专利名称：一种制备微细金属粉末的气体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45 μ m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60 300 μ m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，这种喷嘴由于缩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 IOOKHz的脉冲频率，粉末的平均粒度可达到40 60 μ 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 M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 50 μ m。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CN 1282^2A发明了矩形层流雾化喷嘴，金属液从一长约50mm，宽0. 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 20μπι。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CN 1078928Α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CN 1709585Α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30 μ m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。申请人:申请的专利(专利号ZL200910304166. 1)喷嘴有效地解决了上述专利的不足，制取微细粉末方面具有明显的优势。除申请人的专利对导液管的作用进行规定外，其它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。因此，导液管的尺寸和形状对雾化效率作用十分明显。在工业应用中导液管由陶瓷材料制备，将直径降至IOmm以下是不可行的，因此导液管的存在限制了雾化喷嘴尺寸的进一步缩小，不利于雾化效率的有效提高。
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的效率高、微细粉末的收得率高、高速气流、尺寸更小的制备微细金属粉末的气体雾化喷嘴。为了解决上述技术问题，本发明提供的制备微细金属粉末的气体雾化喷嘴，由上喷嘴和下喷嘴两部分组合而成，所述的上喷嘴的工作部分是一个圆锥台，中心轴向设有金属流出通道，所述的下喷嘴由一个圆柱内腔下连接一个内圆锥形台组成，连接处设有下喷嘴圆弧过渡段，所述的上喷嘴与所述的下喷嘴的圆柱内腔之间形成有进气腔，所述的上喷嘴的圆锥台与所述的下喷嘴的内圆锥形台组合形成有最狭窄处的喉部和逐渐发散的气流扩张段，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长度为5 30mm， 所述的上喷嘴的圆锥台的锥角为α，其取值范围为30° 75°，所述的上喷嘴(1)的圆锥台的气流出口端的直径为d，其取值范围为6. 2 15mm ；所述的下喷嘴的内圆锥形台的锥角为ω，其取值范围为20° 70°。所述的喉部由一圆弧面和一圆锥面组成，所述的气流扩张段由两个圆锥面组成。雾化压力在0. 5 4. 5MPa范围内使用，气体流量为2 IOm3/分钟。所述的上喷嘴与所述的下喷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。所述的金属流出通道的直径为Φ，其取值为1 6mm。所述的上喷嘴由金属材料或低导热系数的耐高温陶瓷氧化锆或氮化硼制造。所述的上喷嘴的出口伸出所述的下喷嘴的下端的长度为L，其取值为1 5mm。采用上述技术方案的制备微细金属粉末的气体雾化喷嘴，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2 IOm3/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取消了导液管，将喷嘴和导液管两个部件合为一体，气体的流出通道完全符合Laval喷管的要求，不存在导液管与喷嘴连接时产生不连续的气体流道的问题。对于低熔点金属熔体，喷嘴的上部可以用金属材料制备(如不锈钢、碳钢等)，对高熔点金属熔体，喷嘴的上部可由低导热系数的耐高温陶瓷制造，如氧化锆、氮化硼等。这样可以保证在高熔点金属熔体雾化时不烧毁喷嘴。上喷嘴的出口直径为Φ，其取值为3 13mm。上喷嘴出口伸出下喷嘴的长度为L，其取值为2 5mm。本发明所使用的上喷嘴的出口直径很小，明显缩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无导液管喷嘴结构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IOm3/分钟、压力低于4. 5MPa的条件下使用，显著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1500°C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，尤其是低熔点金属如铝、锌、镁、锡等金属和合金的微细粉末制备提供了新的解决方案。综上所述，本发明是一种气体雾化的效率高、微细粉末的收得率高、高速气流、尺寸更小的制备微细金属粉末的气体雾化喷嘴。
图1是本发明提供的喷嘴的结构示意图。
具体实施例方式下面结构附图和实施例对本发明作进一步说明。参见图1，由上喷嘴1和下喷嘴2两部分组合而成，上喷嘴1与下喷嘴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，上喷嘴1由金属材料或低导热系数的耐高温陶瓷氧化锆或氮化硼制造，上喷嘴1的工作部分是一个圆锥台，中心轴向设有金属流出通道3，金属流出通道3的直径为Φ，其取值为1 6mm，下喷嘴2由一个圆柱内腔下连接一个内圆锥形台组成，连接处设有下喷嘴圆弧过渡段7，上喷嘴1与下喷嘴2的圆柱内腔之间形成有进气腔4，上喷嘴1的圆锥台与下喷嘴2的内圆锥形台组合形成有最狭窄处的喉部5和逐渐发散的气流扩张段6，形成一个具有Laval喷管结构特征的通道，气流扩张段6 的长度为5 30mm，喉部5由一圆弧面和一圆锥面组成，气流扩张段6由两个圆锥面组成， 上喷嘴1的圆锥台的锥角为α，其取值范围为30° 75°，上喷嘴1的圆锥台的气流出口端的直径为d，其取值范围为6. 2 15mm ；下喷嘴2的内圆锥形台的锥角为ω，其取值范围为20° 70°。上喷嘴1的出口伸出下喷嘴2的下端的长度为L，其取值为1 5mm。雾化压力在0. 5 4. 5MPa范围内使用，气体流量为2 IOm3/分钟。实施例1 使用图1所示的喷嘴结构，喷嘴的最高使用压力为3. OMPa，气体流量为6Nm3/ min(氮气)，喷嘴上部锥台的锥角为65°，下部内锥台的锥角为50°，上喷嘴的出口的外径为10mm，中心通孔径为3. 5mm，伸出下喷嘴的气流出口端4. 5mm。上喷嘴由氮化硼陶瓷制造。 以！^-5. 4wt% Si-9. 6wt% Al铁合金为雾化对象进行粉末的雾化试验，试验合金为25kg，雾化温度为1500°C，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150 μ m(-100目)的粉末的比例为96. 3%，小于45 μ m(-320目)的粉末的比例为76. 0%，小于23 μ m(-600目)的粉末的比例为60. 1%，粉末的平均粒度d5Q 约为18 μ mo实施例2 使用图1所示的喷嘴结构，喷嘴的最高使用压力为3.0MPa，气体流量为5Nm3/ min(氮气)，喷嘴上部锥台的锥角为65°，下部内锥台的锥角为50°，上喷嘴的出口的外径为8mm，中心通孔径为3. 0mm，伸出下喷嘴的气流出口端4. 5mm。上喷嘴由氮化硼陶瓷制造。以Ni-Hwt % Cr-IOwt % P合金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1250°C，雾化压力为2.5MPa。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75μπι(-200目)的粉末的比例为85%，小于45μπι(-320目)的粉末的比例为74.8%，小于23μπι(-600目)的粉末的比例为63. 0%，粉末的平均粒度d5(1约为 18 μ m。实施例3 使用图1所示的喷嘴结构，喷嘴的最高使用压力为3. OMPa，气体流量为4Nm3/ min(氮气)，喷嘴上部锥台的锥角为55°，下部内锥台的锥角为40°，上喷嘴的出口的外径为8mm，中心通孔径为2. 5mm，伸出下喷嘴的气流出口端4. 5mm。上喷嘴由氮化硼陶瓷制造。以纯铝为雾化对象进行粉末的雾化试验，试验合金为10kg，雾化温度为800°C，雾化压力为2. 5MPa。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 150 μ m(-100目)的粉末的比例为95. 5%，小于45μπι(-320目)的粉末的比例为70. 1 %， 小于23 μ m(-600目)的粉末的比例为52. 4%，粉末的平均粒度d50约为20 μ m。实施例4 使用图1所示的喷嘴结构，喷嘴的最高使用压力为3. OMPa，气体流量为4Nm3/ min(氮气)，喷嘴上部锥台的锥角为55°，下部内锥台的锥角为40°，上喷嘴的出口的外径为6mm，中心通孔径为2. 5mm，伸出下喷嘴的气流出口端4. 0mm。上喷嘴由不锈钢陶瓷制造。以Si-IOwt^ Mg合金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 600°C，雾化压力为2.0MPa。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150 μ m(-100目)的粉末的比例为92. 5%，小于75 μ m(-200目)的粉末的比例为81.2%，小于23μπι(-600目)的粉末的比例为55. 5%，粉末的平均粒度d5(1约为21 μ m。实施例5:使用图1所示的喷嘴结构，喷嘴的最高使用压力为4. OMPa，气体流量为4Nm3/ min(氮气)，喷嘴上部锥台的锥角为50°，下部内锥台的锥角为36°，上喷嘴的出口的外径为4mm，中心通孔径为1. 5mm，伸出下喷嘴的气流出口端3. 5mm。上喷嘴由不锈钢陶瓷制造。 以Sn-30wt% Pb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250°C， 雾化压力为1.5MPa。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150ym(-100目)的粉末的比例为90. 5%，小于45μπι(-320目)的粉末的比例为 72. 5%，小于23μπι(-600目)的粉末的比例为56. 8%，粉末的平均粒度d5(1约为18 μ m。
权利要求
1.一种制备微细金属粉末的气体雾化喷嘴，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)的工作部分是一个圆锥台，中心轴向设有金属流出通道 (3)，所述的下喷嘴O)由一个圆柱内腔下连接一个内圆锥形台组成，连接处设有下喷嘴圆弧过渡段(7)，所述的上喷嘴(1)与所述的下喷嘴O)的圆柱内腔之间形成有进气腔G)， 所述的上喷嘴(1)的圆锥台与所述的下喷嘴O)的内圆锥形台组合形成有最狭窄处的喉部(5)和逐渐发散的气流扩张段(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，所述的上喷嘴⑴的圆锥台的锥角为α，其取值范围为 30° 75°，所述的上喷嘴(1)的圆锥台的气流出口端的直径为d，其取值范围为6. 2 Ilmm;所述的下喷嘴O)的内圆锥形台的锥角为ω，其取值范围为20° 70°。
2.根据权利要求1的所述的制备微细金属粉末的气体雾化喷嘴，其特征是所述的喉部(5)由一圆弧面和一圆锥面组成，所述的气流扩张段(6)由两个圆锥面组成。
3.根据权利要求1和2的所述的制备微细金属粉末的气体雾化喷嘴，其特征是雾化压力在0. 5 4. 5MPa范围内使用，气体流量为2 IOm3/分钟。
4.根据权利要求1的所述的制备微细金属粉末的气体雾化喷嘴，其特征是所述的上喷嘴(1)与所述的下喷嘴( 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.根据权利要求1或2的所述的制备微细金属粉末的气体雾化喷嘴，其特征是所述的金属流出通道(3)的直径为Φ，其取值为1 6mm。
6.根据权利要求1或2的所述的制备微细金属粉末的气体雾化喷嘴，其特征是所述的上喷嘴(1)由金属材料或低导热系数的耐高温陶瓷氧化锆或氮化硼制造。
7.根据权利要求1或2的所述的制备微细金属粉末的气体雾化喷嘴，其特征是所述的上喷嘴(1)的出口伸出所述的下喷嘴O)的下端的长度为L，其取值为1 5mm。
全文摘要
本发明公开了一种制备微细金属粉末的气体雾化喷嘴，上喷嘴(1)的工作部分是一个圆锥台，中心轴向设有金属流出通道(3)，下喷嘴(2)由一个圆柱内腔下连接一个内圆锥形台组成，连接处设有下喷嘴圆弧过渡段(7)，上喷嘴(1)与下喷嘴(2)的圆柱内腔之间形成有进气腔(4)，上喷嘴(1)的圆锥台与下喷嘴(2)的内圆锥形台组合形成有喉部(5)和气流扩张段(6)，形成一个具有Laval喷管结构特征的通道。本发明喷嘴适用于熔点在1500℃以下所有金属及合金熔体的雾化，尤其是低熔点金属如铝、锌、镁、锡等金属及合金的微细粉末的制备提供了新的解决方案。
文档编号B22F9/08GK102489711SQ201110399958
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月6日 优先权日2011年12月6日
发明者陈仕奇 申请人:中南大学