專利名稱：一種用于金屬氣體霧化的環縫型超音速噴嘴的制作方法
技術領域：
本發明涉及快速凝固氣體霧化金屬熔體制備微細粉末的噴嘴，特別是包括一種特殊氣流型線的超音速環縫型氣體霧化噴嘴。在制備金屬粉末行業中，氣體霧化技術成為生產高性能金屬粉末的主要方法之一。由于其具有高的冷卻速度(IO4V /S 106°C /s)和過冷度，因此通過氣霧化制備超細球形金屬粉體具有很多引人注目的特性，例如，可以有效地減少合金成分的偏析，獲得微觀組織細小、成分均勻的合金粉末。此外，通過控制冷凝速率可以獲得具有非晶、準晶、微晶或過飽和固溶體等非平衡組織的粉末。廣泛應用于合成金剛石用金屬粉末觸媒、微電子焊接、金屬基復合材料、磁性材料、注射成型等高技術領域。氣霧化的基本原理是用噴嘴產生的高速、高壓氣流將金屬熔體粉碎成細小的熔滴，隨后經過球化、冷卻和凝固成為金屬粉末的過程。霧化氣流常采用互成角度的射流方式來霧化金屬液流，霧化噴嘴典型的結構有自由降落式和緊耦合式兩種。自由降落式噴嘴霧化制粉時，金屬熔體自導流嘴流出，要經過一段距離才能與氣體射流發生作用。而緊耦合式噴嘴是熔體從導流嘴流出很短距離即開始霧化。因此緊耦合式噴嘴的能量利用率高，并能產生相對穩定的液流，粉末的粒度較細。為了預測霧化后形成粉體粒徑，一些研究者在大量實驗的基礎上得到了一些經驗公式，其中Lubanska公式(載于Journal of Metals, 1970,45頁)被認為是最準確和適用范圍最廣的。Lubanska公式如下， 式中，階=表示韋伯數，0111表示液態金屬的密度，％表示表面張力，
Δ ν表示液態金屬和氣流之間的相對速度，Cltl表示金屬液流的直徑；dm表示粉體的平均粒徑，k是由特定噴嘴決定的經驗常數，Vffl和Vg分別代表金屬熔體和霧化氣流的粘度，M和A分別表示金屬和霧化氣體的質量流量。由Lubanska公式可以看出在所霧化熔體的物理性
能為定值的條件下，^，因此，霧化氣流的速度對所得粉末的粒徑起到決定性作用，提
Av
高氣體速度(高的韋伯數)可減小金屬粉末的平均粒徑dm。 為了得到高速氣流，霧化氣流的型線必須是先收縮后擴張，否則即使上下游壓強差再大也不可能在噴嘴出口處產生超音速氣流。那些以為把氣流管截面盡量縮小就可以得到超音速氣流了，結果是失敗的。美國的J. Ting等發明的超音速霧化噴嘴(US PatentN. 6142382)，利用收縮-擴張型(Laval)噴管得到了超音速氣流，見圖3。中國的陳新國利用同樣的方法發明了一種高壓氣體霧化噴嘴(CN 2714160Y)，見圖4。但是這兩種噴嘴的噴管大都采用了簡單加工工藝的結構，氣流噴管的收縮段和喉部大多為直線型型
背景技術：
線，即收縮段為圓錐形。I. E.Anderson等指出此類型噴嘴的腔體內產生的氣流很不穩定(Materialsscience and engineering A, 326 (2002) 101-109) 由空氣動力學分析可以知道，這種結構產生的氣流到達喉部并非均勻一致，紊流度大，流場中存在激波，導致氣體的能量損失。而根據超音速噴管的設計要求，到達喉部的音速流必須是均勻的。
發明內容
本發明的目的在于根據現有技術中存在的問題對其進行改進，以便能得到一種氣流均勻一致，紊流度小，流場中不存在激波的超音速氣霧化噴嘴。滿足快速凝固金屬氣霧化的技術要求，制備的金屬粉末達到粒度小，粒徑分布窄的目的。為達到上述目的，本發明提出的技術方案為一種用于金屬氣體霧化的環縫型超音速噴嘴，它包含連接外部氣瓶的進氣管，進氣管與噴嘴的環形氣腔相連，該噴嘴中心有一上下貫通的中心孔，中心孔的上口為進口，中心孔的下口為出口，環形氣腔的下方連接環縫形狀的氣體噴管，氣體噴管的通過噴嘴中心孔軸線的剖面是以噴嘴中心孔軸線為中心線對稱形成兩條縫形通道，每條縫形通道從氣體噴管的進口到氣體噴管的出口均朝向噴嘴中心孔軸線傾斜，并由雙條AB曲線、雙條BC曲線和雙條CD曲線組成，其中AB曲線是直線，BC曲線是圓滑的漸縮的曲線，CD曲線是圓滑的漸擴的曲線，并到氣體噴管的出口處形成直線，所述的環縫形狀的氣體噴管的縫體是圍繞噴嘴中心孔軸線旋轉360°所得到的一個由上到下朝內傾斜的曲面，該曲面的出口是圍繞著中心孔的出口的環縫形狀，該曲面是由AB曲線所在的穩定段、BC曲線所在的收縮段、C處的喉部和⑶曲線所在的擴散段所組成。在本發明的用于金屬氣體霧化的環縫型超音速噴嘴裝置中，在所述的氣體噴管的通過噴嘴中心孔軸線的剖面中，兩條縫形通道的中心線的延長線分別與噴嘴中心孔軸線形成夾角α，角α均為0° 60°且興0°。在本發明的用于金屬氣體霧化的環縫型超音速噴嘴裝置中，在所述的氣體噴管的通過噴嘴中心孔軸線的剖面中，所述的(AB)曲線所在的穩定段的軸向長度L1與穩定段的寬度a之比為1 1 1 4。L1與a之比優選為1 1 1 2。在本發明的用于金屬氣體霧化的環縫型超音速噴嘴裝置中，在所述的氣體噴管的通過噴嘴中心孔軸線的剖面中，所述的BC曲線所在的收縮段的軸向長度L2與收縮段的最寬的寬度b之比為1 5 2 1。！^與卜之比優選為1 2 1 1。在本發明的用于金屬氣體霧化的環縫型超音速噴嘴裝置中，所述的穩定段的寬度a與噴管喉部C點的寬度c之比為1 1 10 1，3與(之比優選為4 1 5 1。在本發明的用于金屬氣體霧化的環縫型超音速噴嘴裝置中，所述的CD曲線所在的擴散段，其在氣體噴管的出口處寬度d與C點的寬度c之比為1 1 4 1。本發明與已有技術相比具有如下優點①增加了穩定段，使氣流速度分布均勻，導直氣流方向，使各點氣流方向均平行于縫體中心線方向，減少氣流的紊流度；②收縮段改為平滑的曲線設計，可以使穩定段來的氣流均勻加速至音速；③整個噴管型線的設計，減少產生普朗特-邁耶波或者各種激波的機率，降低能量損失和紊流度；
④節約材料，降低成本。按照這種設計，氣霧化噴嘴的氣腔中壓強較小，耗氣量減小，并且噴管出口的馬赫數可以控制，進而可以控制快速凝固氣霧化過程中粉體的粒度分布。滿足在氣霧化過程中的性能要求，可以獲得高的細粉出粉率，粒度分布范圍較窄。
圖1為本發明的環縫型氣霧化噴嘴示意圖。
圖1中1為環形氣腔，2為中心孔，3為環縫結構的氣體噴管，Z1為進氣管。
圖2為本發明氣體噴管剖面結構示意圖。
圖2中AB為穩定段，BC為收縮段，C為喉部，CD為擴散段。
圖3為美國專利US 6142382金屬氣霧化噴嘴示意圖。
圖3中5為噴嘴，6為導流嘴，7為噴管收縮段，8為噴管擴散段，9為噴管喉部
圖4為中國專利CN 2714160Y高壓氣霧化噴嘴示意圖。
圖4中10為噴嘴，11為噴管收縮段，12為噴管喉部，13為噴 f擴散段。
圖5為實施例1中!^eNi30粉體的粒度分布曲線。
圖6為實施例1中狗附30粉體的SEM照片。
圖7為實施例2中17-4ΡΗ粉體的SEM照片。
圖8為實施例3中CuSn20粉體的SEM照片。
具體實施例方式如圖1所示，圖1是噴嘴的通過噴嘴中心孔軸線的剖面圖。本發明的用于金屬氣體霧化的環縫型超音速噴嘴，它包含連接外部氣瓶的進氣管4，進氣管4與噴嘴環形氣腔1相連，噴嘴中心有一中心孔2，中心孔2的上口為進口，中心孔2的下口為出口。環形氣腔下方內外腔壁形成環縫結構的超音速氣體噴管3，它包含有穩定段、收縮段、喉部和擴散段。氣體噴管3的結構如縫體形狀，氣體噴管3剖面結構如圖2所示，圖2為本發明氣體噴管的通過噴嘴中心孔軸線的剖面結構示意圖。氣體噴管3剖面結構由噴嘴中心孔軸線為對稱軸的呈對稱結構的封閉曲線構成。氣體噴管3的通過噴嘴中心孔軸線的剖面是以噴嘴中心孔軸線為中心線對稱形成兩條縫形通道，每條縫形通道從氣體噴管3的進口到氣體噴管3的出口均朝向噴嘴中心孔軸線傾斜，并由雙條AB曲線、雙條BC曲線和雙條CD曲線組成，其中AB曲線是直線，BC曲線是圓滑的漸縮的曲線，CD曲線是圓滑的漸擴的曲線，并到氣體噴管3的出口處形成直線，所述的環縫形狀的氣體噴管3的縫體是圍繞噴嘴中心孔軸線旋轉360°所得到的一個由上到下朝內傾斜的曲面，該曲面的出口是圍繞著中心孔2的出口的環縫形狀，該曲面是由AB曲線所在的穩定段、BC曲線所在的收縮段、C處的喉部和CD曲線所在的擴散段所組成。在所述的氣體噴管3的通過噴嘴中心孔軸線的剖面中，兩條縫形通道的中心線的延長線分別與噴嘴中心孔軸線形成夾角α，角α均為0° 60°且興0°。使用時，合金熔體流入中心孔2(即導流嘴)中，霧化氣體從外部氣瓶中通過進氣管4經環形氣腔1進入氣體噴管3中，在氣體噴管3中通過穩定段、收縮段、喉部和擴散段后，從氣體噴管3噴出，使從中心孔2 (即導流嘴)中流出合金熔體霧化成金屬粉體。如圖2所示，氣體噴管3的穩定段的曲線AB是一平行于縫形通道中心線的直線。穩定段縫寬為a，軸向長度為LpL1與a之比為1 1 1 4，最佳值為1 1 1 2。
如圖2所示，氣體噴管3的收縮段為BC所示的曲線沿縫形通道中心線徑向形成的曲面。B點縫寬為a，C點縫寬為C。收縮段的軸向長度為1^2丄2與13之比為1 5 2 1，最佳值為1 2 1 1。如圖2所示，噴管喉部為C點，其中3與(之比為1 1 10 1，最佳值為4 1 5 I0如圖2所示，擴散段的CD段型線是由直線加一段曲線組成，其直線段傾斜角是由設計馬赫數M決定。其中直線傾斜角的范圍是0° 60°且興0°，D點縫寬d與c之比為1 1 4 1。如圖3所示，圖3為美國專利US 6142382金屬氣霧化噴嘴示意圖。在圖3中，噴嘴5具有導流嘴6，噴管是由直線型型線的噴管收縮段7、噴管喉部9、噴管擴散段8組成。該金屬氣霧化噴嘴利用收縮-擴張型(Laval)噴管得到了超音速氣流。如圖4所示，圖4為中國專利CN 2714160Y高壓氣霧化噴嘴示意圖。在圖4中，該噴嘴10是由由直線型型線的噴管收縮段11、噴管喉部12、噴管擴散段13組成。上述的美國專利US 6142382金屬氣霧化噴嘴和中國專利CN 2714160Y高壓氣霧化噴嘴的噴管大都采用了簡單加工工藝的結構，氣流噴管的收縮段和喉部大多為直線型型線，即收縮段為圓錐形。I. E. Anderson等指出此類型噴嘴的腔體內產生的氣流很不穩定(Materials science and engineering A, 326 (2002) 101-109) 由空氣動力學分析可以知道，這種結構產生的氣流到達喉部并非均勻一致，紊流度大，流場中存在激波，導致氣體的能量損失。而根據超音速噴管的設計要求，到達喉部的音速流必須是均勻的。本發明的的氣霧化噴管克服了前面所述的缺點，采用了平滑曲線代替了直線型面，使氣流到達喉部時，得到了均勻一致，紊流度小，流場中不存在激波的氣體。實施例1 本實施例中，FeNi30合金熔體以1650°C的溫度從導流嘴中流出。氣體噴管的喉部縫寬c與出口處縫寬d之比為1 1.7，穩定段L1與a之比為1 1，穩定段a與喉部c之比為5 1，收縮段長度1^2與13之比為1 2，角α為15°。霧化氣體為氮氣，霧化壓力為4. OMPa，霧化室內壓力為0. IMPa0金屬粉體的粒度分布曲線如圖5所示，金屬粉體的SEM照片如圖6所示。做出的粉末所達到的平均顆粒直徑為27. 1 μ m，IOwt %小于11. 2 μ m,90wt%小于 60. 6 μ m。實施例2 材料為17-4PH不銹鋼熔體以1600°C的溫度從導流嘴噴出，導流嘴內徑為4. 0mm。氣體噴管的喉部縫寬c與出口處縫寬d之比為1 3，穩定段1^與3之比為1 2，穩定段a與喉部c之比為4 1，收縮段長度1^2與13之比為1 2，角α為20°。霧化氣體為氮氣，霧化壓力為3. 5MPa,霧化室內壓力為0. IMPa0 17-4PH不銹鋼粉體的SEM照片如圖7所示。粉末所達到的平均顆粒直徑為22. lym，16wt%小于9. 1 μ m，84wt%小于41. 7 μ m。實施例3 本實施例中，氣體噴管的喉部縫寬c與出口處縫寬d之比為1 2，穩定段1^與3之比為1 2，穩定段a與喉部c之比為5 1，收縮段長度1^2與13之比為1 2，角α為20°。霧化氣體為氬氣，霧化壓力為2.010^，霧化室內壓力為0.11^￡1。CuSn20合金熔液霧化溫度為1200°C。CuSn20粉體的SEM照片如圖8所示。霧化所得粉末10襯％小于5. 6 μ m，90wt%小于 25. 2μπι，平均直徑 D50 為 13. 6μπι。
權利要求
1.一種用于金屬氣體霧化的環縫型超音速噴嘴，其特征在于，它包含連接外部氣瓶的進氣管G)，進氣管(4)與噴嘴的環形氣腔(1)相連，該噴嘴中心有一上下貫通的中心孔0)，中心孔⑵的上口為進口，中心孔⑵的下口為出口，環形氣腔⑴的下方連接環縫形狀的氣體噴管(3)，氣體噴管(3)的通過噴嘴中心孔軸線的剖面是以噴嘴中心孔軸線為中心線對稱形成兩條縫形通道，每條縫形通道從氣體噴管(3)的進口到氣體噴管(3)的出口均朝向噴嘴中心孔軸線傾斜，并由雙條(AB)曲線、雙條(BC)曲線和雙條(CD)曲線組成，其中(AB)曲線是直線，(BC)曲線是圓滑的漸縮的曲線，(CD)曲線是圓滑的漸擴的曲線，并到氣體噴管(3)的出口處形成直線，所述的環縫形狀的氣體噴管(3)的縫體是圍繞噴嘴中心孔軸線旋轉360°所得到的一個由上到下朝內傾斜的曲面，該曲面的出口是圍繞著中心孔⑵的出口的環縫形狀，該曲面是由(AB)曲線所在的穩定段、(BC)曲線所在的收縮段、(C)處的喉部和(CD)曲線所在的擴散段所組成。
2.根據權利要求1所述的用于金屬氣體霧化的環縫型超音速噴嘴裝置，其特征在于，在所述的氣體噴管(3)的通過噴嘴中心孔軸線的剖面中，兩條縫形通道的中心線的延長線分別與噴嘴中心孔軸線形成夾角α，角α均為0° 60°且興0°。
3.根據權利要求1所述的用于金屬氣體霧化的環縫型超音速噴嘴裝置，其特征在于，在所述的氣體噴管(3)的通過噴嘴中心孔軸線的剖面中，所述的(AB)曲線所在的穩定段的軸向長度(L1)與穩定段的寬度(a)之比為1 1 1 4。
4.根據權利要求1所述的用于金屬氣體霧化的環縫型超音速噴嘴裝置，其特征在于，在所述的氣體噴管(3)的通過噴嘴中心孔軸線的剖面中，所述的(BC)曲線所在的收縮段的軸向長度(L2)與收縮段的最寬的寬度(b)之比為1 5 2 1。
5.根據權利要求1所述的用于金屬氣體霧化的環縫型超音速噴嘴裝置，其特征在于，所述的噴管喉部C點的寬度(c)與穩定段的寬度(a)之比為1 10 1 1。
6.根據權利要求1所述的用于金屬氣體霧化的環縫型超音速噴嘴裝置，其特征在于所述的(CD)曲線所在的擴散段，其在氣體噴管(3)的出口處寬度(d)與C點的寬度(c)之比為1 1 4 1。
全文摘要
一種用于金屬氣體霧化的環縫型超音速噴嘴，它包含連接外部氣瓶的進氣管(4)，進氣管與噴嘴環形氣腔(1)相連，噴嘴中心有一中心孔(2)，氣腔下方內外腔壁形成環縫結構的超音速氣體噴管(3)，它包含有穩定段、收縮段、喉部和擴散段，縫體剖面由呈對稱的曲線構成。整個噴管的型面是由ABCD曲線以中心孔(2)軸線為對稱軸形成的縫體剖面，該剖面繞中心孔(2)軸線旋轉360°所得到的一個曲面。在氣體噴管(3)的通過噴嘴中心孔軸線的剖面中，縫形通道的中心線的延長線與噴嘴中心孔軸線形成夾角α為0°～60°且≠0°。該超音速氣霧化噴嘴的優點是，氣流均勻一致，紊流度小，流場中不存在激波。
文檔編號B22F9/08GK102581291SQ20111000516
公開日2012年7月18日 申請日期2011年1月12日 優先權日2011年1月12日
發明者張少明, 徐駿, 朱學新, 趙新明 申請人:北京有色金屬研究總院