专利名称：适于喷射成形用自动扫描雾化器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种雾化器，具体涉及一种金属熔液喷射成形用自动扫描雾化 器，属于材料加工领域。
背景技术：
喷射成形(SprayForming),也叫喷射沉积(SprayDeposition),于本世纪 60年代末首次由英国Swansea大学的Singer教授提出。发展至今己成为一种重要 的先进材料制备技术。该技术具有提高合金元素固溶度、细化合金组织、减小 合金元素偏析、细化第二相颗粒等特点。喷射成形材料的强度与铸态材料相比 有大幅度提高，其延伸率也能保持与铸造或锻造材料相当的水平。另外，该技 术将金属的雾化与成形两阶段有机地结合在一起，实现了大尺寸快速凝固材料 的一次成形，从而很好地解决了粉末冶金(PowderMetallurgy)工艺中存在的 工艺复杂、氧化严重等诸多技术问题。同时，喷射成形过程的工序比粉末冶金 技术更简便，其生产成本更低，而其性能却与粉末冶金材料相当。所以喷射成 形技术一经出现，便受到国内外许多科研机构和企业的重视，并取得了很大的 进展。在英国、美国、德国、日本等发达国家，该技术已被用于制备如锭、环、 管、板等近终形构件。气体雾化技术是喷射沉积工艺的核心技术之一，沉积坯 质量很大程度上依赖于雾化器结构及其相关的结构参数，喷射成形工艺的雾化 器及其相关理论愈加受到重视。英国、美国以及日本的某些公司、大学斥巨资 开发新型雾化器，并取得很大进展。传统的约束型雾化器，雾化效果好，雾滴 的尺寸范围较窄，但雾化锥散射角较小，只适合沉积尺寸较小的沉积锭。当沉 积锭尺寸较大时，沉积锭的中心区域容易出现凹坑，同时该区域致密度也很低。 对于约束型雾化器而言，只有采用双雾化系统，才能喷射沉积出较大的锭材。 传统的自由落体式雾化器，雾化锥散射角较大，但其雾化效果较差，雾滴的尺 寸分布较宽，沉积时沉积距离等工艺参数的配合很难，所以得到冶金质量较好 的大尺寸沉积锭也十分困难。发明内容本发明为了解决现有的雾化器存在应用范围窄、喷射成形过程的控制难度 大、坯锭冶金质量差、不容易得到冶金质量较好大尺寸的沉积锭的问题，进而 提供了一种适于喷射成形用自动扫描雾化器。本发明的技术方案是 一种适于喷射成形用自动扫描雾化器，它包括雾化 气体进气管、坩埚连接件、导液管金属护管、导液管、雾化器主体和环形气腔 底盖，它还包括两个摆动气体进气管、两个摆动气腔挡盖，雾化器主体的两端 对称设有两个摆动气腔，所述两个摆动气腔挡盖与两个摆动气腔的端口分别密 闭连接，所述两个摆动气体进气管与两个摆动气腔分别连通，所述雾化器主体 底端面的中部设有环形雾化气腔，雾化气体进气管的一端与环形雾化气腔连 通，坩埚连接件安装在雾化器主体的上端面上，导液管金属护管的下端依次穿 过坩埚连接件和雾化器主体上设有的通孔露在外面，环形雾化气腔和雾化器主 体上设有的通孔之间为圆筒形侧壁，导液管金属护管的上端设有的外沿搭接在 坩埚连接件内腔的底端面上，导液管插入导液管金属护管的内腔中，并与导液 管金属护管固接，所述两个摆动气腔的底端侧壁对称均布设有若干个的摆动气 体出气孔，所述若干个的摆动气体出气孔中的每两个对应位置的摆动气体出气孔中心线之间的夹角a为60。 120° ,环形气腔底盖安装在环形雾化气腔端 口处的雾化器主体上，环形气腔底盖和圆筒形侧壁之间设有与环形雾化气腔相 通且直径由上至下渐縮的锥形雾化气体出口孔隙。本发明具有以下有益效果本发明利用交替供气工艺，实现雾化锥的自动扫描摆动，适合于制备())200mm以上的高质量坯锭。雾化器及其导液系统结构 简单，摆动实现方便。采用雾化导液系统，可以使喷射成形工艺控制简化，提 高坯锭冶金质量，降低坯锭制备成本。雾化时该系统的雾化锥在一定角度范围 内可实现连续摆动，使得喷射雾滴在沉积空间范围内分布更均匀，分布范围也 加宽，更适于沉积较大尺寸的沉积坯锭，得到的坯锭成分和组织更均匀、沉积 坯形状和质量更容易控制。此雾化导液系统达到或超过国外同类产品水平。此 外，本发明还具有以下优点 一、本发明的雾化部分采用约束式结构，金属熔 液流动以气体的抽吸作用为主要动力，受金属压头的影响少，金属流量稳定，利于坯锭形状的控制；本发明的气体出口于金属出口距离近，雾化效果好；雾 化锥散射角度小，沉积收得率高；气体能量利用率高，大大减少了雾化气体用量。二、摆动气体的主要控制机构为三通自动控制阀，可以放置在真空室之外， 控制方便，不受粉尘和真空等条件限制。三、通过调节雾化气体压力和导液管直径等调节雾化效果。雾化压力调节范围为1.0 2.0MPa，导液管直径调节范 围为(j)3 5mm。四、摆动气体压力提高可以增大雾化锥的摆动角度，然而，摆 动角度与雾化气体压力也有较大关系，相同的摆动压力下，雾化压力越大，摆 动角度越小，如果控制摆动角度为0° ~10°，对应的摆动压力和雾化压力之 比应为0 0.6。五、本发明适于A1合金、Mg合金、Cu合金、Fe合金、Ni基 高温合金、Ti/TiAl超活性合金等。以Al合金为例，其摆动气体压力为0.6MPa， 雾化气体压力为1.5MPa，压力比为0.4，即摆动角度为6°，导液管直径为3.6mm, 初始喷射距离为350mm，摆动气体交替周期为6秒，沉积器转动速度为50rpm， 沉积器移动速度为0.25mm/s时，制备的沉积坯尺寸为(()200mm，形状规整，组 织细小均匀，致密度高于96%。
图l是本发明的主剖视图，图2是图1的仰视图，图3是图1的右视图， 图4是图1的A部放大图，图5是本发明工作时的交替供气气路连接示意图， 图6a是本发明单独右端摆动气体进气管进气的工作状态效果图，6b是本发明 两端摆动气体进气管皆不进气的工作状态效果图，6c是本发明单独左端摆动 气体进气管进气的工作状态效果图。
具体实施方式
具体实施方式
一如图1 4所示，本实施方式所述的适于喷射成形用自动扫描雾化器，它包括雾化气体进气管l、坩埚连接件2、导液管金属护管5、 导液管7、'雾化器主体11和环形气腔底盖12，它还包括两个摆动气体进气管 4、两个摆动气腔挡盖13，雾化器主体ll的两端对称设有两个摆动气腔3，所 述两个摆动气腔挡盖13与两个摆动气腔3的端口分别密闭连接，所述两个摆 动气体进气管4与两个摆动气腔3分别连通，所述雾化器、主体11底端面的中 部设有环形雾化气腔9，雾化气体进气管1的一端与环形雾化气腔9连通，柑 埚连接件2安装在雾化器主体11的上端面上，导液管金属护管5的下端依次 穿过坩埚连接件2和雾化器主体11上设有的通孔11-1露在外面，环形雾化气 腔9和雾化器主体11上设有的通孔11-1之间为圆筒形侧壁11-2，导液管金属护管5的上端设有的外沿搭接在坩埚连接件2内腔的底端面上，导液管7 插入导液管金属护管5的内腔中，并与导液管金属护管5固接，所述两个摆动 气腔3的底端侧壁对称均布设有若干个的摆动气体出气孔8，所述若干个的摆动气体出气孔8中的每两个对应位置的摆动气体出气孔8中心线之间的夹角a 为60° '120° ，环形气腔底盖12安装在环形雾化气腔9端口处的雾化器主 体11上，环形气腔底盖12和圆筒形侧壁11-2之间设有与环形雾化气腔9相 通且直径由上至下渐縮的锥形雾化气体出口孔隙10。
具体实施方式
二本实施方式所述导液管7是由陶瓷材料制成的。陶瓷材 料耐高温，而且不易被金属熔液冲蚀。其它组成及连接关系与具体实施方式
一 相同。
具体实施方式
三如图l、图4所示，本实施方式所述两个摆动气腔3底 端侧壁均设有5 10个孔径为0. 5 lmm的摆动气体出气孔8。其它组成及连 接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四如图l、图4所示，本实施方式所述每两个对应位置的 摆动气体出气孔8中心线之间的夹角a为90° 。如此设计，可使雾化锥摆动 范围较大。其它组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五如图l、图4所示，本实施方式所述直径由上至下渐縮 的锥形雾化气体出口孔隙10的宽度为0. 2 0. 5mm。如此设计，摆动效果较好。 所述孔隙10与中间的导液管相邻，缝隙结构及角度与导液管7配合，可以对 导液管7内部产生较大的抽吸力，利于导液管的导流；另外由于该孔隙10距 离导液管很近，气体能量很容易传递给金属，使金属雾化，所以环形雾化气腔 9和孔隙10被叫做雾化气室。其它组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六如图1 3所示，本实施方式所述直径由上至下渐縮的 锥形雾化气体出口孔隙10的锥角P为30° 90° 。其它组成及连接关系与具 体实施方式一相同。
具体实施方式
七如图1 3所示，本实施方式所述直径由上至下渐縮的 锥形雾化气体出口孔隙10的缝隙出口节圆直径为4) 10 15 mra。其它组成及连 接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
八如图1 3所示，本实施方式还包括石棉粘垫6，所述的导液管金属护管5的上端表面设有石棉粘垫6。石棉粘垫6的作用是使导液 管7与坩埚底部的连接处密封，还具隔热作用。其它组成及连接关系与具体实 施方式一相同。
具体实施方式
九如图5所示，将本发明与气源系统21连接的一个实施 例。气源系统21与第一管路31的一端连通，第一管路31的另一端与第二管 路32的J端、第三管路33的一端分别连通，第二管路32的另一端与雾化器 25 (本发明)的雾化气体进气管l连通，第三管路33的另一端与第四管路34 (摆动气路)的一端、第五管路35 (摆动气路)的一端通过摆动气路自动控 制三通阀27分别连通，第四管路的另一端与左端的摆动气体进气管4连通， 第五管路的另一端与右端的摆动气体进气管4连通；在第一管路31上设有减 压阀22，在第二管路32上设有雾化气路气体压力控制阀23，在第三管路33 上设有摆动气路压力控制阀29,输入的摆动信号28控制摆动气路自动控制三 通阀27,使第四管路34或第五管路35通入气体，进而可实现由雾化器25产 生的雾化锥30左右摆动。如图5、 6a、 6b、 6c所示，利用摆动气体的不对称性将雾化气体产生的雾 化锥吹偏，摆动气体的交替变化，雾化锥将实现周期往复摆动。雾化锥的偏转 角度与摆动气体压力和雾化气体压力比有关，金属雾化要求的最小压力一般在 0.8MPa以上，此时如果摆动气体压力为1.5MPa时，摆动角度可以达到30°， 但此时雾化锥将被吹散开，对提高收得率不利。较理想的摆动气体压力和雾化 气体压力比应为0 0.6，雾化锥的摆动角度范围约为0 ° ~10 °。如图2所示， 气源系统21由集气包、高压气瓶、压力表等构件组成。高压气瓶的压力在 10MPa以上， 一般需要通过一个减压阀22将压力降低到3 4MPa后，再通过 压力控制阀输出给雾化器。其中压力控制阀23控制雾化气体的压力，气路前 端的压力表可以显示该压力控制阀的控制结果，为人们提供反馈信息，以便确 保输入到雾化气室的压力符合预定的压力。具有预定压力的气体通过雾化气室 的环形缝隙出口时，气体产生很高的流动速度，同时在导液管内产生较大的抽 吸力，将坩埚内高温液态金属从导液管内抽吸出来，并在高速气体的作用下破 碎成细小的雾滴。该高速气体进一步带动这些雾滴向前飞行，同时带走雾滴的 热量，使之冷却凝固。高速气体和雾滴主要分布在雾化器前端的一个具有一定角度的锥形区域内，但在该区域中气体速度和雾滴温度、射流密度分布十分不均匀，锥中心气体速度和雾滴温度、射流密度高，锥边缘低；锥顶部气体速度 和雾滴温度、射流密度高，底部低；在雾化锥的合适位置设置沉积器，未完全 凝固的雾滴将粘接到沉积器上，粘接层不断积累，便可形成大块的快速凝固坯 料，配合沉积器的运动方式，可以得到柱状、管状、板状的锭材。由于雾化锥 内射流密度和温度分布不均匀，对沉积得到高质量、大尺寸坯锭十分不利，所 以需要摆动。摆动气体压力控制阀29开启，向自动三通阀27输入连续的交变 信号28开始正常工作。雾化器两端的摆动气室将交替充入气体，此时将发生 如图3所示的状态。当三通阀体处在一个极限位置时，右边气室充气、左边气 室没有气体，雾化气体产生的雾化锥将被右气室的气体吹向左偏，如图6a所 示；当阀体由该极限位置向中间位置转换时，右气室充气通道逐渐减少，充入 的气体量较少，使雾化锥偏转的吹力逐渐降低，雾化锥的偏转角度逐渐减小； 当三通阀体达到中间位置时，右气室充气完全结束，左气室充气还没有开始， 两气室气体压力皆为零，此时雾化锥不发生偏转，如图6b所示；当三通阀转 逐渐向另一个极限状态移动时，左边气室逐渐开始充气，吹动雾化锥向右偏， 随着阀体向极限位置的靠近，雾化锥偏移角度增加，当达到极限位置时，偏移 角度达到最大，如图6c所示。而后三通阀体向前一个极限位置移动，周而复 始，循环往复，雾化锥实现连续的扫描摆动。 工作原理如图1 5及图6a、图6b、图6c所示，本发明设有三个气室(雾化气室 和两个摆动气室)，分别由三个进气管道(雾化气体进气管1和两个摆动气体 进气管4)输入高压气体，环形雾化气腔9和孔隙10被叫做雾化气室，另外 两个气室分别对称位于雾化气室两侧端，雾化气室内的气体将金属熔液雾化形 成雾化锥30，两侧的气室单独输入气体可以将雾化锥吹偏，当两侧气室交替 输入高压'(0.5 lMPa)气体时，雾化锥将实现左右的摆动，所以此两气室被 称作摆动气室。摆动气室的进气管(两个摆动气体进气管4)与自动三通高压 球阀相连。球阀可以采用气动或电动，三通阀有一个输入口，两个输出口，向 控制端输入交变控制信号后，两个输出口将交替向摆动气室两端输入高压气 体，实现雾化锥的摆动；由于管路的距离较长，同时气体具有可压縮等功能，输出气体的交变周期不能太小，否则不能达到理想的效果。本专利设交变周期 为3 15秒；由于交变周期较长，要求沉积器的转动频率应较高，应保证雾化锥扫描一周，沉积盘转动5周以上，所以沉积器转动频率应为20~100rpm以 上。
权利要求
1、一种适于喷射成形用自动扫描雾化器，它包括雾化气体进气管(1)、坩埚连接件(2)、导液管金属护管(5)、导液管(7)、雾化器主体(11)和环形气腔底盖(12)，其特征在于它还包括两个摆动气体进气管(4)、两个摆动气腔挡盖(13)，雾化器主体(11)的两端对称设有两个摆动气腔(3)，所述两个摆动气腔挡盖(13)与两个摆动气腔(3)的端口分别密闭连接，所述两个摆动气体进气管(4)与两个摆动气腔(3)分别连通，所述雾化器主体(11)底端面的中部设有环形雾化气腔(9)，雾化气体进气管(1)的一端与环形雾化气腔(9)连通，坩埚连接件(2)安装在雾化器主体(11)的上端面上，导液管金属护管(5)的下端依次穿过坩埚连接件(2)和雾化器主体(11)上设有的通孔(11-1)露在外面，环形雾化气腔(9)和雾化器主体(11)上设有的通孔(11-1)之间为圆筒形侧壁(11-2)，导液管金属护管(5)的上端设有的外沿搭接在坩埚连接件(2)内腔的底端面上，导液管(7)插入导液管金属护管(5)的内腔中，并与导液管金属护管(5)固接，所述两个摆动气腔(3)的底端侧壁对称均布设有若干个的摆动气体出气孔(8)，所述若干个的摆动气体出气孔(8)中的每两个对应位置的摆动气体出气孔(8)中心线之间的夹角α为60°～120°，环形气腔底盖(12)安装在环形雾化气腔(9)端口处的雾化器主体(11)上，环形气腔底盖(12)和圆筒形侧壁(11-2)之间设有与环形雾化气腔(9)相通且直径由上至下渐缩的锥形雾化气体出口孔隙(10)。
2、 根据权利要求1所述的一种适于喷射成形用自动扫描雾化器，其特征 在于所述导液管(7)是由陶瓷材料制成的。
3、 根据权利要求1所述的一种适于喷射成形用自动扫描雾化器，其特征 在于所述两个摆动气腔(3)底端侧壁均设有5 10个孔径为0. 5 lmm的摆动 气体出气孔(8)。
4、 根据权利要求1所述的一种适于喷射成形用自动扫描雾化器，其特征 在于所述每两个对应位置的摆动气体出气孔(8)中心线之间的夹角a为90° 。
5、 根据权利要求1所述的一种适于喷射成形用自动扫描雾化器，其特征 在于所述直径由上至下渐縮的锥形雾化气体出口孔隙(10)的宽度为0.2 0. 5mm。
6、 根据权利要求1所述的一种适于喷射成形用自动扫描雾化器，其特征 在于所述直径由上至下渐縮的锥形雾化气体出口孔隙(IO)的锥角3为30° 90。
7、 根据权利要求1所述的一种适于喷射成形用自动扫描雾化器，其特征 在于所述直径由上至下渐縮的锥形雾化气体出口孔隙(10)的缝隙出口节圆直 径为4>10 15 mm。
8、 根据权利要求1所述的一种适于喷射成形用自动扫描雾化器，其特征 在于它还包括石棉粘垫(6)，所述的导液管金属护管(5)的上端表面设有石 棉粘垫(6)。
全文摘要
适于喷射成形用自动扫描雾化器，它涉及一种雾化器。本发明解决了现有的雾化器存在应用范围窄、喷射成形过程的控制难度大等问题。雾化器主体(11)的两端对称设有两个摆动气腔(3)，所述两个摆动气体进气管(4)与两个摆动气腔(3)分别连通，所述雾化器主体(11)底端面的中部设有环形雾化气腔(9)，雾化气体进气管(1)的一端与环形雾化气腔(9)连通，所述两个摆动气腔(3)的底端侧壁对称均布设有若干个的摆动气体出气孔(8)，环形气腔底盖(12)和圆筒形侧壁(11-2)之间设有与环形雾化气腔(9)相通且直径由上至下渐缩的锥形雾化气体出口孔隙(10)。本发明实现雾化锥的自动扫描摆动，适合于制备φ200mm以上的高质量坯锭。
文档编号B22F3/00GK101327517SQ200810064779
公开日2008年12月24日 申请日期2008年6月20日 优先权日2008年6月20日
发明者孙剑飞, 宁志良, 曹福洋 申请人:哈尔滨工业大学