉末高温合金氧含量的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于粉末处理技术领域，公开了一种纯净化工艺降低粉末高温合金氧含量的方法及装置，高温合金粉末在分离室内受匀速流动的高纯氩气冲击分散，不同粒径的粉末颗粒合力矢量不同在气流作用下发生分离，利用除尘装置去除细微粉末，将分离后的较粗的粉末收集于粉罐中，由于细微粉末氧含量较高，通过该方法分离粉末可以达到降低氧含量的目的。相比于现有物理筛分和涡轮气流分级方法，本发明不会引入非粉末颗粒夹杂物并能显著降低成本。

Description

纯净化工艺降低粉末高温合金氧含量的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种纯净化工艺降低粉末高温合金氧含量的方法及装置，属于粉末处理技术领域。
背景技术
粉末冶金高温合金盘件是推重比8以上先进航空发动机低压涡轮盘、高压涡轮盘以及压气机盘等核心部件的设计首选，其冶金质量和性能水平对于发动机和飞机的可靠性和安全寿命具有决定性的影响。高温合金粉末是制备粉末高温合金盘件的关键材料，其氧含量水平对最终盘件力学性能有直接的影响，较高的氧含量水平会恶化盘件力学性能从而在服役过程中导致失效，因此对于制备氧含量较低的高温合金粉末是目前所需解决的关键技术之一。然而由于高温合金粉末粒度集中在100微米以下，随着粒度的降低比表面积呈指数性增大，极大的比表面积会导致粉末表面吸附大量的氧以及水合物，从而出现粉末粒度越细氧含量越高的现象。国内外研究机构提出了一系列方法，如真空动态/静态除气、还原法、气流分级法等，其中真空动态/静态除气对于固态水合物中的氧元素去除效果不佳，还原法则会引入还原剂对原始粉末造成污染，气流分级法由于内部使用涡轮，在旋转轴承处会掉入夹杂物，不满足粉末冶金高温合金盘件纯净化要求。
基于此本发明提出了一种利用惰性气流层流流动去除细微粉末从而达到降低高温合金粉末氧含量的纯净化处理方法，该方法相比筛分和气流分级法具有氧含量降低效果好和不引入夹杂物的优点。
发明内容
本发明的目的是：本发明针对现有航空发动机粉末盘用高温合金粉末氧含量偏高的问题，提出了一种纯净化工艺降低粉末高温合金氧含量的方法，有助于快速纯净化的去除细微高温合金粉末，最终达到降低高温合金粉末氧含量的目的。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一方面，提供一种纯净化工艺降低粉末高温合金氧含量的方法，采用惰性气体为介质，控制惰性气体流动为层流状态，利用高温合金粉末颗粒合力矢量的不同将细微粉末分离，降低细微粉末占比，从而达到降低高温合金粉末氧含量的目的，包括以下步骤：
步骤（1）控制惰性气体为层流状态输送；
步骤（2）均匀送粉；
步骤（3）粉末收集。
所述步骤（1）实现过程为：
惰性气体气源通过管路与分离室连接；分离室为细长不锈钢管；
分离室内壁粗糙度不低于Ra3.2μm；
分离室直径根据粉末原始状态，利用惰性气体临界雷诺数计算公式得到；
粉末原始状态是指：粉末密度和要分离的临界粒度尺寸。
另一方面，提供一种纯净化工艺降低粉末高温合金氧含量的装置，所述装置包含：储粉罐、振动送粉器、分离室、收粉罐、除尘器、惰性气体气源；
惰性气体气源通过管路与分离室连接，管路设置流量计、球阀和流量调节阀；
振动送粉器连接储粉罐和分离室，连接管路设置球阀控制输入振动送粉机构的粉末数量；振动送粉器包含送粉腔和振动器；
分离室竖直安装，上端接除尘器；下端与收粉罐连接；细微粉末采用除尘器收集；较粗粉末采用收粉罐自由降落收集，通过球阀与分离室连接。
所述惰性气体为高纯净氩气；高纯净氩气纯度为99.999%。
分离室材质为不锈钢316L。
当所述粉末为镍基高温合金粉末时；气体层流分离装置参数如下：
调节气源压力不超过2bar，调节氩气流量不超过40L/min。分离室直径不超过50mm。振动器频率保持在50Hz-100Hz，水平夹角为3°~5°。除尘器压差不低于10kPa。
本发明的有益效果是：
由于先进航空发动机粉末涡轮盘要求粉末具有较低的氧含量，而现有降低氧含量的技术不能兼顾纯净化和高效率的特点，另辟蹊径，从气流分层原理角度提出本发明的方法：
（1）采用本发明的方法处理的高温合金粉末能有效降低氧含量，从而提高航空发动机粉末冶金盘件力学性能。
（2）本发明处理高温合金粉末过程纯净化水平高（过程中不与外界环境接触），不会引入外来夹杂物。
（3）本发明在处理过程中对粉末的损耗较小。
（4）采用本发明的方法处理高温合金粉末，所需装置具有结构简单，工艺稳定性高以及易于维护的特点。
附图说明
图1为本发明设计的高温合金粉末惰性气体层流分离装置；
图中：1-收粉罐，2-气瓶，3-压力调节阀，4-球阀，5-流量调节阀，6-流量计，7-进气管，8-振动送粉器，9-储粉罐，10-送粉管，11-粉末分散器，12-分离室，13-细微粉末排出管，14-除尘器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
根据本发明的纯净化工艺降低粉末高温合金氧含量的方法设计的装置如图1所示，高温合金粉末惰性气体层流分离装置包含：收粉罐1、气瓶2、压力调节阀3、球阀4、流量调节阀5、流量计6、进气管7、振动送粉器8、储粉罐9、送粉管10、粉末分散器、分离室12、细微粉末排出管13、除尘器14。
收粉罐1通过球阀4与分离室12连接；气瓶2配有压力调节阀3通过球阀4、流量调节阀5以及流量计6与分离室12连接；储粉罐9通过球阀4与振动送粉器8相连；振动送粉器8通过送粉管10与分离室12相连；除尘器14通过细微粉末排出管13与分离室12上端连接；在分离室12内部安装有粉末分散器11，用于将从送粉管10进入的粉末进行减速和分散。
分离室为细长不锈钢管，材质为不锈钢316L；分离室内壁粗糙度不低于Ra3.2μm；
分离室直径根据粉末原始状态，利用惰性气体临界雷诺数计算公式得到；其中，粉末原始状态是指粉末密度和要分离的临界粒度尺寸；
分离室尺寸计算公式如下：
Figure SMS_1
其中d为分离室直径，ρ为氩气密度，
Figure SMS_2
为氩气流量，/>
Figure SMS_3
为湍流临界雷诺数，/>
Figure SMS_4
为氩气粘度系数，基于现有氩气瓶流速，计算得到分离室直径d为50mm；
其工作过程如下：
（a）将高温合金粉末惰性气体层流分离装置连接，具体为用将气瓶、球阀、流量调节阀以及流量计与进气管相连；将细微粉末排出管与除尘器相连；将收粉末罐和球阀与分离室相连；将储粉罐、振动送粉器以及送粉管与分离室依次相连；保证连接部位无漏气现象出现。
（b）调节气瓶压力调节阀，保持压力为1.2bar，打开进气管路球阀和除尘器开关，利用流量调节阀调整氩气流量为20L/min。
（c）打开振动送粉器电源开关，调节振动频率为80Hz，保持送粉器水平夹角3°，打开储粉罐球阀，储粉罐中高温合金粉末在重力作用下流动至振动送粉器。
（d）振动送粉器均匀的将粉末通过送粉管匀速注入分离室，并落到粉末分散装置，将粉末均匀散开，细微粉末会随着步骤（b）中的产生的层流流动的氩气气流通过细微粉末排出管流动至除尘器，较粗的粉末在重力作用下流入收粉罐中。
（e）调节步骤（b）中的氩气流量为40L/min，重复步骤（c）（d）。
（f）收集收粉罐中的高温合金粉末，利用氧氮分析仪测试氧含量，经过分析对比原始高温合金粉末氧含量为160ppm，采用气流量20L/min工艺条件氧含量降低为132ppm，采用气流量40L/min工艺条件氧含量降低为98ppm。根据要求的氧含量指标控制合适的气流量即可达到显著的效果。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种纯净化工艺降低粉末高温合金氧含量的方法，其特征在于：采用惰性气体为介质，控制惰性气体流动为层流状态，利用高温合金粉末颗粒合力矢量的不同将细微粉末分离，降低细微粉末占比，包括以下步骤：
步骤一、通过装置控制惰性气体为层流状态输送；
所述装置包含：储粉罐、振动送粉器、分离室、收粉罐、除尘器、惰性气体气源；
惰性气体气源通过管路与分离室连接，管路设置流量计、球阀和流量调节阀；
振动送粉器连接储粉罐和分离室，连接管路设置球阀控制输入振动送粉机构的粉末数量；振动送粉器包含送粉腔和振动器；
分离室竖直安装，上端接除尘器；下端与收粉罐连接；在分离室内部安装有粉末分散器，用于将从送粉管进入的粉末进行减速和分散；
惰性气体气源通过管路与分离室连接；分离室为细长不锈钢管；分离室内壁粗糙度不低于Ra3.2μm；气源压力不超过2bar，所述惰性气体为高纯净氩气，调节氩气流量不超过40L/min；
分离室直径不超过50mm，根据粉末原始状态，利用惰性气体临界雷诺数计算公式得到；
粉末原始状态是指：粉末密度和要分离的临界粒度尺寸；
所述粉末为镍基高温合金粉末；振动器频率保持在50Hz-100Hz，水平夹角为3°~5°；
步骤二、均匀送粉；
步骤三、粉末收集。
2.一种纯净化工艺降低粉末高温合金氧含量的装置，利用权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述装置包含：储粉罐、振动送粉器、分离室、收粉罐、除尘器、惰性气体气源；
惰性气体气源通过管路与分离室连接，管路设置流量计、球阀和流量调节阀；
振动送粉器连接储粉罐和分离室，连接管路设置球阀控制输入振动送粉机构的粉末数量；振动送粉器包含送粉腔和振动器；
分离室竖直安装，上端接除尘器；下端与收粉罐连接；在分离室内部安装有粉末分散器，用于将从送粉管进入的粉末进行减速和分散。
3.根据权利要求2所述的纯净化工艺降低粉末高温合金氧含量的装置，其特征在于，分离室材质为不锈钢316L。
4.根据权利要求2所述的纯净化工艺降低粉末高温合金氧含量的装置，其特征在于，除尘器压差不低于10kPa。
5.根据权利要求2所述的纯净化工艺降低粉末高温合金氧含量的装置，其特征在于，高纯净氩气纯度为99.999%。
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