一种结构参数可调的超音速雾化喷嘴的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于惰性气体雾化法制备微细粉末技术领域，具体涉及一种结构参数可调 的超音速雾化喷嘴。
【背景技术】
[0002] 气体雾化法是生产金属及合金粉末的主要方法。生产雾化粉末具有球形度高、粉 末粒度可控、氧含量低及适应多种金属及合金粉末的生产等优点，已成为高性能金属及合 金粉末制备技术的主要发展方向。
[0003] 气体雾化的基本原理是利用高速惰性气流冲击金属液流，将其粉碎成小熔滴，并 冷却、凝固成粉末的过程。气体雾化的核心是将气流的动能最大限度的转化为雾化熔滴表 面能，因此设计结构合理的喷嘴是获得良好雾化效果的前提。美国专利P5228620公开了一 种限制式紧耦合喷嘴，限制式紧耦合喷嘴的主要结构形式见图1。由于该喷嘴中气体射流与 金属液相互作用的距离短，提高了惰性气体能量利用效率，可以生产尺寸更细小的粉末，其 缺点是由于导流管内径较小且金属在导流管中的流动距离大造成熔融金属凝固堵塞导流 管使雾化中止。監(J ·Mietal ,Metal ·Mater · Trans · B，1997，28:935)等通过数值计算方法研 究了限制式喷嘴中导流管突出长度h对气体流场的作用，认为导流管顶端的抽吸效应随着 突出长度增大而增大，抽吸压强的增大可以在一定程度上降低喷嘴堵管的可能。Cmil (A. . J. PowderMetal .，1990，26:11)研究了气体、金属质量流率以及气体速度等因素 对雾化液滴粒径的影响规律，结果表明增大雾化压强Po和气体质量流率G都可以降低雾化 金属粉末的质量中径d5Q。由于不同金属的雾化对工艺参数的要求不一致，针对不同雾化对 象需要不同雾化参数，而上述专利涉及喷嘴由于结构局限性很难实现气体质量流量以及导 流管突出长度的灵活调整，降低了雾化喷嘴的通用性。
【发明内容】
[0004] 为了提高喷嘴对各种金属雾化的通用性，本发明提供一种结构参数可调的超音速 雾化喷嘴，可以根据雾化金属的不同灵活选择喷嘴的结构参数。
[0005] 实现本发明的技术方案如下：
[0006] -种结构参数可调的超音速雾化喷嘴，包括上模、下模、导流管衬套、以及导流管； 其中上、下模通过紧固螺栓连接，下模开有两个共轴的高压雾化气体入口；导流管衬套贯穿 上、下模并通过内紧外胀式胀套与上模固定；导流管衬套下部与下模两者配合形成两个气 流出口；所述导流管衬套的下部为锥台状，下模配合部分壁面曲线形状为Laval型，所述气 流出口为半Laval环缝型;导流管位于导流管衬套内，且贯穿导流管衬套。
[0007] 本发明导流管衬套与下模配合形成喷嘴的出气口气动外形，且可以通过松开胀套 上的螺母调整两者之间的相对位置，通过调整导流管衬套与导流管以及下模之间相互位 置，可以改变导流管的突出长度h和喷嘴出气口截面积A*，喷嘴可以实现在相同雾化压力下 获得不同的气体质量流率和抽吸压强，满足不同金属的雾化需求。
[0008] 进一步地，本发明导流管突出长度h在1~8mm内调整，出气口宽度do在0.2~1.0 mm 内调整，导流管衬套的锥顶角β为0~45°。
[0009] 本发明提出的可以灵活调整结构参数的柔性超音速雾化喷嘴，可以根据雾化金属 的不同灵活选择喷嘴的结构参数，显著提高雾化喷嘴的通用性。具有如下的有益效果：
[0010] (1)通过调整导流管衬套的相对位置可以利用一套喷嘴获得不同气体质量流率， 能够提高喷嘴对各种金属雾化的通用性。同时雾化喷嘴的出气口采用半Laval型结构，该结 构在加速气流速度，获得超音速雾化气流的同时可以保证在改变导流管衬套相对位置时只 改变喷嘴的出气口的大小而不改变其气动外形。
[0011] (2)导流管与其衬套采用分体式设计，导流管衬套与下模形成雾化气体出口的气 动外形。分体式设计除了可以调整两者之间相对位置外，可以在雾化不同金属时选取不同 导流管，防止对金属造成污染。同时雾化完成后导流管清理重复利用过程中，采用分体式设 计可以使保护衬套的气动外形免遭破坏。
【附图说明】
[0012] 图1是限制式紧耦合雾化喷嘴结构示意图。
[0013] 图2是超音速柔性雾化喷嘴结构示意图。
[0014]图3是雾化金属粉末粒径分布曲线。
[0015] 其中，1为气流出口，2为导流管，3为紧固螺栓，4为上模，5为雾化气体入口，6为雾 化气体出口，7为下模，8为导流管衬套，9为胀套，10为导流管。
【具体实施方式】
[0016] 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
[0017] 如图2所示，本发明一种结构参数可调的超音速雾化喷嘴，包括上模4、下模7、导流 管衬套8以及导流管10;其中上、下模通过紧固螺栓3连接，下模开有两个共轴的高压雾化气 体入口5;导流管衬套8贯穿上、下模并通过内紧外胀式胀套9与上模4固定，导流管衬套8与 上、下模之间的相对位置可通过松开胀套9上的螺母进行调整；导流管衬套8的下半部与下 模7两者配合形成两个气流出口 6;所述导流管衬套8的下部为锥台状，下模7配合部分壁面 曲线形状为Laval型，所述气流出口6为半Laval环缝型;导流管10位于导流管衬套9内，且贯 穿导流管衬套9,导流管10与导流管衬套9采用分体式设计，可通过调节二者位置灵活选取 所需导流管突出长度。
[0018] 本发明基本原理：
[0019] (1)调整气体质量流率:松开胀套9上的螺母，导流管衬套8可以自由上下移动，其 与下模7的相对位置会发生变化，两者组成的环缝型气流出口的截面积会发生改变。如图2 所示，设计喷嘴中出气口截面积Α*与环缝宽度d*存在如下关系：
[0020] As ^/coscosβ (I)
[0021] 其中r*为环缝出气口喉口外径，β为导流管衬套下部的锥顶角。
[0022] 喷嘴出口气体质量流率G可由下式计算：
[0024]其中Pq、pq和γ分别为雾化气体的压强、密度和比热比。而根据TQnal (A.tltia^ Int. J.PowderMetal .，1990，26:11)给出的经验公式，雾化熔滴质量中径d5Q与气体质量流率 G存在如下关系：
[0026]其中：d为导流管直径，μ、η为实验常数，ξ为液态金属密度与动力黏度之比，M为金 属液质量流率，Pm和γ别为金属液密度和比热比，V为雾化气体速度。
[0027]由式(3)可知雾化气体的质量流率G对雾化熔滴的质量中径有较大影响，而本发明 涉及的雾化喷嘴可通过调整喷嘴的结构参数，达到不改变雾化压力条件下实现改变气体流 率的效果，满足不同金属或同种金属不同雾化粒径的需求。同时由于导流管衬套9的壁面曲 线为直线，因此其位置变化并不会改变气流出口 6的气动外形，只是改变了环缝的宽度，而 下模7的有效作用部分壁面曲线为Laval型，与导流管衬套9形成了半Laval型出气结构形 式；
[0028] (2)调整导流管突出长度：导流管10与导流管衬套9采用分体式设计，两者之间相 互位置可以改变，可以灵活选取所需导流管突出长度。
[0029]以本发明涉及的柔性超音速雾化喷嘴对7055合金的雾化为例说明，本发明具体实 施方式如下：
[0030] (1)调整喷嘴结构参数，选取导流管突出长度h = 6mm，出气口宽度do = 0 · 5mm;
[0031] (2)在真空或惰性气体保护氛围中将7055母体合金进行熔炼至800°C ;
[0032] (3)熔融金属熔体通过导流管10进入高速气体雾化区，同时开启雾化氩气供应装 置，在雾化压强为0.8MPa时对熔融7055合金进行雾化；
[0033] (4)雾化完成后收集金属粉末，选取测试样本A;
[0034] (5)重新调整喷嘴结构参数，选取出气□宽度do = 0.6mm，重复⑵~⑷步骤，获得 测试样本B;
[0035] (6)对样本A、B采用激光粒度分析仪进行粒度分布测试，雾化7075合金粉末的粒度 分布曲线如图3所示。
[0036]样本A、B的质量中径d5Q(累计质量分数达到50%时的粉末粒径）分别为62.3μπι和 30.5μπι，设计喷嘴在低于IMPa雾化压强下即可实现金属的高效雾化。根据图3所给出的粉末 粒度分析曲线可以看出，在相同雾化压强下，d Q = 0.6mm时粉末质量中径变小，且分布区间 有变窄趋势。通过上述分析可知，本发明提出的柔性喷嘴可以通过改变其结构参数获得不 同雾化条件，提高了喷嘴的通用性，可以根据不同雾化金属的需求对喷嘴结构进行调整，同 时也可以通过调整喷嘴结构设计所需金属粉末的粒径。
[0037]综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。
【主权项】
1. 一种结构参数可调的超音速雾化喷嘴，其特征在于，包括上模(4)、下模(7)、导流管 衬套(8)、以及导流管（10);其中上、下模通过紧固螺栓(3)连接，下模开有两个共轴的高压 雾化气体入口（5);导流管衬套(8)贯穿上、下模并通过内紧外胀式胀套(9)与上模(4)固定； 导流管衬套(8)下部与下模(7)两者配合形成两个气流出口（6);所述导流管衬套(8)的下部 为锥台状，下模(7)配合部分壁面曲线形状为Laval型，所述气流出口（6)为半Laval环缝型； 导流管（10)位于导流管衬套(8)内，且贯穿导流管衬套(8)。2. 根据权利要求1所述结构参数可调的超音速雾化喷嘴，其特征在于，导流管突出长度 h在1~8mm内调整，出气口宽度do在0.2~1.0mm内调整。
【专利摘要】本发明提供一种结构参数可调的超音速雾化喷嘴，包括上模、下模、导流管衬套、以及导流管；其中上、下模通过紧固螺栓连接，下模开有两个共轴的高压雾化气体入口；导流管衬套贯穿上、下模并通过内紧外胀式胀套与上模固定；导流管衬套下部与下模两者配合形成两个气流出口；所述导流管衬套的下部为锥台状，下模配合部分壁面曲线形状为Laval型，所述气流出口为半Laval环缝型；导流管位于导流管衬套内，且贯穿导流管衬套。本发明提出的可以灵活调整结构参数的柔性超音速雾化喷嘴，可以根据雾化金属的不同灵活选择喷嘴的结构参数，显著提高雾化喷嘴的通用性。
【IPC分类】B22F9/08
【公开号】CN105618772
【申请号】CN201610068938
【发明人】司朝润, 武伟超
【申请人】北京理工大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年2月1日