CN115070036A - 用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘，包括离心盘和连接套，所述离心盘用于承载金属液体的盘面下方形成有空腔；所述连接套用于将驱动装置的动力传递至离心盘并具能够使离心盘的空腔内充满流动的冷却水，且当金属液体在盘面上凝固形成的固体层厚度达到设定值时，空腔内的冷却水能够与固体层上方的金属液体建立稳态热传导。本发明采用水冷降温方式对离心盘进行冷却，使其熔融金属在离心盘表面形成特定厚度的金属固体层，这样液态金属就不会侵蚀离心盘，而且可以消除离心盘对熔融金属液体的污染，能够增强金属雾化颗粒的润湿性，使雾化颗粒的直径更小。

Description

用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘

技术领域

本发明属于金属喷射沉积领域，具体涉及一种用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘。

背景技术

喷射成形是熔融金属或合金在惰性气氛中借助高压惰性气体或机械离心雾化形成颗粒，并直接喷到较冷的基底上，产生撞击、粘接、凝固而形成沉积物，沉积物可通过各种致密化加工得到性能优异的材料。

由于气雾化成形惰性气体消耗量较大，且消耗的气体不具备回收性，经济效益差，同时，在环形坯件的成形过程中相较于离心喷射成形不占明显优势，因此离心喷射成形在环状构件成形过程中具有特殊优势，而离心喷射成形的离心盘一般不经过特殊处理，很难针对高温金属(如钛)或长时间进行离心喷射，离心盘的温度若不能及时得到降低，熔融的金属液将会对离心盘造成烧蚀损坏，破坏离心盘表面的光滑性，进而影响环状坯件的成形质量。

发明内容

为了保护离心盘不会被烧蚀损坏、提高离心喷射成形环状坯件质量，且冷却介质便于回收利用，本发明的目的在于提供一种用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘，包括离心盘和连接套，所述离心盘用于承载金属液体的盘面下方形成有空腔；所述连接套用于将驱动装置的动力传递至离心盘并具能够使离心盘的空腔内充满流动的冷却水，且当金属液体在盘面上凝固形成的固体层厚度达到设定值时，空腔内的冷却水能够与固体层上方的金属液体建立稳态热传导。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘,其中所述的连接套上设有用于向离心盘空腔输送冷却水的一个进水孔和用于将离心盘内冷却水排出的多个排水孔，且所述进水孔位于连接套中间，排水孔绕进水孔均布。

前述的用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘,其中所述的连接套与离心盘之间通过螺纹实现固接。

前述的用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘,当冷却水与金属液体建立稳态热传导时，离心盘和固体层之间存在以下关系：

其中，k_金为固体层金属的热导率，k_盘为离心盘的热导率，H_金为固体层金属的设定厚度，H_盘为离心盘盘面厚度，T_熔为金属熔点温度，T_固为固体层与离心盘盘面之间温度，T_水为冷却水的最高温度。

前述的用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘,固体层金属的设定厚度H_金为0.1-2mm。

前述的用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘,冷却水的流量通过以下公式计算：

根据导热公式对冷却水的流量进行量化，

其中，ρ_水为冷却水的密度，c_水为冷却水的比热容，Q_水为冷却水的流量，T₀为冷却水的初始温度，S_盘离心盘的表面积；

计算离心盘面积，

其中，d_盘为离心盘直径；

将公式(2)代入公式(1)得到冷却水流量。

前述的用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘,液态金属的流量可由下式获得：

0.5ρ_金c_金Q_金△T＝ρ_水c_水Q_水(T_水-T₀)

其中，ρ_金为金属的密度，c_金为金属的比热容，Q_金为金属的流量，△T为金属的过热度。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

液态金属通过导流管撞击在离心盘后，液态金属开始在离心盘上冷却然后凝固成固体层，通过凝固的固体层对离心盘进行保护。如果凝固层太厚，导致材料产量降低，喷射成形条件恶化，并增加不稳定的倾向；如果凝固层太薄，液态金属流动中的任何波动都可能使其重新熔化，破坏对液态金属与离心盘之间直接接触的保护。而液体金属在离心盘上的冷却凝固是一个复杂的过程，涉及流体流动、相变、传导、辐射等因素，因此本发明将热流视为一维定常问题，从液态金属到冷却水的传热可以认为是主要的机理。一旦液态金属与冷却水稳态建立，离心盘凝固层上的液态金属流动就不会凝固，金属液膜与凝固层顶面处的温度维持在金属的熔点，金属液膜顶部表面的温度很可能保持在浇注温度，从而实现喷射高温金属或连续喷射的目的。

本发明采用水冷降温方式对离心盘进行冷却，使其熔融金属在离心盘表面形成一层薄薄的金属固体层，这样液态金属就不会侵蚀离心盘，而且可以消除离心盘对熔融金属液体的污染，能够增强金属雾化颗粒的润湿性，使雾化颗粒的直径更小。

本发明水冷式降温离心盘通过量化进入离心盘空腔内冷却水的流量，保证熔融的金属液体可以在离心盘表层形成一层0.1-2mm范围内的固体层，同时，该方法还具有了量化离心盘厚度和金属液流量的作用。本发明能够通过冷却水的流量控制离心盘表面凝固的固体层的厚度，进而对离心喷射的金属流量进行量化，在冷却水流量、金属流量、离心盘厚度之间建立一个平衡过程来达到保护离心盘的目的，同时为设计离心盘尺寸、冷却水进出口尺寸提高了量化依据。

附图说明

图1为一种用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘的结构示意图；

图2为一种用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘连接套的结构示意图；

图3为图2的仰视图；

图4为一种用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘使用状态的结构示意图。

【主要元件符号说明】

1:离心盘

2:连接套

3：固体层

4：导流管

5：进水孔

6：排水孔

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1-4，其为本发明用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘的各部分结构示意图，该水冷式降温离心盘包括离心盘1和连接套2，其中所述离心盘1包括盘体11和支撑杆12，所述盘体11包括用于承载金属液体的盘面15和形成于该盘面下方的第一空腔13，所述支撑杆12内具有沿轴向延伸且与所述第一空腔13连通的第二空腔14，连接套2伸入该支撑杆12的第二空腔14内并与该支撑杆12固接。该连接套2能够向第一腔体13和第二腔体14内输送冷却水，并能够在盘面15上表面形成有设定厚度的金属固体层时与该固体层表面的液态金属建立稳态热传导，使得该固体层厚度保持不变。

在该实施例中，所述支撑杆12与连接套2之间通过螺纹实现连接固定；所述盘体11和支撑杆12一体成型。所述离心盘1和连接套2同轴设置，所述连接套2通过其他装置与旋转电机连接，从而实现离心盘1的旋转驱动。

所述连接套2通过其上的进水孔5将新鲜冷却水送入第二空腔14和第一空腔13，对盘面15进行冷却，该连接套2上还设有用于将第一空腔13和第二空腔14内的冷却水排出，实现冷却水更换和循环的排水孔6。即该连接套2能够为离心盘1提供稳定可靠的水冷系统，且在盘面15表面形成的金属固体层3的厚度达到设定值时，该水冷系统与离心盘1表面承载的液态金属建立稳态热传导，使得离心盘1表面由液态金属形成的固体层3能够保持在设定的厚度，由液态金属形成的金属液膜底部与固定层3顶面处的温度维持在金属的熔点，此时，金属液膜顶部表面的温度可保持在浇注温度，由此使得固定层3厚度不会增加，也不会重新融化，使得该离心盘1表面始终具有合适厚度的保护层，从而实现喷射高温金属或连续喷射的目的。较佳的，所述固体层的设定厚度为0.1-2mm。

在该实施例中，所述进水孔5有一个，位于连接套2中间位置且沿轴向延伸，所述排水孔6有多个，其绕进水孔5均匀分布，且沿轴向延伸，且进水孔5的直径远大于排水孔6的直径，进水孔5的直径等于所有排水孔6直径的和。

下面对离心盘稳态建立过程进行计算，根据一维稳态问题的传热过程可知：

上式中，k_金为凝固层金属的热导率，k_盘为离心盘的热导率，H_金为金属凝固形成的固体层的设定厚度，一般为0.1-2mm，H_盘为离心盘盘面的厚度，T_熔为金属熔点温度，T_固为固体层与离心盘盘面之间温度，一般比金属熔点低100℃，T_水为冷却水的最高温度，一般为75-95℃。

通过一维稳态问题的传热过程可求得离心盘厚度H_盘。

在获得离心盘厚度后，根据导热公式对冷却水的流量进行量化。

上式中，ρ_水为冷却水的密度，c_水为冷却水的比热容，Q_水为冷却水的流量，T₀为冷却水的初始温度，一般为25℃，S_盘为离心盘的表面积。

上式中，d_盘为离心盘直径。

在得到冷却水Q_水的流量，可计算在流速一定的情况下，冷却水进水孔尺寸。

Q_水＝v_水S_进

上式中，S_进为进水孔5截面积，d_进为进水孔5直径。

上式中，n为排水孔6的数量，d_出为单个排水孔6的直径。

在获得冷却水流量后，对通过导流管4流向离心盘1的金属流量进行量化，假设液态金属热损为过热度的一半，等于冷却水带走的热量，那么可知液态金属的流量可由下式获得。

0.5ρ_金c_金Q_金△T＝ρ_水c_水Q_水(T_水-T₀)

上式中，ρ_金为金属的密度，c_金为金属的比热容，Q_金为金属的流量，△T为金属的过热度，一般为100℃。

基于上述计算，本发明能够通过冷却水的流量控制离心盘表面凝固的固体层的厚度，进而对离心喷射的金属流量进行量化，在冷却水流量、金属流量、离心盘厚度之间建立一个平衡过程来达到保护离心盘的目的，同时为设计离心盘尺寸、冷却水进出口尺寸提高了量化依据。

以下是一个具体的实施案例，说明冷却水流量、金属流量、离心盘厚度、进水孔尺寸、排水孔尺寸的计算方式。

已知离心盘1的直径60mm；冷却水流速为0.4m/s；离心盘材质为纯铜，金属液流为铝液。

根据一维稳态问题的传热过程可知：

上式中，k_金为固体层金属的热导率，值为237W/(m·k)；k_盘为离心盘的热导率，值为401W/(m·k)；H_金为固体层金属设定厚度，取值为1mm，H_盘为离心盘盘面部分的厚度，T_熔为金属熔点温度，值为660℃，T_固为凝固层与离心盘之间温度，值为560℃，T_水为冷却水的最高温度，值为90℃。

根据公式可求得离心盘厚度

离心盘表面积：

根据一维稳态导热，求得冷却水流量。

上式中，ρ_水为水的密度，值为998kg/m³，c_水为水的比热容，值为4200J/kg·℃，Q_水为水的流量，T₀为水的初始温度，值为25℃，S_盘离心盘的表面积，值为2.826×10^-3m²。

冷却水流量：

液态金属流量：

冷却水进口尺寸：

为了便于后续零件加工和计算，取冷却水进孔直径为30mm，

选取排水孔数量为6个，那个每个排水孔直径为5mm

综上计算，直径为60mm的离心盘，冷却水流速为0.4m/s的情况下，在金属液体的流量为5.36×10^-4m³/s，离心盘厚度应为8mm,冷却水进孔为30mm，排水孔数量为6个，排水孔直径为5mm，可以在离心盘表面形成稳定的1mm厚的固体层，有效保护离心盘不受烧蚀损坏，且能保证高效喷射成形。

在本发明实施例中，所述液态金属由导流管进入离心盘表面的同时冷却水由连接套2进入离心盘1的腔体内，对离心盘进行冷却。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘，其特征在于：包括离心盘和连接套，所述离心盘用于承载金属液体的盘面下方形成有空腔；所述连接套用于将驱动装置的动力传递至离心盘并具能够使离心盘的空腔内充满流动的冷却水，且当金属液体在盘面上凝固形成的固体层厚度达到设定值时，空腔内的冷却水能够与固体层上方的金属液体建立稳态热传导。

2.根据权利要求1所述的用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘,其特征在于：所述连接套上设有用于向离心盘空腔输送冷却水的一个进水孔和用于将离心盘内冷却水排出的多个排水孔，且所述进水孔位于连接套中间，排水孔绕进水孔均布。

3.根据权利要求1所述的用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘,其特征在于：其中所述的连接套与离心盘之间通过螺纹实现固接。

4.根据权利要求1所述的用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘,其特征在于：当冷却水与金属液体建立稳态热传导时，离心盘和固体层之间存在以下关系：

其中，k_金为固体层金属的热导率，k_盘为离心盘的热导率，H_金为固体层金属的设定厚度，H_盘为离心盘盘面厚度，T_熔为金属熔点温度，T_固为固体层与离心盘盘面之间温度，T_水为冷却水的最高温度。

5.根据权利要求4所述的用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘,其特征在于：固体层金属的设定厚度H_金为0.1-2mm。

6.根据权利要求4所述的用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘,其特征在于：冷却水的流量通过以下公式计算：

根据导热公式对冷却水的流量进行量化，

其中，ρ_水为冷却水的密度，c_水为冷却水的比热容，Q_水为冷却水的流量，T₀为冷却水的初始温度，S_盘离心盘的表面积；

计算离心盘面积，

其中，d_盘为离心盘直径；

将公式(2)代入公式(1)得到冷却水流量。

7.根据权利要求6所述的用于离心喷射成形的水冷式降温离心盘,其特征在于：液态金属的流量可由下式获得：

0.5ρ_金c_金Q_金△T＝ρ_水c_水Q_水(T_水-T₀)

其中，ρ_金为金属的密度，c_金为金属的比热容，Q_金为金属的流量，△T为金属的过热度。

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