一種結構參數可調的超音速霧化噴嘴的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于惰性氣體霧化法制備微細粉末技術領域，具體涉及一種結構參數可調 的超音速霧化噴嘴。
【背景技術】
[0002] 氣體霧化法是生產金屬及合金粉末的主要方法。生產霧化粉末具有球形度高、粉 末粒度可控、氧含量低及適應多種金屬及合金粉末的生產等優點，已成為高性能金屬及合 金粉末制備技術的主要發展方向。
[0003] 氣體霧化的基本原理是利用高速惰性氣流沖擊金屬液流，將其粉碎成小熔滴，并 冷卻、凝固成粉末的過程。氣體霧化的核心是將氣流的動能最大限度的轉化為霧化熔滴表 面能，因此設計結構合理的噴嘴是獲得良好霧化效果的前提。美國專利P5228620公開了一 種限制式緊耦合噴嘴，限制式緊耦合噴嘴的主要結構形式見圖1。由于該噴嘴中氣體射流與 金屬液相互作用的距離短，提高了惰性氣體能量利用效率，可以生產尺寸更細小的粉末，其 缺點是由于導流管內徑較小且金屬在導流管中的流動距離大造成熔融金屬凝固堵塞導流 管使霧化中止。監(J ·Mietal ,Metal ·Mater · Trans · B，1997，28:935)等通過數值計算方法研 究了限制式噴嘴中導流管突出長度h對氣體流場的作用，認為導流管頂端的抽吸效應隨著 突出長度增大而增大，抽吸壓強的增大可以在一定程度上降低噴嘴堵管的可能。Cmil (A. . J. PowderMetal .，1990，26:11)研究了氣體、金屬質量流率以及氣體速度等因素 對霧化液滴粒徑的影響規律，結果表明增大霧化壓強Po和氣體質量流率G都可以降低霧化 金屬粉末的質量中徑d5Q。由于不同金屬的霧化對工藝參數的要求不一致，針對不同霧化對 象需要不同霧化參數，而上述專利涉及噴嘴由于結構局限性很難實現氣體質量流量以及導 流管突出長度的靈活調整，降低了霧化噴嘴的通用性。
【發明內容】
[0004] 為了提高噴嘴對各種金屬霧化的通用性，本發明提供一種結構參數可調的超音速 霧化噴嘴，可以根據霧化金屬的不同靈活選擇噴嘴的結構參數。
[0005] 實現本發明的技術方案如下：
[0006] -種結構參數可調的超音速霧化噴嘴，包括上模、下模、導流管襯套、以及導流管； 其中上、下模通過緊固螺栓連接，下模開有兩個共軸的高壓霧化氣體入口；導流管襯套貫穿 上、下模并通過內緊外脹式脹套與上模固定；導流管襯套下部與下模兩者配合形成兩個氣 流出口；所述導流管襯套的下部為錐臺狀，下模配合部分壁面曲線形狀為Laval型，所述氣 流出口為半Laval環縫型;導流管位于導流管襯套內，且貫穿導流管襯套。
[0007] 本發明導流管襯套與下模配合形成噴嘴的出氣口氣動外形，且可以通過松開脹套 上的螺母調整兩者之間的相對位置，通過調整導流管襯套與導流管以及下模之間相互位 置，可以改變導流管的突出長度h和噴嘴出氣口截面積A*，噴嘴可以實現在相同霧化壓力下 獲得不同的氣體質量流率和抽吸壓強，滿足不同金屬的霧化需求。
[0008] 進一步地，本發明導流管突出長度h在1~8mm內調整，出氣口寬度do在0.2~1.0 mm 內調整，導流管襯套的錐頂角β為0~45°。
[0009] 本發明提出的可以靈活調整結構參數的柔性超音速霧化噴嘴，可以根據霧化金屬 的不同靈活選擇噴嘴的結構參數，顯著提高霧化噴嘴的通用性。具有如下的有益效果：
[0010] (1)通過調整導流管襯套的相對位置可以利用一套噴嘴獲得不同氣體質量流率， 能夠提高噴嘴對各種金屬霧化的通用性。同時霧化噴嘴的出氣口采用半Laval型結構，該結 構在加速氣流速度，獲得超音速霧化氣流的同時可以保證在改變導流管襯套相對位置時只 改變噴嘴的出氣口的大小而不改變其氣動外形。
[0011] (2)導流管與其襯套采用分體式設計，導流管襯套與下模形成霧化氣體出口的氣 動外形。分體式設計除了可以調整兩者之間相對位置外，可以在霧化不同金屬時選取不同 導流管，防止對金屬造成污染。同時霧化完成后導流管清理重復利用過程中，采用分體式設 計可以使保護襯套的氣動外形免遭破壞。
【附圖說明】
[0012] 圖1是限制式緊耦合霧化噴嘴結構示意圖。
[0013] 圖2是超音速柔性霧化噴嘴結構示意圖。
[0014]圖3是霧化金屬粉末粒徑分布曲線。
[0015] 其中，1為氣流出口，2為導流管，3為緊固螺栓，4為上模，5為霧化氣體入口，6為霧 化氣體出口，7為下模，8為導流管襯套，9為脹套，10為導流管。
【具體實施方式】
[0016] 現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述：
[0017] 如圖2所示，本發明一種結構參數可調的超音速霧化噴嘴，包括上模4、下模7、導流 管襯套8以及導流管10;其中上、下模通過緊固螺栓3連接，下模開有兩個共軸的高壓霧化氣 體入口5;導流管襯套8貫穿上、下模并通過內緊外脹式脹套9與上模4固定，導流管襯套8與 上、下模之間的相對位置可通過松開脹套9上的螺母進行調整；導流管襯套8的下半部與下 模7兩者配合形成兩個氣流出口 6;所述導流管襯套8的下部為錐臺狀，下模7配合部分壁面 曲線形狀為Laval型，所述氣流出口6為半Laval環縫型;導流管10位于導流管襯套9內，且貫 穿導流管襯套9,導流管10與導流管襯套9采用分體式設計，可通過調節二者位置靈活選取 所需導流管突出長度。
[0018] 本發明基本原理：
[0019] (1)調整氣體質量流率:松開脹套9上的螺母，導流管襯套8可以自由上下移動，其 與下模7的相對位置會發生變化，兩者組成的環縫型氣流出口的截面積會發生改變。如圖2 所示，設計噴嘴中出氣口截面積Α*與環縫寬度d*存在如下關系：
[0020] As ^/coscosβ (I)
[0021] 其中r*為環縫出氣口喉口外徑，β為導流管襯套下部的錐頂角。
[0022] 噴嘴出口氣體質量流率G可由下式計算：
[0024]其中Pq、pq和γ分別為霧化氣體的壓強、密度和比熱比。而根據TQnal (A.tltia^ Int. J.PowderMetal .，1990，26:11)給出的經驗公式，霧化熔滴質量中徑d5Q與氣體質量流率 G存在如下關系：
[0026]其中：d為導流管直徑，μ、η為實驗常數，ξ為液態金屬密度與動力黏度之比，M為金 屬液質量流率，Pm和γ別為金屬液密度和比熱比，V為霧化氣體速度。
[0027]由式(3)可知霧化氣體的質量流率G對霧化熔滴的質量中徑有較大影響，而本發明 涉及的霧化噴嘴可通過調整噴嘴的結構參數，達到不改變霧化壓力條件下實現改變氣體流 率的效果，滿足不同金屬或同種金屬不同霧化粒徑的需求。同時由于導流管襯套9的壁面曲 線為直線，因此其位置變化并不會改變氣流出口 6的氣動外形，只是改變了環縫的寬度，而 下模7的有效作用部分壁面曲線為Laval型，與導流管襯套9形成了半Laval型出氣結構形 式；
[0028] (2)調整導流管突出長度：導流管10與導流管襯套9采用分體式設計，兩者之間相 互位置可以改變，可以靈活選取所需導流管突出長度。
[0029]以本發明涉及的柔性超音速霧化噴嘴對7055合金的霧化為例說明，本發明具體實 施方式如下：
[0030] (1)調整噴嘴結構參數，選取導流管突出長度h = 6mm，出氣口寬度do = 0 · 5mm;
[0031] (2)在真空或惰性氣體保護氛圍中將7055母體合金進行熔煉至800°C ;
[0032] (3)熔融金屬熔體通過導流管10進入高速氣體霧化區，同時開啟霧化氬氣供應裝 置，在霧化壓強為0.8MPa時對熔融7055合金進行霧化；
[0033] (4)霧化完成后收集金屬粉末，選取測試樣本A;
[0034] (5)重新調整噴嘴結構參數，選取出氣□寬度do = 0.6mm，重復⑵~⑷步驟，獲得 測試樣本B;
[0035] (6)對樣本A、B采用激光粒度分析儀進行粒度分布測試，霧化7075合金粉末的粒度 分布曲線如圖3所示。
[0036]樣本A、B的質量中徑d5Q(累計質量分數達到50%時的粉末粒徑）分別為62.3μπι和 30.5μπι，設計噴嘴在低于IMPa霧化壓強下即可實現金屬的高效霧化。根據圖3所給出的粉末 粒度分析曲線可以看出，在相同霧化壓強下，d Q = 0.6mm時粉末質量中徑變小，且分布區間 有變窄趨勢。通過上述分析可知，本發明提出的柔性噴嘴可以通過改變其結構參數獲得不 同霧化條件，提高了噴嘴的通用性，可以根據不同霧化金屬的需求對噴嘴結構進行調整，同 時也可以通過調整噴嘴結構設計所需金屬粉末的粒徑。
[0037]綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。 凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的 保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種結構參數可調的超音速霧化噴嘴，其特征在于，包括上模(4)、下模(7)、導流管 襯套(8)、以及導流管（10);其中上、下模通過緊固螺栓(3)連接，下模開有兩個共軸的高壓 霧化氣體入口（5);導流管襯套(8)貫穿上、下模并通過內緊外脹式脹套(9)與上模(4)固定； 導流管襯套(8)下部與下模(7)兩者配合形成兩個氣流出口（6);所述導流管襯套(8)的下部 為錐臺狀，下模(7)配合部分壁面曲線形狀為Laval型，所述氣流出口（6)為半Laval環縫型； 導流管（10)位于導流管襯套(8)內，且貫穿導流管襯套(8)。2. 根據權利要求1所述結構參數可調的超音速霧化噴嘴，其特征在于，導流管突出長度 h在1~8mm內調整，出氣口寬度do在0.2~1.0mm內調整。
【專利摘要】本發明提供一種結構參數可調的超音速霧化噴嘴，包括上模、下模、導流管襯套、以及導流管；其中上、下模通過緊固螺栓連接，下模開有兩個共軸的高壓霧化氣體入口；導流管襯套貫穿上、下模并通過內緊外脹式脹套與上模固定；導流管襯套下部與下模兩者配合形成兩個氣流出口；所述導流管襯套的下部為錐臺狀，下模配合部分壁面曲線形狀為Laval型，所述氣流出口為半Laval環縫型；導流管位于導流管襯套內，且貫穿導流管襯套。本發明提出的可以靈活調整結構參數的柔性超音速霧化噴嘴，可以根據霧化金屬的不同靈活選擇噴嘴的結構參數，顯著提高霧化噴嘴的通用性。
【IPC分類】B22F9/08
【公開號】CN105618772
【申請號】CN201610068938
【發明人】司朝潤, 武偉超
【申請人】北京理工大學
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2016年2月1日