一种金属液滴雾化保护气罩的制作方法

本发明涉及3D打印增材制造领域以及粉末冶金领域，具体涉及一种金属液滴雾化保护气罩。

背景技术：

近年来，随着加工技术的发展及革新，金属粉末在工业领域的应用越来越广泛，高性能的零部件需通过粉末制备已成为业内的共识。而随着金属3D打印技术在工业领域应用，冶金、能源、电子、医疗、航空航天等行业对金属粉末的需求日益扩大。

目前，国内外生产金属粉末的传统方式是雾化法，雾化法的关键部件是雾化器。雾化器的结构对射流流场会产生很大的影响，设计不合理，喷出气流的稳定性不易控制，雾化效果不易保证。

传统的自由降落式雾化器，雾化破碎效果不佳，获得细粉的比例较低。这种雾化器形成的射流流场稳定性差，气体在导流管出口附近形成涡流，导致已雾化的液滴在气流作用下飞溅，粘在雾化器或炉体内腔，形成金属流挂。而且在导流管流出金属液的方向上难以形成负压状态，导致金属熔液在气压作用下向上回流，粘结在导流管出口与雾化喷嘴出气口之间，凝固成结瘤，将导流管和雾化器堵死，雾化中断。因此，设计合理的雾化器至关重要。

技术实现要素：

本发明的其中一个目的是提出一种金属液滴雾化保护气罩，解决了现有技术存在的金属熔液凝结堵塞导流管的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种金属液滴雾化保护气罩，包括：

上腔盖、下腔盖以及导流管；

所述导流管贯穿所述上腔盖以及下腔盖设置；

所述上腔盖以及下腔盖配合后形成高压雾化环缝以及高压腔室，所述金属液滴雾化保护气罩还包括与所述高压腔室连通设置的高压气路。

优选地，所述高压气路对称布置在所述雾化保护气罩两侧，用于向所述高压腔室内通入1～10MPa压力的气体。

优选地，所述高压雾化环缝截面为拉瓦尔喷管截面结构，所述高压雾化环缝的出气口截面由上腔盖的内壁延长线形成夹角β，由下腔盖的外壁延长线形成夹角γ，所述夹角β与所述夹角γ的关系为：β＝γ+10°。

优选地，所述夹角β的范围为35°～65°。

优选地，还包括：

盖板；

所述下腔盖与盖板配合后形成保护气罩环缝以及保护气腔室，所述金属液滴雾化保护气罩还包括与所述保护气腔室连通设置的保护气路。

优选地，所述保护气路对称布置在所述雾化保护气罩两侧，用于向所述保护气腔室内通入0～0.3MPa压力的气体。

优选地，所述保护气罩环缝的出气口截面由所述盖板外壁延长线形成夹角α，由所述盖板外壁延长线与所述下腔盖内壁延长线形成夹角ε，所述夹角α与所述夹角ε的关系为：α＝2ε+10°。

优选地，所述夹角ε的范围为30°～80°。

优选地，所述导流管的出口伸出所述金属液滴雾化保护气罩的距离为5-10mm。

优选地，所述导流管底部截面为锥面，所述锥面的截面侧壁延长线形成的夹角δ与由下腔盖的外壁延长线形成夹角γ共顶点。

基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：

本发明通过高压气路向高压腔室内通入气体，利用高压雾化环缝将高压气流加速到超音速，在导流管的出口附近形成超音速射流场，超音速射流场内部形成负压区，对由导流管内流出的金属液流产生稳定的抽吸作用，撞击金属液流，实现气液之间能量传递，使金属液流破碎成锥状液滴群，在表面张力的作用下收缩成球形的液滴，凝固为金属粉末。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所提供的金属液滴雾化保护气罩的示意图；

图2为本发明实施例优选实施方式所提供的金属液滴雾化保护气罩产生的气体流场示意图；

图3为使用本发明实施例所提供的金属液滴雾化保护气罩制备的金属粉末扫描电镜形貌图。

附图标记：上腔盖1；下腔盖2；盖板3；导流管4；高压雾化环缝1-1；高压腔室1-2；高压气路1-3；保护气罩环缝2-1；保护气腔室2-2；保护气路2-3；超音速射流场5-1；紊流5-2；金属液滴5-3；轨迹5-4；保护气罩5-5。

具体实施方式

下面可以参照附图图1～图3以及文字内容理解本发明的内容以及本发明与现有技术之间的区别点。下文通过附图以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。需要说明的是：本实施例中的任何技术特征、任何技术方案均是多种可选的技术特征或可选的技术方案中的一种或几种，为了描述简洁的需要本文件中无法穷举本发明的所有可替代的技术特征以及可替代的技术方案，也不便于每个技术特征的实施方式均强调其为可选的多种实施方式之一，所以本领域技术人员应该知晓：可以将本发明提供的任一技术手段进行替换或将本发明提供的任意两个或更多个技术手段或技术特征互相进行组合而得到新的技术方案。本实施例内的任何技术特征以及任何技术方案均不限制本发明的保护范围，本发明的保护范围应该包括本领域技术人员不付出创造性劳动所能想到的任何替代技术方案以及本领域技术人员将本发明提供的任意两个或更多个技术手段或技术特征互相进行组合而得到的新的技术方案。

本发明实施例提供了一种金属液滴雾化保护气罩。下面结合图1～图3对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。

如图1～图2所示，本发明实施例所提供的一种金属液滴雾化保护气罩，包括：上腔盖1、下腔盖2以及导流管4；导流管4贯穿上腔盖1以及下腔盖2设置；上腔盖1以及下腔盖2配合后形成高压雾化环缝1-1以及高压腔室1-2，金属液滴雾化保护气罩还包括与高压腔室1-2连通设置的高压气路1-3。本发明通过上腔盖1以及下腔盖2配合后形成高压雾化环缝1-1、高压腔室1-2以及高压气路1-3避免了金属熔液凝结堵塞导流管的技术问题，具体的，本发明通过高压气路1-3向高压腔室1-2内通入气体，例如通入5MPa的氮气。利用高压雾化环缝1-1将高压气流加速到超音速，在导流管4的出口附近形成超音速射流场5-1，超音速射流场5-1内部形成负压区，对由导流管4内流出的金属液流产生稳定的抽吸作用，撞击金属液流，实现气液之间能量传递，使金属液流破碎成锥状液滴群，在表面张力的作用下收缩成球形的液滴，凝固为金属粉末。

其中，高压气路1-3对称布置在雾化保护气罩两侧，高压气路1-3呈180°对称布置，用于向高压腔室1-2内通入1～10MPa压力的气体。在本发明的实施例中通入5MPa的氮气，其中优选方案为充入惰性气体，如N₂气或Ar气，因为在惰性保护气氛下可以避免金属的氧化。

如图1所示，为了更好的形成形成超音速射流场5-1，本发明将高压雾化环缝1-1截面设计为拉瓦尔喷管截面结构，高压雾化环缝1-1的出气口截面由上腔盖1的内壁延长线形成夹角β，由下腔盖2的外壁延长线形成夹角γ，夹角β与夹角γ的关系为：β＝γ+10°。在经过多种计算方法的验证后，经计算得出，本发明中，夹角β的范围为35°～65°时对金属的雾化效果最好，比如β＝50°，γ＝40°时，拉瓦尔喷管截面结构将高压气流加速到超音速，在导流管出口附近形成超音速射流场5-1，超音速射流场5-1内部形成负压区，对由导流管4内流出的金属液流产生稳定的抽吸作用，在截面上以40°角撞击金属液流，实现气液之间能量传递，使金属液流破碎成锥状液滴群，在表面张力的作用下收缩成球形液滴，凝固为金属粉末。

如图2所示，因通入的高压气流不稳定等因素，在导流管4出口附近容易产生紊流5-2，导致已雾化的金属液滴5-3在紊流5-2作用下沿轨迹5-4飞溅。飞溅将造成金属液滴5-3粘在雾化器或炉体内腔，形成金属流挂，或金属液滴5-3碰撞到炉壁变形成非球形的颗粒。因此，本发明的另一优选实施例中，在上一实施例的基础上增加了盖板3，下腔盖2与盖板3配合后形成保护气罩环缝2-1以及保护气腔室2-2，金属液滴雾化保护气罩还包括与保护气腔室2-2连通设置的保护气路2-3。在本实施例中，通过下腔盖2与盖板3配合后形成保护气罩环缝2-1、保护气腔室2-2以及保护气路2-3避免了金属液滴5-3飞溅的技术问题，具体的，本发明通过保护气路2-3向保护气腔室2-2通入气体，例如通入0.1MPa的氮气。利用保护气罩环缝2-1将保护气腔室2-2中的气体喷出形成锥形的保护气罩5-5，金属液滴5-3在紊流5-2作用下，沿轨迹5-4飞入保护气罩5-5中，原飞溅轨迹将被改变，开始向下飞行，有效得防止了金属液滴5-3因飞溅造成的不良影响，进一步保证了雾化效果。

其中，保护气路2-3对称布置在雾化保护气罩5-5两侧，保护气路2-3呈180°对称布置，保护气路2-3用于向保护气腔室2-2内通入0～0.3MPa压力的气体。在本发明的实施例中通入0.1MPa的氮气，其中优选方案为充入惰性气体，如N₂气或Ar气，因为在惰性保护气氛下可以避免金属的氧化。

如图1所示，为了更好的避免金属液滴5-3飞溅的技术问题，本发明进行了如下的设计：保护气罩环缝2-1的出气口截面由盖板3外壁延长线形成夹角α，由盖板3外壁延长线与下腔盖2内壁延长线形成夹角ε，夹角α与夹角ε的关系为：α＝2ε+10°。在经过多种计算方法的验证后，经计算得出，本发明中，夹角ε的范围为30°～80°时对金属的雾化效果最好，比如，取α＝100°，ε＝45°时，保护气腔室2-2通入0.1MPa氮气形成锥形的保护气罩5-5，金属液滴5-3在紊流5-2作用下，沿轨迹5-4飞入保护气罩5-5，将改变原飞溅轨迹，开始向下飞行，有效得防止了液滴因飞溅造成的不良影响，保证了雾化效果。

为了进一步防止金属熔液凝结堵塞导流管，本发明将导流管4的出口伸出金属液滴雾化保护气罩的距离为5-10mm，优选地，导流管4的出口伸出金属液滴雾化保护气罩的距离为7mm。同样，为了降低金属熔液凝结堵塞导流管的风险，如图2所示将导流管4底部截面设计为锥面，锥面的截面侧壁延长线形成的夹角δ与由下腔盖的外壁延长线形成夹角γ共顶点O，以形成图2中超音速射流场5-1的虚线轮廓，确保超音速射流场5-1内部形成负压区。

本发明利用此装置对镍基高温合金，牌号IN718进行雾化。取β＝50°，γ＝40°，导流管出口伸出雾化器的距离为7mm，高压腔室通入5MPa氮气；取α＝100°，ε＝45°，保护气腔室通入0.1MPa氮气。经过雾化后获得的金属粉末粒度范围在15-53μm，球形度佳，雾化效果佳，且未在雾化器上形成飞溅沾粘及流挂。图3为使用本发明所提供的金属液滴雾化保护气罩制备的镍基高温合金，牌号IN718的金属粉末的扫描电镜形貌图。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。

同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。