带气体自循环功能的多级自由式气雾化喷盘的制作方法

本发明属于粉末冶金技术领域，涉及一种雾化喷盘，尤其是涉及一种带气体自循环功能的多级自由式气雾化喷盘。

背景技术：

气雾化制备的金属粉末具有球形度高、流动性好、氧含量低等诸多优点。经过多年的发展与完善，气雾化制粉技术已发展为生产高性能金属及合金粉末的主要方法，进而成为支持和推动新材料研究及发展的重要手段。其基本原理是利用高速气流将液态金属粉碎成小液滴并最终凝固成粉末，气雾化技术的核心是控制气体对金属液体的作用过程，使高速气流的动能最大程度地转化为金属粉末的表面能。目前，随着金属3d打印技术的蓬勃发展，其赖以使用的金属粉末原材料的制备越来越受到重视，这也进一步推动了气雾化制粉技术的发展和应用。

目前在气雾化制粉技术中，常见的有两种不同结构的雾化喷盘，一种为自由式，一种为限制式。其中自由式喷嘴由于其结构简单、工艺控制复杂性相对较低而被工业界广泛使用，且在制备一些对纯净度要求严格的高端粉末时，自由式喷嘴相对于限制式喷嘴而言具有较大的优势，因为在限制式喷嘴系统中，钢液必须经过导液管进入雾化区，钢液冲刷腐蚀陶瓷导液管，难免杂质进入雾化粉末中。如近年来发展的感应电极熔炼气雾化制备钛合金粉末工艺，采用自由式雾化喷嘴，钛棒经感应线圈加热熔化后直接进入雾化喷盘，有效避免了杂质的混入。

尽管如此，自由式喷盘在实际应用过程中所制备的粉末相对较粗，粉末平均粒径d50≥65μm，且自由式喷盘在制备细粉末的过程中，也易发生反喷、飞溅等现象，从而导致雾化失败。随着金属3d打印技术的快速发展，市场对纯净度高、球形度好的细粉末(≤53μm)的需求也越来越大，因此，研发设计适用于制备细粉末的自由式雾化喷盘，从而提高细粉收得率、降低生产成本，对于推动我国3d打印产业的发展具有重要意义，也对于深入理解气雾化制粉技术具有一定的理论借鉴意义。

传统的自由式气雾化技术中，通常利用熔炼室和雾化室的气压差，即熔炼室气压高于雾化室气压来减少雾化过程中的反喷与飞溅，以保证雾化过程的顺利进行，此种方案不仅会增加雾化系统后段风机的负担，同时也会增加气体的消耗，增加生产成本。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了针对当前自由式气雾化制粉技术存在的雾化不稳定、生产细粉时易发生反喷、飞溅等弊端而提出一种带气体自循环功能的多级自由式气雾化制粉喷盘。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种带气体自循环功能的多级自由式气雾化喷盘，包括副喷嘴、主喷嘴与循环气体导流件，所述副喷嘴的中间为熔体通道，所述副喷嘴的周围为副喷嘴气室，所述循环气体导流件中间为熔体通道，所述主喷嘴中间为熔体通道，所述主喷嘴的周围为主喷嘴气室，所述副喷嘴与循环气体导流件上端相连，所述循环气体导流件下端与主喷嘴相连，副喷嘴的熔体通道、循环气体导流件的熔体通道、主喷嘴的熔体通道上下相通，所述循环气体导流件与主喷嘴之间形成有循环导流通道，该循环导流通道与主喷嘴的熔体通道相通，且在主喷嘴安装在熔炼室和雾化室之间的隔板上时，所述循环导流通道与雾化室相通。

一个优选的实施方式中，所述副喷嘴包括密封连接的副喷嘴密封盖与副喷嘴主体，所述副喷嘴密封盖与副喷嘴主体之间形成副喷嘴气室，副喷嘴密封盖中间开口，副喷嘴主体中间为熔体通道，所述副喷嘴主体与循环气体导流件连接，优选连接方式为采用螺纹连接。

一个优选的实施方式中，副喷嘴密封盖和副喷嘴主体采用螺纹连接，并采用金属密封圈进行平面密封。

一个优选的实施方式中，副喷嘴主体中间的熔体通道为锥形。

优选地，副喷嘴气室内，副喷嘴主体靠近熔体通道的圆周上均布有副喷嘴气体出口，所述副喷嘴气体出口流向为竖直方向。

雾化过程中惰性气体从副喷嘴气体出口垂直喷出，与熔体(钢液)平行，一方面起到钢液导流作用并有利于稳定钢液流速，另一方面气体进入主喷嘴雾化区，起到破真空的作用，从而有利于减少钢液的反喷现象。

一个优选实施方式中，所述副喷嘴气体出口共设有24个，其为直径1mm的圆孔。

优选地，所述副喷嘴气体出口与循环气体导流件的熔体通道相通。

所述循环气体导流件的熔体通道优选形状为圆柱形，且循环气体导流件熔体通道的直径比副喷嘴熔体通道的出口直径大一点，满足刚好与副喷嘴气体出口也相通，即循环气体导流件熔体通的内径与副喷嘴气体出口所处圆环的外径相等。

优选地，所述主喷嘴包括主喷嘴外套、主喷嘴上唇及主喷嘴下唇，所述主喷嘴上唇与主喷嘴下唇固定在主喷嘴外套上，所述主喷嘴上唇与主喷嘴下唇的中间部分构成主喷嘴的熔体通道，所述主喷嘴上唇、主喷嘴下唇及主喷嘴外套还形成有主喷嘴气室，该主喷嘴气室设有狭窄的气体喷出口，且该气体喷出口与主喷嘴的熔体通道相通。

优选地，所述气体喷出口为环形结构，该气体喷出口切线与主喷嘴熔体通道的中心垂直线的角度为25°～30°。

优选地，所述气体喷出口的缝隙宽度为0.5～0.8mm。该缝隙宽度可以通过在主喷嘴上唇和主喷嘴外套之间加垫片来调整。

本发明中，气体喷出口采用收敛结构，可以加速雾化气体的喷出。

主喷嘴上唇与主喷嘴下唇固定在主喷嘴外套上的优选实现形式是通过紧固螺纹安装。

优选地，所述主喷嘴外套圆周上开设有主喷嘴外套开孔，所述循环气体导流件设在主喷嘴外套上方，所述循环气体导流件下表面为弧形，所述主喷嘴外套开孔位于循环气体导流件下方，所述主喷嘴外套开孔、循环气体导流件下表面与主喷嘴外套上表面之间的缝隙、、循环气体导流件下表面与主喷嘴上唇上表面之间的缝隙共同构成循环导流通道。

优选地，所述主喷嘴上唇上表面为弧度与循环气体导流件下表面弧度相同的弧形。

使用时，所述副喷嘴和循环气体导流件的位置处于熔炼室，所述主喷嘴安装在熔炼室和雾化室之间的隔板上。雾化过程中，雾化室的气体通过主喷嘴外套开孔逸出，后经过循环气体导流部件导流，重新经过主喷嘴进入雾化区，从而实现雾化区气体平衡，保证雾化过程的顺利进行。

使用时，副喷嘴雾化气体压力使用范围为0.1～0.5mpa，主喷嘴雾化气体压力使用范围为1～5mpa，且副喷嘴和主喷嘴压力配合使用，副喷嘴使用压力为主喷嘴使用压力的10％。

本发明申请的喷嘴可根据实际使用情况采用但不限于316l不锈钢制备，且本喷嘴结构也适用于热气雾化。

本发明的核心思路为：在实际雾化过程中，雾化系统的气流场平衡对于雾化过程的稳定性、以及雾化粉末的性能具有重要的影响，因此，本发明基于雾化室气流场平衡是雾化顺利进行的前提这一核心认识，放弃传统自由式喷盘采用的熔炼室和雾化室压差方式，创造性地提出利用循环气体导流来保证雾化室与熔炼室的气体自循环，并结合副喷嘴气压的使用，从而有效地避免雾化过程产生反喷、飞溅，保证雾化过程的顺利进行。

与现有技术相比，本发明利用副喷嘴气流对钢液进行引流和降低主喷嘴雾化区的负压，并利用主喷嘴外套开孔和循环气体导流部件实现雾化气体自循环，从而实现主喷嘴雾化区的气体平衡，保证雾化过程稳定、顺利进行。本发明适用于熔点小于1500℃的金属及其合金球形粉末的气雾化制备。

附图说明

图1为带气体自循环功能的多级自由式气雾化喷盘结构示意图；

图2为实施例2中所制备的金属粉末形貌照片；

图3为实施例2中所制备的金属粉末粒度测试结果；

图4为实施例3中所制备的金属粉末粒度测试结果；

图5为实施例4中所制备的金属粉末粒度测试结果。

1、副喷嘴密封盖，2、副喷嘴主体，3、副喷嘴气室，4、副喷嘴气体出口，5、循环气体导流件，6、主喷嘴外套，7、主喷嘴外套开孔，8、循环导通道，9、主喷嘴上唇，10、主喷嘴下唇，11、主喷嘴气室。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种带气体自循环功能的多级自由式气雾化喷盘，如图1所示，包括副喷嘴、主喷嘴与循环气体导流件5，副喷嘴的中间为熔体通道，副喷嘴的周围为副喷嘴气室3，循环气体导流件5中间为熔体通道，主喷嘴中间为熔体通道，主喷嘴的周围为主喷嘴气室11，副喷嘴与循环气体导流件5上端相连，循环气体导流件5下端与主喷嘴相连，副喷嘴的熔体通道、循环气体导流件5的熔体通道、主喷嘴的熔体通道上下相通，循环气体导流件5与主喷嘴之间形成有循环导流通道8，该循环导流通道8与主喷嘴的熔体通道相通，且在主喷嘴安装在熔炼室和雾化室之间的隔板上时，循环导流通道8与雾化室相通。

其中，副喷嘴包括密封连接的副喷嘴密封盖1与副喷嘴主体2，副喷嘴密封盖1与副喷嘴主体2之间形成副喷嘴气室3，副喷嘴密封盖1中间开口，副喷嘴主体2中间为熔体通道，副喷嘴主体2与循环气体导流件5连接，优选连接方式为采用螺纹连接。

优选地，副喷嘴密封盖1和副喷嘴主体2采用螺纹连接，并采用金属密封圈进行平面密封。

优选地，副喷嘴主体2中间的熔体通道为锥形。

优选地，副喷嘴气室3内，副喷嘴主体2靠近熔体通道的圆周上均布有副喷嘴气体出口4，副喷嘴气体出口4流向为竖直方向。雾化过程中惰性气体从副喷嘴气体出口4垂直喷出，与钢液平行，一方面起到钢液导流作用并有利于稳定钢液流速，另一方面气体进入主喷嘴雾化区，起到破真空的作用，从而有利于减少钢液的反喷现象。

优选地，副喷嘴气体出口4共设有24个，其为直径1mm的圆孔。

副喷嘴气体出口4与循环气体导流件5的熔体通道相通。即，循环气体导流件5的熔体通道优选形状为圆柱形，且循环气体导流件5熔体通道的直径比副喷嘴熔体通道的出口直径大一点，满足刚好与副喷嘴气体出口4也相通，即循环气体导流件5熔体通的内径与副喷嘴气体出口4所处圆环的外径相等。

本实施例中，主喷嘴包括主喷嘴外套6、主喷嘴上唇9及主喷嘴下唇10，主喷嘴上唇9与主喷嘴下唇10固定在主喷嘴外套6上，主喷嘴上唇9与主喷嘴下唇10的中间部分构成主喷嘴的熔体通道，主喷嘴上唇9、主喷嘴下唇10及主喷嘴外套6还形成有主喷嘴气室11，该主喷嘴气室11设有狭窄的气体喷出口，且该气体喷出口与主喷嘴的熔体通道相通。气体喷出口为环形结构，该气体喷出口切线与主喷嘴熔体通道的中心垂直线的角度为25°～30°。气体喷出口的缝隙宽度为0.5～0.8mm。该缝隙宽度可以通过在主喷嘴上唇9和主喷嘴外套6之间加垫片来调整。气体喷出口采用收敛结构，可以加速雾化气体的喷出。

主喷嘴上唇9与主喷嘴下唇10固定在主喷嘴外套6上的优选实现形式是通过紧固螺纹安装。

其中，主喷嘴外套6圆周上开设有主喷嘴外套开孔7，循环气体导流件5设在主喷嘴外套6上方，循环气体导流件5下表面为弧形，主喷嘴外套开孔7位于循环气体导流件5下方，主喷嘴外套开孔7、循环气体导流件5下表面与主喷嘴外套6上表面之间的缝隙、、循环气体导流件5下表面与主喷嘴上唇9上表面之间的缝隙共同构成循环导流通道8。优选地，主喷嘴上唇9上表面为弧度与循环气体导流件5下表面弧度相同的弧形。

使用时，副喷嘴和循环气体导流件5的位置处于熔炼室，主喷嘴安装在熔炼室和雾化室之间的隔板上。雾化过程中，雾化室的气体通过主喷嘴外套开孔逸出，后经过循环气体导流部件导流，重新经过主喷嘴进入雾化区，从而实现雾化区气体平衡，保证雾化过程的顺利进行。

使用时，副喷嘴雾化气体压力使用范围为0.1～0.5mpa，主喷嘴雾化气体压力使用范围为1～5mpa，且副喷嘴和主喷嘴压力配合使用，副喷嘴使用压力为主喷嘴使用压力的10％。

本实施例的喷嘴可根据实际使用情况采用但不限于316l不锈钢制备，且本喷嘴结构也适用于热气雾化。

实施例2

采用实施例1中的多级自由式气雾化喷盘进行气雾化。

在无坩埚感应电极熔炼设备上使用本发明喷嘴，制备tc4钛合金粉末，采用的原料棒直径范围为40～50mm，所制备粉末的质量中值粒径d50为：45μm≤d50≤70μm。副喷嘴雾化气体压力为0.38mpa，主喷嘴雾化气压为3.8mpa，雾化过程中未发生飞溅。其粉末典型特征见图2，其粉末粒度测试报告见图3。

实施例3

与实施例2不同之处在于，副喷嘴雾化气体压力调整至0.4mpa，主喷嘴雾化压力4.0mpa，此时所制备的金属粉末粒度d50为45.5μm，粒度报告见图4。

实施例4

采用实施例1中的多级自由式气雾化喷盘进行气雾化。

使用本发明喷嘴制备铜锡合金粉末，熔炼坩埚容量为100kg，中间包漏眼直径4～6mm，副喷嘴雾化气体压力0.45mpa，主喷嘴使用压力为4.5mpa，制备的粉末粒度检测报告见图5。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。