專利名稱：一種用于金屬氣體霧化的環(huán)縫型超音速噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及快速凝固氣體霧化金屬熔體制備微細(xì)粉末的噴嘴，特別是包括一 種特殊氣流型線的超音速環(huán)縫型氣體霧化噴嘴。
背景技術(shù)：
在制備金屬粉末行業(yè)中，氣體霧化技術(shù)成為生產(chǎn)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(104°c /S^lO6oC /s)和過冷度，因此通過氣霧化制備超細(xì)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(xì)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(zhǔn)晶、微晶或過 飽和固溶體等非平衡組織的粉末。廣泛應(yīng)用于合成金剛石用金屬粉末觸媒、微電子焊接、金 屬基復(fù)合材料、磁性材料、注射成型等高技術(shù)領(lǐng)域。氣霧化的基本原理是用噴嘴產(chǎn)生的高速、高壓氣流將金屬熔體粉碎成細(xì)小的熔 滴，隨后經(jīng)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(jié)構(gòu)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(shí)，金屬熔體自導(dǎo)流嘴流出，要經(jīng)過一段距離才能與氣體射流發(fā)生作用。而緊耦合式 噴嘴是熔體從導(dǎo)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(chǎn)生相對穩(wěn)定的液流，粉末的粒度較細(xì)。為了預(yù)測霧化后形成粉體粒徑，一些研究者在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到了一些經(jīng)驗(yàn) 公式，其中Lubanska公式(載于Journal of Metals，1970，45頁)被認(rèn)為是最準(zhǔn)確和適用范 圍最廣的。Lubanska公式如下，式中，=表示韋伯?dāng)?shù)，々m表示液態(tài)金屬的密度，表示表面張
力，Ar表示液態(tài)金屬和氣流之間的相對速度，式表示金屬液流的直徑；c/m表示粉體的平均 粒徑從是由特定噴嘴決定的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，&和％分別代表金屬熔體和霧化氣流的粘度，I和 A分別表示金屬和霧化氣體的質(zhì)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，< -各 ，因此，霧化氣流的速度對所得粉末的粒徑起到?jīng)Q定
Λν
性作用，提高氣體速度(高的韋伯?dāng)?shù))可減小金屬粉末的平均粒徑《。為了得到高速氣流，霧化氣流的型線必須是先收縮后擴(kuò)張，否則即使上下游壓強(qiáng) 差再大也不可能在噴嘴出口處產(chǎn)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(jié)果是失敗的。美國的J. Ting等實(shí)用新型的超音速霧化噴嘴(US PatentN. 6142382)，利用收縮-擴(kuò)張型(Laval)噴管得到了超音速氣流，見圖3。中國的陳新國利用 同樣的方法實(shí)用新型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(jié)構(gòu)，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(nèi)產(chǎn)生的氣流很不穩(wěn)定(Materials science and engineering A, 326 (2002) 101-109)。由空氣動力學(xué)分析可以知道，這種結(jié) 構(gòu)產(chǎn)生的氣流到達(dá)喉部并非均勻一致，紊流度大，流場中存在激波，導(dǎo)致氣體的能量損失。 而根據(jù)超音速噴管的設(shè)計(jì)要求，到達(dá)喉部的音速流必須是均勻的。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題對其進(jìn)行改進(jìn)，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(shù)要求，制備的金屬粉末達(dá)到粒度小，粒徑分布窄的目的。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提出的技術(shù)方案為一種用于金屬氣體霧化的環(huán)縫型超音速噴嘴，它包含連接外部氣瓶的進(jìn)氣管，進(jìn) 氣管與噴嘴的環(huán)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(jìn)口，中 心孔的下口為出口，環(huán)形氣腔的下方連接環(huán)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(jìn)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(kuò)的曲線，并到氣體噴管的出口處形成直線，所述的環(huán)縫形狀的氣體噴管的縫體是圍繞噴 嘴中心孔軸線旋轉(zhuǎn)360°所得到的一個(gè)由上到下朝內(nèi)傾斜的曲面，該曲面的出口是圍繞著 中心孔的出口的環(huán)縫形狀，該曲面是由AB曲線所在的穩(wěn)定段、BC曲線所在的收縮段、C處的 喉部和⑶曲線所在的擴(kuò)散段所組成。在本實(shí)用新型的用于金屬氣體霧化的環(huán)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°。在本實(shí)用新型的用于金屬氣體霧化的環(huán)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(wěn)定段的軸向長度L1與穩(wěn)定段 的寬度a之比為1 廣1 :4。L1與a之比優(yōu)選為1 廣1 :2。在本實(shí)用新型的用于金屬氣體霧化的環(huán)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。L2與卜之比優(yōu)選為1 2^1 :1。在本實(shí)用新型的用于金屬氣體霧化的環(huán)縫型超音速噴嘴裝置中，所述的穩(wěn)定段的 寬度a與噴管喉部C點(diǎn)的寬度c之比為1 :Γ10 :1, a與c之比優(yōu)選為4 廣5 :1。在本實(shí)用新型的用于金屬氣體霧化的環(huán)縫型超音速噴嘴裝置中，所述的CD曲線 所在的擴(kuò)散段，其在氣體噴管的出口處寬度d與C點(diǎn)的寬度c之比為1 :廣4 :1。本實(shí)用新型與已有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)①增加了穩(wěn)定段，使氣流速度分布均勻，導(dǎo)直氣流方向，使各點(diǎn)氣流方向均平行于 縫體中心線方向，減少氣流的紊流度；[0018]②收縮段改為平滑的曲線設(shè)計(jì)，可以使穩(wěn)定段來的氣流均勻加速至音速；③整個(gè)噴管型線的設(shè)計(jì)，減少產(chǎn)生普朗特-邁耶波或者各種激波的機(jī)率，降低能 量損失和紊流度；④節(jié)約材料，降低成本。按照這種設(shè)計(jì)，氣霧化噴嘴的氣腔中壓強(qiáng)較小，耗氣量減 小，并且噴管出口的馬赫數(shù)可以控制，進(jìn)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(xì)粉出粉率，粒度分布范圍較窄。

[0021]圖1為本實(shí)用新型的環(huán)縫型氣霧化噴嘴示意圖。[0022]圖1中1為環(huán)形氣腔，2為中心孔，3為環(huán)縫結(jié)構(gòu)的氣體噴管，Z1為進(jìn)氣管。[0023]圖2為本實(shí)用新型氣體噴管剖面結(jié)構(gòu)示意圖。[0024]圖2中ΑΒ為穩(wěn)定段，BC為收縮段，C為喉部，CD為擴(kuò)散段。[0025]圖3為美國專利US 6142382金屬氣霧化噴嘴示意圖。[0026]圖3中5為噴嘴，6為導(dǎo)流嘴，7為噴管收縮段，8為噴管擴(kuò)散段，9為噴管喉部[0027]圖4為中國專利CN 2714160Υ高壓氣霧化噴嘴示意圖。[0028]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(kuò)散段。[0029]圖5為實(shí)施例1中!^eNi30粉體的粒度分布曲線。[0030]圖6為實(shí)施例1中狗附30粉體的SEM照片。[0031]圖7為實(shí)施例2中17-4ΡΗ粉體的SEM照片。[0032]圖8為實(shí)施例3中CuSn20粉體的SEM照片。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，圖1是噴嘴的通過噴嘴中心孔軸線的剖面圖。本實(shí)用新型的用于金屬 氣體霧化的環(huán)縫型超音速噴嘴，它包含連接外部氣瓶的進(jìn)氣管4，進(jìn)氣管4與噴嘴環(huán)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(jìn)口，中心孔2的下口為出口。環(huán)形氣腔 下方內(nèi)外腔壁形成環(huán)縫結(jié)構(gòu)的超音速氣體噴管3，它包含有穩(wěn)定段、收縮段、喉部和擴(kuò)散段。 氣體噴管3的結(jié)構(gòu)如縫體形狀，氣體噴管3剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2為本實(shí)用新型氣體噴 管的通過噴嘴中心孔軸線的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。氣體噴管3剖面結(jié)構(gòu)由噴嘴中心孔軸線為對 稱軸的呈對稱結(jié)構(gòu)的封閉曲線構(gòu)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(jìn)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(kuò)的曲線，并到氣體 噴管3的出口處形成直線，所述的環(huán)縫形狀的氣體噴管3的縫體是圍繞噴嘴中心孔軸線旋 轉(zhuǎn)360°所得到的一個(gè)由上到下朝內(nèi)傾斜的曲面，該曲面的出口是圍繞著中心孔2的出口 的環(huán)縫形狀，該曲面是由AB曲線所在的穩(wěn)定段、BC曲線所在的收縮段、C處的喉部和CD曲 線所在的擴(kuò)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°飛0°且興0°。使用時(shí)，合金熔體流入中心孔2 (即導(dǎo)流嘴)中，霧化氣體從外部氣瓶中通過進(jìn)氣管 4經(jīng)環(huán)形氣腔1進(jìn)入氣體噴管3中，在氣體噴管3中通過穩(wěn)定段、收縮段、喉部和擴(kuò)散段后，從氣體噴管3噴出，使從中心孔2 (即導(dǎo)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(wěn)定段的曲線AB是一平行于縫形通道中心線的直線。 穩(wěn)定段縫寬為a，軸向長度為LpL1與a之比為1 廣1 :4，最佳值為1 廣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(diǎn)縫寬為a，C點(diǎn)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(diǎn)，其中a與c之比為1 廣10 :1，最佳值為4 廣5 :1。如圖2所示，擴(kuò)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(shè)計(jì)馬赫數(shù)M決定。其中直線傾斜角的范圍是0°飛0°且興0°，D點(diǎn)縫寬d與c之比為1: Γ4 :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(dǎo)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(kuò)散段8組成。 該金屬氣霧化噴嘴利用收縮-擴(kuò)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(kuò)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(jié)構(gòu)，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(nèi)產(chǎn)生的氣流很不穩(wěn)定 (Materials science and engineering A, 326 (2002) 101-109)。由空氣動力學(xué)分析可以 知道，這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的氣流到達(dá)喉部并非均勻一致，紊流度大，流場中存在激波，導(dǎo)致氣體 的能量損失。而根據(jù)超音速噴管的設(shè)計(jì)要求，到達(dá)喉部的音速流必須是均勻的。本實(shí)用新型的的氣霧化噴管克服了前面所述的缺點(diǎn)，采用了平滑曲線代替了直線 型面，使氣流到達(dá)喉部時(shí)，得到了均勻一致，紊流度小，流場中不存在激波的氣體。實(shí)施例1 本實(shí)施例中，F(xiàn)eNi30合金熔體以1650°C的溫度從導(dǎo)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(wěn)定段L1與a之比為1 :1，穩(wěn)定段a與喉部c之比為 5 :1，收縮段長度L2與卜之比為1:2，角α為15°。霧化氣體為氮?dú)?，霧化壓力為4. OMPa， 霧化室內(nèi)壓力為0.1 MPa0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(dá)到的平均顆粒直徑為27. 1 μ m, 10wt%小于11. 2 μ m，90wt%小于 60. 6 μ m0實(shí)施例2 材料為17-4PH不銹鋼熔體以1600°C的溫度從導(dǎo)流嘴噴出，導(dǎo)流嘴內(nèi)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(wěn)定段1^與3之比為1 :2，穩(wěn)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?dú)?，霧化壓 力為3. 5MPa,霧化室內(nèi)壓力為0. 1 MPa0 17-4PH不銹鋼粉體的SEM照片如圖7所示。粉末 所達(dá)到的平均顆粒直徑為22. 1 μ m, 16wt%小于9. 1 μ m, 84wt%小于41. 7 μ m。實(shí)施例3 本實(shí)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(wěn)定段1^與3之 比為1:2，穩(wěn)定段a與喉部c之比為5:1，收縮段長度L2與卜之比為1:2，角α為20°。霧化氣體為氬氣，霧化壓力為2. OMPa,霧化室內(nèi)壓力為0. 1 MPa0 CuSn20合金熔液霧化溫度為 12000C。CuSn20粉體的SEM照片如圖8所示。霧化所得粉末10wt%小于5. 6 μ m，90wt%小 于25. 2 μ m,平均直徑D50為13. 6 μ m。
權(quán)利要求1.一種用于金屬氣體霧化的環(huán)縫型超音速噴嘴，其特征在于，它包含連接外部氣瓶的 進(jìn)氣管(4)，進(jìn)氣管(4)與噴嘴的環(huán)形氣腔(1)相連，該噴嘴中心有一上下貫通的中心孔(2)，中心孔(2)的上口為進(jìn)口，中心孔(2)的下口為出口，環(huán)形氣腔(1)的下方連接環(huán)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(jìn)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(kuò)的曲線，并到氣體噴管(3)的出口處形成直線，所述的環(huán)縫形狀的氣體噴管(3)的縫體是圍繞噴嘴中心孔軸線旋轉(zhuǎn) 360°所得到的一個(gè)由上到下朝內(nèi)傾斜的曲面，該曲面的出口是圍繞著中心孔(2)的出口的 環(huán)縫形狀，該曲面是由AB曲線所在的穩(wěn)定段、BC曲線所在的收縮段、C處的喉部和CD曲線 所在的擴(kuò)散段所組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于金屬氣體霧化的環(huán)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°飛0°且興0°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于金屬氣體霧化的環(huán)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(wěn)定段的軸 向長度(L1)與穩(wěn)定段的寬度(a)之比為1 :Γ1 :4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于金屬氣體霧化的環(huán)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(jù)權(quán)利要求1所述的用于金屬氣體霧化的環(huán)縫型超音速噴嘴裝置，其特征在于， 所述的噴管喉部C點(diǎn)的寬度(c)與穩(wěn)定段的寬度(a)之比為1 :l(Tl :1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于金屬氣體霧化的環(huán)縫型超音速噴嘴裝置，其特征在于 所述的CD曲線所在的擴(kuò)散段，其在氣體噴管(3)的出口處寬度(d)與C點(diǎn)的寬度(c)之比 為 1 :Γ4 :1。
專利摘要一種用于金屬氣體霧化的環(huán)縫型超音速噴嘴，它包含連接外部氣瓶的進(jìn)氣管(4)，進(jìn)氣管與噴嘴環(huán)形氣腔(1)相連，噴嘴中心有一中心孔(2)，氣腔下方內(nèi)外腔壁形成環(huán)縫結(jié)構(gòu)的超音速氣體噴管(3)，它包含有穩(wěn)定段、收縮段、喉部和擴(kuò)散段，縫體剖面由呈對稱的曲線構(gòu)成。整個(gè)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(zhuǎn)360°所得到的一個(gè)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0o~60o且≠0o。該超音速氣霧化噴嘴的優(yōu)點(diǎn)是，氣流均勻一致，紊流度小，流場中不存在激波。
文檔編號B05B1/34GK201913249SQ20112000733
公開日2011年8月3日 申請日期2011年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月12日
發(fā)明者張少明, 徐駿, 朱學(xué)新, 趙新明 申請人:北京有色金屬研究總院