CN116140621A - 增加喷射成形沉积体直径并减少孔隙率的雾化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增加喷射成形沉积体直径并减少孔隙率的雾化装置，包括：多喷嘴式的浇注机构、摆动式的雾化机构和旋转升降式沉积盘；旋转升降式沉积盘设于多喷嘴式的浇注机构的喷射距离和喷射面积范围内；摆动式的雾化机构用于调节多喷嘴式的浇注机构内雾化喷嘴的摆动幅度，雾化喷嘴喷射角度和数量与中间包的型砂造型以及浇注水口位置配套；摆动式的雾化机构内还设有旋转伺服电机和曲柄摇杆机构。本发明的有益效果是：采用的雾化装置，通过设置摆动式的雾化机构，通过设置摆动式的雾化机构中的曲柄摇杆机构的参数，带动气喷嘴扁轴在一定角度内往复式摆动，调节雾化喷嘴的喷射角度和摆动幅度，雾化喷嘴的喷射角度和摆动幅度决定喷射覆层区域的宽度。

Description

增加喷射成形沉积体直径并减少孔隙率的雾化装置

技术领域

本发明属于金属喷射成形技术领域，尤其涉及一种用于增加喷射成形沉积体直径并减少孔隙率的雾化装置。

背景技术

金属喷射成形技术是一种介于铸造冶金（IM）和粉末冶金（PM）之间的工艺，喷射沉积工艺冷凝快、晶粒细、气体含量低、无宏观偏析，沉积胚具有优异的力学性能。

金属喷射成形技术包括熔炼、雾化和沉积三个阶段；金属喷射成形技术的工作原理为：在密闭的喷射腔内，将金属熔液经高压惰性气体雾化为细小弥散的金属熔滴颗粒，再将金属熔滴颗粒在高速气体的作用下以较快的速率喷射至沉积盘。然而，大部分雾化后的金属熔滴到达沉积体端面时，已处于半固态，不具备扩散能力。初始沉积面的覆层范围决定了产品的最终尺寸。

现有金属喷射成形技术多采用固定式单喷嘴，固定式单喷嘴的喷嘴位置固定不动，然后以单射流喷射至沉积盘；现有金属喷射成形技术在产品的尺寸方面有限制，且由于中心和边缘处雾化等级差异，导致表层与芯部致密度不一致；表层与芯部致密度不一致在大直径规格的沉积体上更为明显。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种用于增加喷射成形沉积体直径并减少孔隙率的雾化装置。

这种增加喷射成形沉积体直径并减少孔隙率的雾化装置，包括：多喷嘴式的浇注机构、摆动式的雾化机构和旋转升降式沉积盘；旋转升降式沉积盘设于多喷嘴式的浇注机构的喷射距离和喷射面积范围内；摆动式的雾化机构用于调节多喷嘴式的浇注机构内雾化喷嘴的摆动幅度，雾化喷嘴喷射角度和数量与中间包的型砂造型以及浇注水口位置配套；

多喷嘴式的浇注机构包括中间包、雾化喷嘴、中间包支座、固定孔、气喷嘴扁轴、转动轴承和气体通道；中间包通过多个固定孔密封固定于中间包支座上；中间包底部设有多处浇注水口；气喷嘴扁轴上侧壁设有入液口，中间包底部的浇注水口处于入液口正上方且二者相互连通；雾化喷嘴设于气喷嘴扁轴的下侧壁，且与入液口密封连接；雾化喷嘴中心的喷口与雾化喷嘴的外壁之间还设有环状的气流出口；多根气体通道均密封固定连接对应的气喷嘴扁轴的内部通道，内部通道连通气流出口；每根气喷嘴扁轴两端部均套接转动轴承，转动轴承固定于中间包支座的外侧壁上；

摆动式的雾化机构包括旋转伺服电机和曲柄摇杆机构；旋转伺服电机连接曲柄摇杆机构的主动端，曲柄摇杆机构的多个从动端分别通过远离气体通道侧的多个转动轴承来连接气喷嘴扁轴；曲柄摇杆机构用于带动气喷嘴扁轴在一定角度内往复式摆动，令气喷嘴扁轴上的雾化喷嘴处于不同喷射位置和喷射角度；

旋转升降式沉积盘，包括沉积盘和旋转升降机构，沉积盘固定于旋转升降机构上；旋转升降机构包括转动装置和升降装置。

作为优选，曲柄摇杆机构包括曲柄、连杆、摇杆和机架；旋转伺服电机和雾化气体喷嘴所在的气喷嘴扁轴之间通过机架连接；曲柄的其中一个端部为固定端，另一端部为非固定端；连杆的两个端部均为非固定端；摇杆的其中一个端部为固定端，摇杆的另一个端部为非固定端；曲柄的固定端固定于旋转伺服电机的转动中心点，曲柄的非固定端活动连接连杆的一个非固定端，连杆的另一个非固定端活动连接摇杆的非固定端；摇杆的固定端固定于气喷嘴扁轴的摆动中心点。

作为优选，曲柄的非固定端通过铰链活动连接连杆的一个非固定端，连杆的另一个非固定端通过铰链活动连接摇杆的非固定端。

作为优选，每个雾化喷嘴中心的喷口用于喷出金属液，喷射角度可调。

作为优选，雾化喷嘴的喷射距离和覆盖沉积盘的表面积。

作为优选，中间包与所有浇注水口设于固定位置，能有效避免钢液溅出及漏钢。

作为优选，沉积盘底部的转动装置和升降装置的升降及转速可调，适宜生产不同规格沉积体。

作为优选，浇注水口的数量与口径可调，用于调节金属液的流量。

作为优选，多喷嘴式的浇注机构喷出的雾化射流沉积至沉积盘上，得到截面积为500000平方毫米的沉积坯，得到的沉积坯表面喷射覆层区域表层芯部组织均匀。

本发明的有益效果是：

本发明采用的雾化装置，通过设置摆动式的雾化机构，通过摆动式的雾化机构内的曲柄摇杆机构，带动气喷嘴扁轴在一定角度内往复式摆动，进而调节雾化喷嘴的喷射角度和摆动幅度，雾化喷嘴的喷射角度和摆动幅度决定喷射覆层区域的宽度。

本发明能调节喷嘴（喷射通道）的数量，配合沉积盘的自转速度及升降速度，采用位移的方式进行喷射或沉积，增加沉积体表面喷射覆层区域面积，喷射得到较大直径规格的沉积体；并减少喷射至沉积盘的金属熔液层的孔隙率，满足不同直径沉积锭的生产需求。

本发明的中间包上浇注水口的数量可调整，中间包底部并排设置多处浇注水口，能进一步增加可生产产品的直径；中间包及浇注水口的位置固定，能有效避免钢液溅出及漏钢；沉积盘为旋转升降机构，沉积盘底部的转动装置和升降装置的升降及转速可调；雾化喷嘴喷射角度和数量与中间包的型砂造型以及浇注水口位置配套。本发明得到的沉积体表面喷射覆层区域表层芯部组织均匀。

附图说明

图1为本发明的雾化装置整体结构示意图；

图2为本发明的雾化喷嘴喷出液滴示意图；

图3为本发明曲柄摇杆机构的工作原理图；

图4为本发明摆动式的雾化机构的结构示意图。

附图标记说明：中间包1、浇注水口2、雾化喷嘴3、喷射沉积锭4、沉积盘5、摆动幅度6、气流出口7、金属液8、金属液膜9、带状液滴10、椭圆状液滴11、球状液滴12、旋转伺服电机13、曲柄摇杆机构14、气喷嘴扁轴15、转动轴承16、气体通道17、曲柄18、连杆19、摇杆20、机架21、中间包支座22、固定孔23。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

作为一种实施例，如图1所示，这种增加喷射成形沉积体直径并减少孔隙率的雾化装置，包括：多喷嘴式的浇注机构、摆动式的雾化机构和旋转升降式沉积盘；旋转升降式沉积盘设于多喷嘴式的浇注机构的喷射距离和喷射面积范围内；摆动式的雾化机构用于调节多喷嘴式的浇注机构内雾化喷嘴3的摆动幅度6，雾化喷嘴喷射角度和数量与中间包的型砂造型以及浇注水口位置配套；

多喷嘴式的浇注机构包括中间包1、雾化喷嘴3、中间包支座22、固定孔23、气喷嘴扁轴15、转动轴承16和气体通道17；中间包1通过多个固定孔23密封固定于中间包支座22上；中间包1底部并排设有多处浇注水口2，能进一步增加可生产产品的直径；中间包1与所有浇注水口2设于固定位置，能有效避免钢液溅出及漏钢；气喷嘴扁轴15上侧壁设有入液口，中间包1底部的浇注水口2处于入液口正上方且二者相互连通；雾化喷嘴3设于气喷嘴扁轴15的下侧壁，且与入液口密封连接；雾化喷嘴中心的喷口与雾化喷嘴3的外壁之间还设有环状的气流出口7，喷口用于喷出金属液8，喷口的喷射角度可调，浇注水口2的数量与口径可调，用于调节金属液8的流量；多根气体通道17均密封固定连接对应的气喷嘴扁轴15的内部通道，内部通道连通气流出口7；每根气喷嘴扁轴15两端部均套接转动轴承16，转动轴承16固定于中间包支座22的外侧壁上；

如图4所示，摆动式的雾化机构包括旋转伺服电机13和曲柄摇杆机构14；旋转伺服电机13连接曲柄摇杆机构14的主动端，曲柄摇杆机构14的多个从动端分别通过远离气体通道17侧的多个转动轴承16来连接气喷嘴扁轴15；

如图3所示，曲柄摇杆机构14包括曲柄18、连杆19、摇杆20和机架21；旋转伺服电机13和雾化气体喷嘴所在的气喷嘴扁轴15之间通过机架21连接；曲柄18的其中一个端部为固定端，另一端部为非固定端；连杆19的两个端部均为非固定端；摇杆20的其中一个端部为固定端，摇杆的另一个端部为非固定端；曲柄18的固定端固定于旋转伺服电机13的转动中心点，曲柄18的非固定端活动连接连杆19的一个非固定端，连杆19的另一个非固定端活动连接摇杆20的非固定端；摇杆20的固定端固定于气喷嘴扁轴15的摆动中心点；

旋转升降式沉积盘，包括沉积盘5和旋转升降机构，沉积盘5固定于旋转升降机构上；旋转升降机构包括转动装置和升降装置；雾化喷嘴3的喷射距离和覆盖沉积盘5的表面积；沉积盘5底部的转动装置和升降装置的升降及转速可调；旋转升降沉积盘5的初始高度可在工艺范围内做调整，与中间包浇注水口的入射角度、雾化喷嘴3的摆角共同决定沉积点位置；旋转升降沉积盘5的升降速度与沉积锭的增长速度一致（生产时有监控标尺），能保持沉积点位置不偏移。

上述雾化装置工作时：

设曲柄18（图3中AB1和AB2）、连杆19（图3中B1C1和B2C2）、摇杆20（图3中DC1和DC2）、机架21（图3中AD）的机架长度分别为a，b，c，d；其中A为传动装置（旋转伺服电机）的转动中心点，D为从动装置（雾化气体喷嘴所在的气喷嘴扁轴）的摆动中心点；B1C1和B2C2为摆动极限位置；

机架21的长度由现场设备安装位置决定，固定后长度不变；摇杆20作为从动机构与气喷嘴扁轴15相连，使其往复式摆动；通过摆动式的雾化机构来调节雾化喷嘴3的摆动幅度6，调节喷口的喷射角度；

当机架21与摇杆20长度确定的情况下，连杆19与曲柄18的长度决定了摆动上下限位夹角∠α与∠β，以及摆角∠γ的大小。中间包浇注水口的入射角为α+1/2γ，根据余弦定理可得：

（a+b）²=c²+d²-2cdcosβ；

（b-a）²=c²+d²-2cdcosα；

依据生产所需摆角数值代入公式，计算出曲柄18与连杆19的长度；

摇杆20的摆动频率与曲柄18的转动频率一致；

根据曲柄18的长度、连杆19的长度和旋转伺服电机13的转动频率来控制雾化喷嘴3的摆动幅度及频率，从而精准的控制覆层范围；雾化喷嘴的摆动幅度不宜过大，易造成覆层边缘致密度差；

如图2所示，中间包1内的金属液8通过雾化喷嘴3上的喷口喷出，形成金属液膜9，雾化喷嘴中心的喷口与雾化喷嘴3的外壁之间还设有环状的气流出口7，气流出口7用于喷出气体，喷出的气体裹挟金属液膜9，将金属液膜9打散，形成带状液滴10、椭圆状液滴11和球状液滴12等，随着飞行距离的增加，绝大部分液滴最终转化为球状液滴12，雾化喷嘴3与旋转升降托盘间合理的位置及间距，使得雾化后的液滴恰好沉积于沉积盘5及随后生成的喷射沉积锭4的上表面，产生撞击、粘结、凝固，从而得到的外观直径一致，表层芯部组织均匀的圆柱状沉积体；

通过双喷嘴摆动式喷射雾化装置进行试验得出数据，目前此套设备可以生产直径800以内，高度2000喷射沉积坯产品，沉积坯冷凝速率>10⁴K/s，沉积速度>100kg/min，组织精细（平均晶粒度为0.9-20μm），致密度>98%，层面缺陷少，材料收得率>85%。

Claims (9)

1.增加喷射成形沉积体直径并减少孔隙率的雾化装置，其特征在于，包括：多喷嘴式的浇注机构、摆动式的雾化机构和旋转升降式沉积盘；旋转升降式沉积盘设于多喷嘴式的浇注机构的喷射距离和喷射面积范围内；摆动式的雾化机构用于调节多喷嘴式的浇注机构内雾化喷嘴（3）的摆动幅度（6）；

多喷嘴式的浇注机构包括中间包（1）、雾化喷嘴（3）、中间包支座（22）、固定孔（23）、气喷嘴扁轴（15）、转动轴承（16）和气体通道（17）；中间包（1）通过多个固定孔（23）密封固定于中间包支座（22）上；中间包（1）底部设有多处浇注水口（2）；气喷嘴扁轴（15）上侧壁设有入液口，中间包（1）底部的浇注水口（2）处于入液口正上方且二者相互连通；雾化喷嘴（3）设于气喷嘴扁轴（15）的下侧壁，且与入液口密封连接；雾化喷嘴中心的喷口与雾化喷嘴（3）的外壁之间还设有环状的气流出口（7）；多根气体通道（17）均密封固定连接对应的气喷嘴扁轴（15）的内部通道，内部通道连通气流出口（7）；每根气喷嘴扁轴（15）两端部均套接转动轴承（16），转动轴承（16）固定于中间包支座（22）的外侧壁上；

摆动式的雾化机构包括旋转伺服电机（13）和曲柄摇杆机构（14）；旋转伺服电机（13）连接曲柄摇杆机构（14）的主动端，曲柄摇杆机构（14）的多个从动端分别通过远离气体通道（17）侧的多个转动轴承（16）来连接气喷嘴扁轴（15）；曲柄摇杆机构（14）用于带动气喷嘴扁轴（15）在一定角度内往复式摆动，令气喷嘴扁轴（15）上的雾化喷嘴（3）处于不同喷射位置和喷射角度；

旋转升降式沉积盘，包括沉积盘（5）和旋转升降机构，沉积盘（5）固定于旋转升降机构上；旋转升降机构包括转动装置和升降装置。

2.根据权利要求1所述增加喷射成形沉积体直径并减少孔隙率的雾化装置，其特征在于：曲柄摇杆机构（14）包括曲柄（18）、连杆（19）、摇杆（20）和机架（21）；旋转伺服电机（13）和雾化气体喷嘴所在的气喷嘴扁轴（15）之间通过机架（21）连接；曲柄（18）的其中一个端部为固定端，另一端部为非固定端；连杆（19）的两个端部均为非固定端；摇杆（20）的其中一个端部为固定端，摇杆的另一个端部为非固定端；曲柄（18）的固定端固定于旋转伺服电机（13）的转动中心点，曲柄（18）的非固定端活动连接连杆（19）的一个非固定端，连杆（19）的另一个非固定端活动连接摇杆（20）的非固定端；摇杆（20）的固定端固定于气喷嘴扁轴（15）的摆动中心点。

3.根据权利要求2所述增加喷射成形沉积体直径并减少孔隙率的雾化装置，其特征在于：曲柄（18）的非固定端通过铰链活动连接连杆（19）的一个非固定端，连杆（19）的另一个非固定端通过铰链活动连接摇杆（20）的非固定端。

4.根据权利要求1所述增加喷射成形沉积体直径并减少孔隙率的雾化装置，其特征在于：每个雾化喷嘴（3）中心的喷口喷射角度及摆幅可调。

5.根据权利要求1所述增加喷射成形沉积体直径并减少孔隙率的雾化装置，其特征在于：雾化喷嘴（3）的喷射距离和覆盖沉积盘（5）的表面积。

6.根据权利要求1所述增加喷射成形沉积体直径并减少孔隙率的雾化装置，其特征在于：中间包（1）与所有浇注水口（2）设于固定位置。

7.根据权利要求1所述增加喷射成形沉积体直径并减少孔隙率的雾化装置，其特征在于：沉积盘（5）底部的转动装置和升降装置的升降及转速可调。

8.根据权利要求1所述增加喷射成形沉积体直径并减少孔隙率的雾化装置，其特征在于：浇注水口（2）的数量与口径可调，用于调节金属液的流量。

9.根据权利要求1所述增加喷射成形沉积体直径并减少孔隙率的雾化装置，其特征在于：多喷嘴式的浇注机构喷出的雾化射流沉积至沉积盘（5）上，得到截面积为500000平方毫米沉积坯。

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