專利名稱：一種制備微細(xì)金屬粉末的氣體霧化噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用高壓氣流將液態(tài)金屬及合金熔體破碎成小液滴并凝固成粉末的霧化噴嘴，尤其是制備粉末粒度微細(xì)并具有球形特征的霧化噴嘴。
背景技術(shù)：
氣體霧化技術(shù)是金屬及合金粉末的一種生產(chǎn)方法，其制粉的原理是用一高速氣流將從導(dǎo)液管流出液態(tài)金屬流粉碎成小液滴并在隨后的飛行中凝固成粉末的過程。氣霧化粉末具有球形度高、粉末粒度可控等優(yōu)點(diǎn)，已成為高性能及特種合金粉末制備的主要方向。霧化噴嘴是氣體霧化技術(shù)的核心，噴嘴控制氣流對金屬液流的作用過程，使氣流的動能轉(zhuǎn)化為新生粉末表面能，因此這一控制部件即噴嘴(nozzle)決定了霧化粉末的性能和霧化效率。隨著粉末冶金注射成形技術(shù)的出現(xiàn)，以及粉末原材料在表面工程、電子、化工、激光快速原形、軍事等工業(yè)中的應(yīng)用，對金屬粉末的要求向著粒徑微細(xì)、球形化方向發(fā)展，因此提高微細(xì)粉末(一般指粒度小于45 μ m的粉末)的收得率和粉末的可控性，降低粉末制備成本，已成為霧化制粉技術(shù)和裝備發(fā)展的趨勢。在常規(guī)的氣體霧化工藝中，普遍采用自由落體式噴嘴結(jié)構(gòu)。這種形式的噴嘴設(shè)計(jì)簡單、不易堵嘴、控制過程也比較簡單，但這種噴嘴霧化效率不高，僅適用于60 300 μ m粒度粉末的生產(chǎn)。為了提高霧化效率，后來發(fā)展了限制式噴嘴，這種噴嘴由于縮短了氣流的自由飛行距離，使霧化效率得到很大的提高?，F(xiàn)代具有工業(yè)實(shí)用意義的霧化技術(shù)是在這一基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。具有代表性的噴嘴主要有兩類一是美國MIT的Grant教授發(fā)明的超聲霧化噴嘴(US Patent N. 4778516)。超聲霧化噴嘴由拉瓦爾噴嘴和Hartman振動管組合在一起，在產(chǎn)生2 2. 5M的超音速氣流的同時(shí)產(chǎn)生80 IOOKHz的脈沖頻率，粉末的平均粒度可達(dá)到40 60 μ m。該霧化器的目的是為了生產(chǎn)具有快速冷凝效果的鋁及合金，僅適用于鋁等低熔點(diǎn)金屬粉末的生產(chǎn)。美國Iowa州立大學(xué)的Ames實(shí)驗(yàn)室Anderson等人發(fā)明了高壓氣體霧化噴嘴(US Patent N. 4619845)。將噴嘴的環(huán)縫出口改為20 M個(gè)單一噴孔， 通過提高氣壓(最高可達(dá)成17MPa)和導(dǎo)液管出口處的形狀設(shè)計(jì)，克服限制式噴嘴中存在的氣流激波，這一改進(jìn)可以顯著提高霧化效率。粉末的平均粒度可達(dá)到30 50 μ m。該霧化器的霧化效率是在很高的壓力下實(shí)現(xiàn)的，在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)難度高，而且氣體消耗量過大，不利于生產(chǎn)成本的控制。中國專利CN 1282^2A發(fā)明了矩形層流霧化噴嘴，金屬液從一長約50mm，寬0. 7mm 的導(dǎo)管中流出，進(jìn)入噴嘴后形成Laval形狀，從而產(chǎn)生高的霧化效率。這一噴嘴是目前公開的具有最高霧化效率的噴嘴，粉末的平均粒度可以達(dá)到10 20μπι。但該噴嘴在工藝上要求很高，一是要求金屬液的過熱度很高，對于高熔點(diǎn)金屬不適合；二是霧化過程不穩(wěn)定易于堵嘴，霧化過程難于進(jìn)行。中國專利CN 1078928Α發(fā)明了超聲速環(huán)形射流霧化器， 是在低壓下霧化低熔點(diǎn)金屬，不適合高熔點(diǎn)金屬的霧化，而且粉末粒度也較粗。中國專利 ZL200820056451. 7發(fā)明一種組合噴嘴，主要特征是在主噴嘴的上方增加一輔助噴嘴，產(chǎn)生一向下的氣流，目的是減少衛(wèi)星粉末和空心粉末的比例。中國專利CN 1709585Α發(fā)明了一高壓霧化噴嘴，該噴嘴的氣體通道采用了 Laval形式，可以獲得較高的氣流速度，霧化效率明顯增加。高熔點(diǎn)金屬的平均粒度可以降低至30 μ m左右。但該噴嘴的Laval流道難于精確加工，影響氣流速度的提高，而且氣體流道的形成的噴射角最高僅為45°，霧化效率不能進(jìn)一步的提高。申請人:申請的專利(專利號ZL200910304166. 1)噴嘴有效地解決了上述專利的不足，制取微細(xì)粉末方面具有明顯的優(yōu)勢。除申請人的專利對導(dǎo)液管的作用進(jìn)行規(guī)定外，其它上述專利中并未對導(dǎo)液管的尺寸作出規(guī)定。導(dǎo)液管是霧化噴嘴的一個(gè)不可缺少的組成部分，它負(fù)責(zé)將熔化的金屬熔體導(dǎo)入噴嘴；同時(shí)導(dǎo)液管的尺寸也決定了噴嘴氣流出口的尺寸，并直接影響氣流的破碎效果。使用大直徑的導(dǎo)液管(如外徑大于14mm)可以有效解決高溫熔體對噴嘴的損壞，但增加了氣流至霧化焦點(diǎn)的距離，降低氣流的霧化效率。因此，導(dǎo)液管的尺寸和形狀對霧化效率作用十分明顯。在工業(yè)應(yīng)用中導(dǎo)液管由陶瓷材料制備，將直徑降至IOmm以下是不可行的，因此導(dǎo)液管的存在限制了霧化噴嘴尺寸的進(jìn)一步縮小，不利于霧化效率的有效提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種氣體霧化的效率高、微細(xì)粉末的收得率高、高速氣流、尺寸更小的制備微細(xì)金屬粉末的氣體霧化噴嘴。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的制備微細(xì)金屬粉末的氣體霧化噴嘴，由上噴嘴和下噴嘴兩部分組合而成，所述的上噴嘴的工作部分是一個(gè)圓錐臺，中心軸向設(shè)有金屬流出通道，所述的下噴嘴由一個(gè)圓柱內(nèi)腔下連接一個(gè)內(nèi)圓錐形臺組成，連接處設(shè)有下噴嘴圓弧過渡段，所述的上噴嘴與所述的下噴嘴的圓柱內(nèi)腔之間形成有進(jìn)氣腔，所述的上噴嘴的圓錐臺與所述的下噴嘴的內(nèi)圓錐形臺組合形成有最狹窄處的喉部和逐漸發(fā)散的氣流擴(kuò)張段，形成一個(gè)具有Laval噴管結(jié)構(gòu)特征的通道，所述的氣流擴(kuò)張段的長度為5 30mm， 所述的上噴嘴的圓錐臺的錐角為α，其取值范圍為30° 75°，所述的上噴嘴(1)的圓錐臺的氣流出口端的直徑為d，其取值范圍為6. 2 15mm ；所述的下噴嘴的內(nèi)圓錐形臺的錐角為ω，其取值范圍為20° 70°。所述的喉部由一圓弧面和一圓錐面組成，所述的氣流擴(kuò)張段由兩個(gè)圓錐面組成。霧化壓力在0. 5 4. 5MPa范圍內(nèi)使用，氣體流量為2 IOm3/分鐘。所述的上噴嘴與所述的下噴嘴的上下部分的接合部分的密封采用焊接或密封圈形式密封。所述的金屬流出通道的直徑為Φ，其取值為1 6mm。所述的上噴嘴由金屬材料或低導(dǎo)熱系數(shù)的耐高溫陶瓷氧化鋯或氮化硼制造。所述的上噴嘴的出口伸出所述的下噴嘴的下端的長度為L，其取值為1 5mm。采用上述技術(shù)方案的制備微細(xì)金屬粉末的氣體霧化噴嘴，依據(jù)氣體動力學(xué)的原理，具有Laval結(jié)構(gòu)的噴管其氣流出口速度將達(dá)到超聲速狀態(tài)。噴嘴的氣體流道的面積可以參考Laval噴管的相關(guān)方程進(jìn)行計(jì)算，在氣體流量取一定值時(shí)，可以計(jì)算出相應(yīng)的喉部面積和出口面積。本發(fā)明的噴嘴在霧化壓力不高于4. 5MPa的條件下使用，氣體流量為2 IOm3/分鐘，據(jù)此可計(jì)算出氣體流道的面積。本發(fā)明的另一個(gè)要點(diǎn)是取消了導(dǎo)液管，將噴嘴和導(dǎo)液管兩個(gè)部件合為一體，氣體的流出通道完全符合Laval噴管的要求，不存在導(dǎo)液管與噴嘴連接時(shí)產(chǎn)生不連續(xù)的氣體流道的問題。對于低熔點(diǎn)金屬熔體，噴嘴的上部可以用金屬材料制備(如不銹鋼、碳鋼等)，對高熔點(diǎn)金屬熔體，噴嘴的上部可由低導(dǎo)熱系數(shù)的耐高溫陶瓷制造，如氧化鋯、氮化硼等。這樣可以保證在高熔點(diǎn)金屬熔體霧化時(shí)不燒毀噴嘴。上噴嘴的出口直徑為Φ，其取值為3 13mm。上噴嘴出口伸出下噴嘴的長度為L，其取值為2 5mm。本發(fā)明所使用的上噴嘴的出口直徑很小，明顯縮短了氣流到液流匯焦的距離，在生產(chǎn)細(xì)粉末方面非常有效。本發(fā)明的有益效果是噴嘴的氣體流道具有Laval噴管結(jié)構(gòu)特征，可以產(chǎn)生高速氣流，提高霧化效率，同采用大的噴射角和無導(dǎo)液管噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高氣流對金屬液流的沖擊破碎效果，使本發(fā)明噴嘴的霧化效率顯著提高，大幅度增加微細(xì)粉末的產(chǎn)率。噴嘴還可以在氣體流量不高于IOm3/分鐘、壓力低于4. 5MPa的條件下使用，顯著減少霧化氣體的用量，降低生產(chǎn)成本。同時(shí)本發(fā)明噴嘴還適用于熔點(diǎn)在1500°C以下所有金屬及合金熔體的霧化，為絕大多數(shù)的氣體霧化粉末，尤其是低熔點(diǎn)金屬如鋁、鋅、鎂、錫等金屬和合金的微細(xì)粉末制備提供了新的解決方案。綜上所述，本發(fā)明是一種氣體霧化的效率高、微細(xì)粉末的收得率高、高速氣流、尺寸更小的制備微細(xì)金屬粉末的氣體霧化噴嘴。


圖1是本發(fā)明提供的噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)構(gòu)附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。參見圖1，由上噴嘴1和下噴嘴2兩部分組合而成，上噴嘴1與下噴嘴2的上下部分的接合部分8的密封采用焊接或密封圈形式密封，上噴嘴1由金屬材料或低導(dǎo)熱系數(shù)的耐高溫陶瓷氧化鋯或氮化硼制造，上噴嘴1的工作部分是一個(gè)圓錐臺，中心軸向設(shè)有金屬流出通道3，金屬流出通道3的直徑為Φ，其取值為1 6mm，下噴嘴2由一個(gè)圓柱內(nèi)腔下連接一個(gè)內(nèi)圓錐形臺組成，連接處設(shè)有下噴嘴圓弧過渡段7，上噴嘴1與下噴嘴2的圓柱內(nèi)腔之間形成有進(jìn)氣腔4，上噴嘴1的圓錐臺與下噴嘴2的內(nèi)圓錐形臺組合形成有最狹窄處的喉部5和逐漸發(fā)散的氣流擴(kuò)張段6，形成一個(gè)具有Laval噴管結(jié)構(gòu)特征的通道，氣流擴(kuò)張段6 的長度為5 30mm，喉部5由一圓弧面和一圓錐面組成，氣流擴(kuò)張段6由兩個(gè)圓錐面組成， 上噴嘴1的圓錐臺的錐角為α，其取值范圍為30° 75°，上噴嘴1的圓錐臺的氣流出口端的直徑為d，其取值范圍為6. 2 15mm ；下噴嘴2的內(nèi)圓錐形臺的錐角為ω，其取值范圍為20° 70°。上噴嘴1的出口伸出下噴嘴2的下端的長度為L，其取值為1 5mm。霧化壓力在0. 5 4. 5MPa范圍內(nèi)使用，氣體流量為2 IOm3/分鐘。實(shí)施例1 使用圖1所示的噴嘴結(jié)構(gòu)，噴嘴的最高使用壓力為3. OMPa，氣體流量為6Nm3/ min(氮?dú)?，噴嘴上部錐臺的錐角為65°，下部內(nèi)錐臺的錐角為50°，上噴嘴的出口的外徑為10mm，中心通孔徑為3. 5mm，伸出下噴嘴的氣流出口端4. 5mm。上噴嘴由氮化硼陶瓷制造。 以！^-5. 4wt% Si-9. 6wt% Al鐵合金為霧化對象進(jìn)行粉末的霧化試驗(yàn)，試驗(yàn)合金為25kg，霧化溫度為1500°C，霧化壓力為3.0MPa。霧化后將粉末用標(biāo)準(zhǔn)分析篩進(jìn)行粉末粒度測定，所霧化的粉末中粒度小于150 μ m(-100目)的粉末的比例為96. 3%，小于45 μ m(-320目)的粉末的比例為76. 0%，小于23 μ m(-600目)的粉末的比例為60. 1%，粉末的平均粒度d5Q 約為18 μ mo實(shí)施例2 使用圖1所示的噴嘴結(jié)構(gòu)，噴嘴的最高使用壓力為3.0MPa，氣體流量為5Nm3/ min(氮?dú)?，噴嘴上部錐臺的錐角為65°，下部內(nèi)錐臺的錐角為50°，上噴嘴的出口的外徑為8mm，中心通孔徑為3. 0mm，伸出下噴嘴的氣流出口端4. 5mm。上噴嘴由氮化硼陶瓷制造。以Ni-Hwt % Cr-IOwt % P合金為霧化對象進(jìn)行粉末的霧化試驗(yàn)，試驗(yàn)合金為20kg，霧化溫度為1250°C，霧化壓力為2.5MPa。霧化后將粉末用標(biāo)準(zhǔn)分析篩進(jìn)行粉末粒度測定，所霧化的粉末中粒度小于75μπι(-200目)的粉末的比例為85%，小于45μπι(-320目)的粉末的比例為74.8%，小于23μπι(-600目)的粉末的比例為63. 0%，粉末的平均粒度d5(1約為 18 μ m。實(shí)施例3 使用圖1所示的噴嘴結(jié)構(gòu)，噴嘴的最高使用壓力為3. OMPa，氣體流量為4Nm3/ min(氮?dú)?，噴嘴上部錐臺的錐角為55°，下部內(nèi)錐臺的錐角為40°，上噴嘴的出口的外徑為8mm，中心通孔徑為2. 5mm，伸出下噴嘴的氣流出口端4. 5mm。上噴嘴由氮化硼陶瓷制造。以純鋁為霧化對象進(jìn)行粉末的霧化試驗(yàn)，試驗(yàn)合金為10kg，霧化溫度為800°C，霧化壓力為2. 5MPa。霧化后將粉末用標(biāo)準(zhǔn)分析篩進(jìn)行粉末粒度測定，所霧化的粉末中粒度小于 150 μ m(-100目)的粉末的比例為95. 5%，小于45μπι(-320目)的粉末的比例為70. 1 %， 小于23 μ m(-600目)的粉末的比例為52. 4%，粉末的平均粒度d50約為20 μ m。實(shí)施例4 使用圖1所示的噴嘴結(jié)構(gòu)，噴嘴的最高使用壓力為3. OMPa，氣體流量為4Nm3/ min(氮?dú)?，噴嘴上部錐臺的錐角為55°，下部內(nèi)錐臺的錐角為40°，上噴嘴的出口的外徑為6mm，中心通孔徑為2. 5mm，伸出下噴嘴的氣流出口端4. 0mm。上噴嘴由不銹鋼陶瓷制造。以Si-IOwt^ Mg合金為霧化對象進(jìn)行粉末的霧化試驗(yàn)，試驗(yàn)合金為20kg，霧化溫度為 600°C，霧化壓力為2.0MPa。霧化后將粉末用標(biāo)準(zhǔn)分析篩進(jìn)行粉末粒度測定，所霧化的粉末中粒度小于150 μ m(-100目)的粉末的比例為92. 5%，小于75 μ m(-200目)的粉末的比例為81.2%，小于23μπι(-600目)的粉末的比例為55. 5%，粉末的平均粒度d5(1約為21 μ m。實(shí)施例5:使用圖1所示的噴嘴結(jié)構(gòu)，噴嘴的最高使用壓力為4. OMPa，氣體流量為4Nm3/ min(氮?dú)?，噴嘴上部錐臺的錐角為50°，下部內(nèi)錐臺的錐角為36°，上噴嘴的出口的外徑為4mm，中心通孔徑為1. 5mm，伸出下噴嘴的氣流出口端3. 5mm。上噴嘴由不銹鋼陶瓷制造。 以Sn-30wt% Pb為霧化對象進(jìn)行粉末的霧化試驗(yàn)，試驗(yàn)合金為20kg，霧化溫度為250°C， 霧化壓力為1.5MPa。霧化后將粉末用標(biāo)準(zhǔn)分析篩進(jìn)行粉末粒度測定，所霧化的粉末中粒度小于150ym(-100目)的粉末的比例為90. 5%，小于45μπι(-320目)的粉末的比例為 72. 5%，小于23μπι(-600目)的粉末的比例為56. 8%，粉末的平均粒度d5(1約為18 μ m。
權(quán)利要求
1.一種制備微細(xì)金屬粉末的氣體霧化噴嘴，其特征是由上噴嘴(1)和下噴嘴(2)兩部分組合而成，所述的上噴嘴(1)的工作部分是一個(gè)圓錐臺，中心軸向設(shè)有金屬流出通道 (3)，所述的下噴嘴O)由一個(gè)圓柱內(nèi)腔下連接一個(gè)內(nèi)圓錐形臺組成，連接處設(shè)有下噴嘴圓弧過渡段(7)，所述的上噴嘴(1)與所述的下噴嘴O)的圓柱內(nèi)腔之間形成有進(jìn)氣腔G)， 所述的上噴嘴(1)的圓錐臺與所述的下噴嘴O)的內(nèi)圓錐形臺組合形成有最狹窄處的喉部(5)和逐漸發(fā)散的氣流擴(kuò)張段(6)，形成一個(gè)具有Laval噴管結(jié)構(gòu)特征的通道，所述的氣流擴(kuò)張段(6)的長度為5 30mm，所述的上噴嘴⑴的圓錐臺的錐角為α，其取值范圍為 30° 75°，所述的上噴嘴(1)的圓錐臺的氣流出口端的直徑為d，其取值范圍為6. 2 Ilmm;所述的下噴嘴O)的內(nèi)圓錐形臺的錐角為ω，其取值范圍為20° 70°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的所述的制備微細(xì)金屬粉末的氣體霧化噴嘴，其特征是所述的喉部(5)由一圓弧面和一圓錐面組成，所述的氣流擴(kuò)張段(6)由兩個(gè)圓錐面組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2的所述的制備微細(xì)金屬粉末的氣體霧化噴嘴，其特征是霧化壓力在0. 5 4. 5MPa范圍內(nèi)使用，氣體流量為2 IOm3/分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的所述的制備微細(xì)金屬粉末的氣體霧化噴嘴，其特征是所述的上噴嘴(1)與所述的下噴嘴( 的上下部分的接合部分(8)的密封采用焊接或密封圈形式密封。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2的所述的制備微細(xì)金屬粉末的氣體霧化噴嘴，其特征是所述的金屬流出通道(3)的直徑為Φ，其取值為1 6mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2的所述的制備微細(xì)金屬粉末的氣體霧化噴嘴，其特征是所述的上噴嘴(1)由金屬材料或低導(dǎo)熱系數(shù)的耐高溫陶瓷氧化鋯或氮化硼制造。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2的所述的制備微細(xì)金屬粉末的氣體霧化噴嘴，其特征是所述的上噴嘴(1)的出口伸出所述的下噴嘴O)的下端的長度為L，其取值為1 5mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備微細(xì)金屬粉末的氣體霧化噴嘴，上噴嘴(1)的工作部分是一個(gè)圓錐臺，中心軸向設(shè)有金屬流出通道(3)，下噴嘴(2)由一個(gè)圓柱內(nèi)腔下連接一個(gè)內(nèi)圓錐形臺組成，連接處設(shè)有下噴嘴圓弧過渡段(7)，上噴嘴(1)與下噴嘴(2)的圓柱內(nèi)腔之間形成有進(jìn)氣腔(4)，上噴嘴(1)的圓錐臺與下噴嘴(2)的內(nèi)圓錐形臺組合形成有喉部(5)和氣流擴(kuò)張段(6)，形成一個(gè)具有Laval噴管結(jié)構(gòu)特征的通道。本發(fā)明噴嘴適用于熔點(diǎn)在1500℃以下所有金屬及合金熔體的霧化，尤其是低熔點(diǎn)金屬如鋁、鋅、鎂、錫等金屬及合金的微細(xì)粉末的制備提供了新的解決方案。
文檔編號B22F9/08GK102489711SQ201110399958
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者陳仕奇 申請人:中南大學(xué)