[發明專利]一種用于制備金屬粉末的氣霧化噴嘴

在審

• 申請號: 201810706228.0
• 申請日: 2018-07-02
• 公開（公告）號: CN108714697A
• 公開（公告）日: 2018-10-30
• 發明（設計）人: 范滄;代文杰;潘詩琰;張繼峰;邱天旭;孫露
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: B22F9/08
• 分類號: B22F9/08
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 鄧麗;王偉

本發明涉及一種用于制備金屬粉末的氣霧化噴嘴，具有高氣液能量轉化率。該噴嘴的特征是包含一個直線型的中心進氣管，管壁為高導熱材料，置于圓柱型金屬導液管內。金屬導液管外側有以中心軸線為中心的超音速氣體噴出通道和出口，外側設置以中心軸線為中心的環形儲氣腔。利用本發明的氣霧化噴嘴，可使高速高能氣體與金屬液體的接觸面積相比普通環縫型緊耦合超音速噴嘴有效增加；氣霧化過程中，中心進氣管氣體被高導熱管壁外環繞的金屬熔液加熱，使氣體的動能大限度轉化為顆粒表面能，提高金屬粉末氣霧化效率。本發明噴嘴制備的金屬粉末具有粒度小、粒度分布窄、工業成本低的優點。

技術領域

本發明涉及一種氣霧化噴嘴，用于制備粒度小、粒度分布窄、工業成本較低的高質量金屬、合金微細粉末。

背景技術

氣霧化技術制備的粉末具有粒度細小、球形度高、氧含量低、可大量生產的能力且成本低的特點，目前已經成為生產高性能球形金屬及合金粉末的主要方法。氣霧化的原理是通過氣流快速沖擊熔融金屬液流，將熔體液流粉碎成很細的液滴并迅速冷凝得到微細金屬粉末，在合適的噴嘴參數和操作下可以獲得平均粒徑為10μm的微細粉末。在氣霧化過程中，噴嘴的結構參數直接影響加速霧化氣體與金屬液流作用時的速度和能量密度，對霧化過程的穩定性、效率、獲得粉末質量起著關鍵作用。因此，噴嘴各結構參數，如噴射角度、導液管伸出長度、氣液流體通道形狀等都需要進行嚴格地最優化設計。

早期的氣霧化工藝中，普遍采用自由落體式噴嘴結構。這種噴嘴設計簡單、不易堵塞、控制過程簡單，但其霧化效率不高，僅適用于生產50~300μm粒度的粉末。為了提高霧化效率，后來發展出限制式噴嘴或緊耦合霧化噴嘴。緊耦合或限制式噴嘴縮短了氣體飛行距離，減少了氣體流動過程的動能損失，從而提高了與金屬作用的氣流的速度和密度，增加了微細粉末的產量。而利用超音速霧化器可以獲得比一般氣霧化技術更細、更集中的粉末和更快的凝固速率。文獻“氣霧化法制備金屬粉末的研究進展”中提到利用收縮擴張型的拉瓦爾噴嘴產生馬赫數1以上的超聲霧化氣體，氣體壓力為8.3MPa時制得鋁粉的平均粒徑為22μm，粉末為球形，表面光滑，幾乎沒有“衛星”顆粒。但超音速噴嘴在氣霧化過程易產生紊流度高的復雜湍流及激波問題，對噴嘴結構參數設計加工要求高。

目前國內已有關于超音速緊耦合噴嘴結構及工藝操作參數的豐富研究，如發明專利CN101406862A，一種用于金屬氣體霧化的環孔型超音速噴嘴裝置，通過優化噴嘴擴張段和收縮段的線型，獲得均勻、紊流度小的超音速出口氣體，其產生粉末粒度細，但噴嘴內部加工工藝較復雜。專利CN103801704A，一種適用于3D打印的成型銅粉、制備方法及其用途，利用多種原理不同的超音速噴嘴耦合，制備3D打印用極細鈦合金粉末。該專利結合緊耦合、超聲氣霧化、層流氣霧化三級噴嘴制備微細粉末，但結構復雜，各級噴嘴產生的超音速、高能量氣體形成的流場難以控制，可預想利用該設計生成可控制粒度的粉末難度極高，且該設計能耗成本高。

普通的氣霧化粉末服從對數正太分布，得到的粉末標準偏差一般為2~2.3mm。對于重金屬如Fe,Ni,Cu等，在金屬液熔融溫度和常規操作氣壓1~5MPa下，氣液質量流速比通常采用0.5~4。文獻 Dunkley J J等“Advances in atomisation techniques for theformation of metal powders[M]// Advances in Powder Metallurgy. 2013.”，提到氣液比為4時，可能獲得30–40μm的鋼粉。氣液質量流速比越大得到的金屬粉末越細，但單一的提高氣液比和氣體輸送量不僅對噴嘴的材料和設計有要求，還會造成氣霧化效率下降，導致高能耗和高能耗帶來的大型儀器高成本。