专利名称：用于高效率制备微细金属及合金粉末的雾化喷嘴的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用高压气流将液态金属及合金熔体破碎成小液滴并凝固成粉末的雾化 喷嘴，尤其是制备粉末粒度微细并具有球形特征的雾化喷嘴。
背景技术：
气体雾化技术是金属及合金粉末的一种生产方法，其制粉的原理是用一高速气流将从导 液管流出液态金属流粉碎成小液滴并在随后的飞行中凝固成粉末的过程。气雾化粉末具有球 形度高、粉末粒度可控等优点，已成为高性能及特种合金粉末制备的主要方向。
雾化喷嘴是气体雾化技术的核心，喷嘴控制气流对金属液流的作用过程，使气流的动能 转化为新生粉末表面能，因此这一控制部件即喷嘴(nozzle)决定了雾化粉末的性能和雾化 效率。随着粉末冶金注射成形技术的出现，以及粉末原材料在表面工程、电子、化工、激光 快速原形、军事等工业中的应用，对金属粉末的要求向着粒径微细、球形化方向发展，因此 提高微细粉末(一般指粒度小于45um的粉末)的收得率和粉末的可控性，降低粉末制备成 本，已成为雾化制粉技术和装备发展的趋势。
在常规的气体雾化工艺中，普遍采用自由落体式喷嘴结构。这种形式的喷嘴设计简单、 不易堵嘴、控制过程也比较简单，但这种喷嘴雾化效率不高，仅适用于60—300ym粒度粉末 的生产。为了提高雾化效率，后来发展了限制式喷嘴，这种喷嘴由于縮短了气流的自由飞行 距离，使雾化效率得到很大的提高。现代具有工业实用意义的雾化技术是在这一基础上发展 起来的。具有代表性的喷嘴主要有两类 一是美国MIT的Grant教授发明的超声雾化喷嘴(US Patent N. 4778516)。超声雾化喷嘴由拉瓦尔喷嘴和Hartman振动管组合在一起，在产生 2—2. 5M的超音速气流的同时产生80—100KHz的脉冲频率，粉末的平均粒度可达到40—60 y m 。该雾化器的目的是为了生产具有快速冷凝效果的铝及合金，仅适用于铝等低熔点金属粉末 的生产。美国Iowa州立大学的Ames实验室Anderson等人发明了高压气体雾化喷嘴(US Patent N. 4619845)。将喷嘴的环缝出口改为20—24个单一喷孔，通过提高气压(最高可达 成17MPa)和导液管出口处的形状设计，克服限制式喷嘴中存在的气流激波，这一改进可以 显著提高雾化效率。粉末的平均粒度可达到30--50um。该雾化器的雾化效率是在很高的压 力下实现的，在工业上实现难度高，而且气体消耗量过大，不利于生产成本的控制。
中国专利CN1282282A发明了矩形层流雾化喷嘴，金属液从一长约50mm，宽O. 7mm的导管 中流出，进入喷嘴后形成Laval形状，从而产生高的雾化效率。这一喷嘴是目前公开的具有最高雾化效率的喷嘴，粉末的平均粒度可以达到10—20ym。但该喷嘴在工艺上要求很高， 一是要求金属液的过热度很高，对于高熔点金属不适合；二是雾化过程不稳定易于堵嘴，雾 化过程难于进行。中国专利CN1078928A发明了超声速环形射流雾化器，是在低压下雾化低熔 点金属，不适合高熔点金属的雾化，而且粉末粒度也较粗。中国专利ZL200820056451.7发明 一种组合喷嘴，主要特征是在主喷嘴的上方增加一辅助喷嘴，产生一向下的气流，目的是减 少卫星粉末和空心粉末的比例。中国专利CN1709585A发明了一高压雾化喷嘴，该喷嘴的气体 通道采用了Laval形式，可以获得较高的气流速度，雾化效率明显增加。高熔点金属的平均 粒度可以降低至30ym左右。但该喷嘴的Laval流道难于精确加工，影响气流速度的提高，而 且气体流道的形成的喷射角最高仅为45。，雾化效率不能进一步的提高。
在上述专利中并未对导液管的尺寸作出规定。导液管是雾化喷嘴的一个不可缺少的组成 部分，它负责将熔化的金属熔体导入喷嘴；同时导液管的尺寸也决定了喷嘴气流出口的尺寸 ，并直接影响气流的破碎效果。使用大直径的导液管(如外径大于14mm)可以有效解决高温 熔体对喷嘴的损坏，但增加了气流至雾化焦点的距离，降低气流的雾化效率。现有的喷嘴对 导液管的作用及大小均未提及，因此，导液管对提高雾化效率的影响被忽略了，而实际上它 对雾化效率作用十分明显。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种气体雾化效率高，微细粉末的收得率高，具有高 速气流、高的喷射角和导液管直径更小且适用于熔点160(TC以下所有金属及合金熔体的雾化 的用于高效率制备微细金属及合金粉末的雾化喷嘴。
为了解决上述技术问题，本发明提供的用于高效率制备微细金属及合金粉末的雾化喷嘴 ，包括导液管，由上喷嘴和下喷嘴两部分组合而成，所述的上喷嘴和下喷嘴两部分组合后形 成一进气腔，所述的上喷嘴的工作部分是一个圆锥台，所述的圆锥台的气流出口端的直径d 的取值范围为6.2—15mm，所述的圆锥台的锥角a的取值范围为30。 一75° ;所述的下喷嘴 由一个圆柱内腔下连接一个内圆锥形台，连接处采用圆弧过渡，所述的内圆锥形台的锥角w 的取值范围为20。 一70° ;所述的圆锥台和内圆锥形台组合后形成喉部和气流扩张段，形成 一个具有Laval喷管结构特征的通道，所述的气流扩张段的中心线形成的夹角即为喷射角， 这一角度为25。 一70° ，所述的气流扩张段的长度为5—30mm;所述的导液管设在所述的圆 锥台中心，所述的导液管的直径①的取值为6—13mm，所述的导液管是一圆柱形导液管或者 出口端带一定锥度的圆锥形导液管，所述的导液管伸出所述的圆锥台的气流出口端的长度为 L，对于圆柱形导液管，其取值为2—5mm;对于圆锥形导液管，其取值为3—6mm。上喷嘴和下喷嘴的接合部分的密封可以采用焊接或密封圈形式密封，或者以其它形 式加装的任何辅助密封及装置。
导液管由低导热系数的耐高温陶瓷制造，如氧化锆。
采用上述技术方案的用于高效率制备微细金属及合金粉末的雾化喷嘴，上下锥台在组合 后形成气体流出通道，气体通道的中心线形成的夹角即为喷射角，这一角度为25。 一70° 。 由于角a的值大于w，气体流道在气腔出口处是最狭窄处(即喉部)，然后逐渐发散(即气 流扩张段)，形成一个具有Laval喷管结构特征的通道，扩张段的长度为5—30mm。依据气体 动力学的原理，具有Laval结构的喷管其气流出口速度将达到超声速状态。
喷嘴的气体流道的面积可以参考Laval喷管的相关方程进行计算，在气体流量取一定值 时，可以计算出相应的喉部面积和出口面积。本发明的喷嘴在雾化压力不高于4. 5MPa的条件 下使用，气体流量为3—15m3/分钟，据此可计算出气体流道的面积。
本发明的另一个要点是导液管，导液管是一圆柱形管状结构或者出口端带一定锥度，导 液管由低导热系数的耐高温陶瓷制造，如氧化锆。这样可以保证在高熔点金属熔体雾化时不 烧毁喷嘴。导液管的直径为①，其取值为6—13mm。导液管伸出喷嘴的长度为L，对于圆柱形 导液管，其取值为2—4mm;而对于圆锥形导液管，其取值为3—5mm。导液管的直径的大小影 响气流自出口至雾化焦点的距离。导液管直径大时，这一距离相应增加，由于气流发散与速 度衰减，导致雾化效率明显降低。本发明所使用的导液管直径小，明显縮短了气流到液流汇 焦的距离，在生产细粉末方面非常有效。
本发明的有益效果是喷嘴的气体流道具有Laval喷管结构特征，可以产生高速气流，提 高雾化效率，同采用大的喷射角和小直径的导液管进一步提高气流对金属液流的冲击破碎效 果，使本发明喷嘴的雾化效率显著提高，大幅度增加微细粉末的产率。喷嘴还可以在气体流 量不高于151113/分钟、压力低于4.5MPa的条件下使用，减少雾化气体的用量，降低生产成本 。同时本发明喷嘴还适用于熔点在160(TC以下所有金属及合金熔体的雾化，为绝大多数的气 体雾化粉末的制备与应用提供了解决方案。
图l使用圆柱形导液管的喷嘴的结构图； 图2使用圆锥形导液管的喷嘴的结构图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图l，上喷嘴1和下喷嘴2两部分组合后形成一进气腔4，上喷嘴l的工作部分是一个圆锥台9，下喷嘴2由一个圆柱内腔11下连接一个内圆锥形台10，连接处采用圆弧过渡7，圆 锥台9的锥角a的取值范围为30。 一75° ，圆锥台9的气流出口端的直径d的取值范围为 6.2—15mm;内圆锥形台10的锥角w的取值范围为20。 一70° ;圆锥台9和内圆锥形台10组合 后形成喉部5和气流扩张段6，形成一个具有Laval喷管结构特征的通道，气流扩张段6的中心 线形成的夹角即为喷射角，这一角度为25。 一70° ，气流扩张段6的长度为5—30mm;导液管 3设在所述的圆锥台9中心，导液管3由低导热系数的耐高温氧化锆陶瓷制造，导液管3的直径 ①的取值为6—13mm，导液管3是一圆柱形导液管，导液管3伸出圆锥台9的气流出口端的长度 为L，其取值为2—5mm，上喷嘴1和下喷嘴2的接合部分8的密封采用焊接密封。
参见图2，上喷嘴1和下喷嘴2两部分组合后形成一进气腔4，上喷嘴l的工作部分是一个 圆锥台9，下喷嘴2由一个圆柱内腔11下连接一个内圆锥形台10，连接处采用圆弧过渡7，圆 锥台9的锥角a的取值范围为30。 一75° ，圆锥台9的气流出口端的直径d的取值范围为 6.2—15mm;内圆锥形台10的锥角w的取值范围为20。 一70° ;圆锥台9和内圆锥形台10组合 后形成喉部5和气流扩张段6，形成一个具有Laval喷管结构特征的通道，气流扩张段6的中心 线形成的夹角即为喷射角，这一角度为25。 一70° ，气流扩张段6的长度为5—30mm;导液管 3设在圆锥台9中心，导液管3由低导热系数的耐高温氧化锆陶瓷制造，导液管3的直径①的取 值为6—13mm，导液管3是出口端带一定锥度的圆锥形导液管，导液管3伸出圆锥台9的气流出 口端的长度为L，其取值为3—6mm，上喷嘴1和下喷嘴2的接合部分8的密封采用焊接或密封圈 形式密封。 实施例l:
使用图2所示的喷嘴结构，喷嘴的最高使用压力为4.0MPa，气体流量为8NmVmin (氮气 )，喷嘴上部锥台的锥角为65。，下部内锥台的锥角为50。，采用带锥形出口的导液管，导 液管的外径为12mm，内径为3. 5mm，导液管伸出喷嘴的气流出口端4. 5mm。以316L不锈钢为雾 化对象进行粉末的雾化试验，试验合金为30kg，雾化温度为160(TC，雾化压力为4.0MPa。雾 化后将粉末用标准分析筛进行粉末粒度测定，所雾化的粉末中粒度小于150um (-100目)的 粉末的比例为98. 5%，小于45ym (-320目)的粉末的比例为71. 3%，小于23ym (-6000目) 的粉末的比例为56. 2%，粉末的平均粒度d5o约为20 y m。
实施例2:
使用图2所示的喷嘴结构，喷嘴的最高使用压力为4.0MPa，气体流量为8NmVmin ( 氮气)，喷嘴上部锥台的锥角为65。，下部内锥台的锥角为50。，采用带锥形出口的导液管 ，导液管的外径为10mm，内径为3.5mm，导液管伸出喷嘴的气流出口端4. 5mm。以Cu-10wt%Al
6合金为雾化对象进行粉末的雾化试验，试验合金为30kg，雾化温度为120(TC，雾化压力为 4.0MPa。雾化后将粉末用标准分析筛进行粉末粒度测定，所雾化的粉末中粒度小于75um ( -200目)的粉末的比例为87. 2%，小于45ym (-320目)的粉末的比例为78. 3%，小于23ym ( -6000目)的粉末的比例为65.0%，粉末的平均粒度d5o约为16um。 实施例3:
使用图2所示的喷嘴结构，喷嘴的最高使用压力为4.0MPa，气体流量为8NmVmin (氮气 )，喷嘴上部锥台的锥角为55。，下部内锥台的锥角为40。，采用带锥形出口的导液管，导 液管的外径为12mm，内径为3. 5mm，导液管伸出喷嘴的气流出口端4. 8mm。以316L不锈钢为雾 化对象进行粉末的雾化试验，试验合金为30kg，雾化温度为160(TC，雾化压力为4.0MPa。雾 化后将粉末用标准分析筛进行粉末粒度测定，所雾化的粉末中粒度小于150um (-100目)的 粉末的比例为94. 5%，小于45ym (-320目)的粉末的比例为65. 8%，小于23ym (-6000目) 的粉末的比例为47. 5%，粉末的平均粒度d5o约为25 y m。
实施例4:
使用图l所示的喷嘴结构，喷嘴的最高使用压力为4.0MPa，气体流量为8NmVmin (氮气 )，喷嘴上部锥台的锥角为55。，下部内锥台的锥角为40。，采用不带锥形出口的导液管， 导液管的外径为12mm，内径为3. 5mm，导液管伸出喷嘴的气流出口端3. 5mm。以Fe-10wt。/。Ni合 金为雾化对象进行粉末的雾化试验，试验合金为30kg，雾化温度为165(TC，雾化压力为 4.0MPa。雾化后将粉末用标准分析筛进行粉末粒度测定，所雾化的粉末中粒度小于150um ( -100目)的粉末的比例为90. 5%，小于75ym (-200目)的粉末的比例为83. 1%，小于23ym ( -6000目)的粉末的比例为45. 5%，粉末的平均粒度d5o约为28um。
实施例5:
使用图l所示的喷嘴结构，喷嘴的最高使用压力为4.0MPa，气体流量为8NmVmin (氮气 )，喷嘴上部锥台的锥角为50。，下部内锥台的锥角为36。，采用带锥形出口的导液管，导 液管的外径为8mm，内径为3. Omm，导液管伸出喷嘴的气流出口端4. Omm。以Cu-40wt。/。Ii为雾 化对象进行粉末的雾化试验，试验合金为20kg，雾化温度为80(TC，雾化压力为3.0MPa。雾 化后将粉末用标准分析筛进行粉末粒度测定，所雾化的粉末中粒度小于150um (-100目)的 粉末的比例为96. 5%，小于45ym (-320目)的粉末的比例为75. 8%，小于23ym (-6000目) 的粉末的比例为61. 5%，粉末的平均粒度d5o约为15 y m。
权利要求
1.一种用于高效率制备微细金属及合金粉末的雾化喷嘴，包括导液管(3)，其特征是由上喷嘴(1)和下喷嘴(2)两部分组合而成，所述的上喷嘴(1)和下喷嘴(2)两部分组合后形成一进气腔(4)，所述的上喷嘴(1)的工作部分是一个圆锥台(9)，所述的下喷嘴(2)由一个圆柱内腔(11)下连接一个内圆锥形台(10)，连接处采用圆弧过渡(7)，所述的圆锥台(9)的锥角α的取值范围为30°--75°，所述的圆锥台(9)的气流出口端的直径d的取值范围为6.2--15mm；所述的内圆锥形台(10)的锥角ω的取值范围为20°--70°；所述的圆锥台(9)和内圆锥形台(10)组合后形成喉部(5)和气流扩张段(6)，形成一个具有Laval喷管结构特征的通道，所述的气流扩张段(6)的长度为5--30mm；所述的导液管(3)设在所述的圆锥台(9)中心，所述的导液管(3)的直径Φ的取值为6--13mm，所述的导液管(3)是一圆柱形导液管或者出口端带一定锥度的圆锥形导液管，所述的导液管(3)伸出所述的圆锥台(9)的气流出口端的长度为L，对于圆柱形导液管，其取值为2--5mm；对于圆锥形导液管，其取值为3--6mm。
2.根据权利要求l的所述的用于高效率制备微细金属及合金粉末的雾 化喷嘴，其特征是所述的上喷嘴(1)和下喷嘴(2)的接合部分(8)的密封采用焊接或 密封圈形式密封。
3.根据权利要求1或2的所述的用于高效率制备微细金属及合金粉末 的雾化喷嘴，其特征是所述的导液管(3)由低导热系数的耐高温陶瓷制造，如氧化锆陶瓷
全文摘要
本发明公开了一种用于高效率制备微细金属及合金粉末的雾化喷嘴。上部的工作部分是一个圆锥台，下部分由一个圆柱内腔下连接一个内圆锥形台，上下锥台在组合后形成气体流出通道，气体流道在气腔出口处是最狭窄处，然后逐渐发散，形成一个具有Laval喷管结构特征的通道。本发明的有益效果是喷嘴的气体流道具有Laval喷管结构特征，可以产生高速气流，提高雾化气体的动能，同采用大的喷射角和小直径的导液管进一步提高气流对金属液流的冲击破碎效果，大幅度增加微细粉末的产率。本发明喷嘴还适用于熔点在1600℃以下所有金属及合金熔体的雾化，为绝大多数的气体雾化粉末的制备与应用提供了解决方案。
文档编号B22F9/08GK101596601SQ20091030416
公开日2009年12月9日 申请日期2009年7月9日 优先权日2009年7月9日
发明者陈仕奇 申请人:中南大学