專利名稱：一種用于金屬氣體霧化的環(huán)孔型超音速噴嘴裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及快速凝固氣體霧化金屬熔液制備微細(xì)粉末的噴嘴，特別是包括一種氣 流噴管的超音速氣體霧化噴嘴。
背景技術(shù)：
在制備金屬粉末行業(yè)中，氣體霧化技術(shù)被廣泛采用。由于其具有高的冷卻速度
(104°C/ sec~106°C/sec)和過(guò)冷度，因此通過(guò)氣霧化制備超細(xì)球形金屬粉體具有很 多引人注目的特性，例如，粉末通過(guò)快速凝固氣霧化可以有效地減少合金成分的偏析， 獲得微觀組織細(xì)小、成份均勻的合金粉末。此外。通過(guò)控制冷凝速率可以獲得具有非 晶、準(zhǔn)晶、微晶或過(guò)飽和固溶體等非平衡組織的粉末?？蓮V泛應(yīng)用于航空航天、電子 信息、人造金剛石合成用觸媒粉末，熱噴涂、能源電力及冶金機(jī)械等領(lǐng)域。
氣霧化的基本原理是用一高速氣流擊碎金屬液流，在液態(tài)金屬不斷被擊碎成細(xì)小 液滴時(shí)，高速氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘僖旱卧龃罂偙砻娣e的表面能。霧化氣流常采用互 成角度的射流方式來(lái)霧化金屬液流，霧化噴嘴典型的結(jié)構(gòu)有自由降落式和限制式或緊 耦合式兩種。自由降落式噴嘴霧化制粉時(shí)，金屬熔體自導(dǎo)流嘴流出，要經(jīng)過(guò)一段距離 才能與氣體射流發(fā)生作用。而緊耦合式噴嘴是熔體從導(dǎo)流嘴流出很短距離即開(kāi)始霧化。 因此緊耦合式噴嘴的能量利用率高，并能產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的液流，粉末的粒度較細(xì)。
為了預(yù)測(cè)霧化后形成粉體直徑， 一些研究者在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到了一些經(jīng)驗(yàn) 公式，其中Lubanska公式(載于Journal of Metals, 1970， 45頁(yè))被認(rèn)為是最準(zhǔn)確和 適用范圍最廣的。Lubanska公式如下，
《=d。是
^乂
式中，『g = (Av):A^Q表示韋伯?dāng)?shù)，pm表示液態(tài)金屬的密度，C^表示表面張力， AV表示液態(tài)金屬和^流之間的相對(duì)速度，do表示金屬液流的直徑；dm表示粉體的平 均粒徑，k是由特定噴嘴決定的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(40 50)， Vm和Vg分別代表金屬液流和氣體
射流的速度，M和A分別表示金屬和霧化氣體的質(zhì)量流量。由Lubanska公式可以看 出金屬液流和氣體射流的速度在整個(gè)霧化過(guò)程中起到重要作用，相對(duì)速度Av越大， 則霧化粉體的平均粒徑越小。因此提高氣體速度或高的韋伯?dāng)?shù)可得到細(xì)的粉體。為了得到高速氣流，噴管的造型必須是先收縮后擴(kuò)張，否則即使上下游壓強(qiáng)差再 大也不可能在管道內(nèi)部產(chǎn)生超音速氣流。那些以為把流管截面盡量縮小就可以得到超
音速氣流了，結(jié)果是失敗的。美國(guó)的J.Ting等發(fā)明的超音速霧化噴嘴(US Patent N.6142382),利用收縮-擴(kuò)張型(Laval)噴管得到了超音速氣流，見(jiàn)圖3。中國(guó)的陳新 國(guó)利用同樣的方法發(fā)明了一種高壓氣體霧化噴嘴(CN2714160Y)，見(jiàn)圖4。但是這兩 種噴嘴的噴管大都采用了簡(jiǎn)單加工工藝的結(jié)構(gòu)，氣流噴管的收縮段和喉部大多為直線 型型線，即收縮段為圓錐形。I.E.Anderson等指出此類型噴嘴的氣腔產(chǎn)生的氣流流量 不是很穩(wěn)定(Materials science and engineering A, 326 (2002)101-109)。由空氣動(dòng)力學(xué)分 析可以知道，這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的氣流到達(dá)喉部并非均勻一致，紊流度大，流場(chǎng)中存在激 波，導(dǎo)致氣體的能量損失。而根據(jù)超音速噴管的設(shè)計(jì)要求，到達(dá)喉部的音速流必須是 均勻的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，以便能得到一種氣 流均勻一致，紊流度小，流場(chǎng)中不存在激波的超音速氣霧化噴嘴，滿足快速凝固金屬氣 霧化的技術(shù)要求，制備的金屬粉末達(dá)到粒度小，粒徑分布窄的目的。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為 一種用于金屬氣體霧化的環(huán)孔型超 音速噴嘴，它包含連接外部氣瓶的進(jìn)氣管，進(jìn)氣管與噴嘴環(huán)形氣腔相連，噴嘴中心有 一中心孔，氣腔下方腔壁上均勻分布著多個(gè)超音速氣體噴管，它包含有穩(wěn)定段AB、 收縮段BC、喉部CD和擴(kuò)散段DEF。整個(gè)噴管的橫截面為圓形，其型面是由噴管中 ABCDEF曲線繞噴管軸線旋轉(zhuǎn)所得到的一個(gè)流線型曲面。其中氣體噴管中心線的延長(zhǎng) 線與中心孔軸線形成夾角a，角01的范圍為-45°~45°。
穩(wěn)定段線段AB是一段平行于噴管軸線的直線。穩(wěn)定段截面直徑為dp軸向長(zhǎng)度
為L(zhǎng)p L,與d,之比為1: 1 1: 8，最佳值為1: 1 1: 4。穩(wěn)定段直徑與d2之比為1: 1 10: 1，最佳值為2: 1~6: 1。
噴管收縮段BC為曲線，B點(diǎn)截面直徑等于dP C點(diǎn)直徑為喉部直徑d2。收縮段 的軸向長(zhǎng)度為L(zhǎng)2， L2與d,之比為1: 5~4: 1，最佳值為l: 2 3: 1。
噴管喉部CD型線為一段圓弧。其中圓弧直徑d3與d2之比為1: 1~15: 1，常用 值為3: 1~10: 1。
擴(kuò)散段DEF的型線是由直線DE加一段曲線EF組成的，其直線段傾斜角是由氣 流的最大膨脹角p，或者說(shuō)是由設(shè)計(jì)馬赫數(shù)M決定的。其中直線傾斜角的范圍是0° 60°，F(xiàn)點(diǎn)噴管直徑d4與d2之比為1: 1~8: 1。曲線EF是根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)理論，
由特征線法得出的曲線。'
本設(shè)計(jì)的氣霧化噴管克服了前面所述的缺點(diǎn)，采用了平滑曲線代替了直線型面， 使氣流到達(dá)喉部時(shí)，得到了均勻一致，紊流度小，流場(chǎng)中不存在激波的氣體。
所述的穩(wěn)定段理論上越長(zhǎng)，來(lái)流越均勻。穩(wěn)定段直徑d,加大，可以提高收縮段的 收縮比，因而降低氣流的紊流度。但是實(shí)際上會(huì)受到噴管的直徑和加工的難易程度等 條件限制。
所述的收縮段在氣霧化噴管中起到的作用是加速氣流，同時(shí)保證氣流達(dá)到喉部時(shí)
氣流均勻且穩(wěn)定。收縮段的設(shè)計(jì)方法有多種，這里采用的經(jīng)驗(yàn)方法是BumowuhckuO公式。
所述的喉部是氣流從亞音速轉(zhuǎn)變?yōu)槌羲俚倪^(guò)渡段，若要在喉部得到一近似直線 的音速線，必須使喉部處的噴管型線有很大的曲率半徑，不使氣流有彎曲運(yùn)動(dòng)。
通過(guò)調(diào)整出口截面與喉部截面的直徑比(d4:d3)，可得到相應(yīng)的氣流馬赫數(shù)。提高 噴嘴氣腔的壓強(qiáng)，可以改變噴管出口的馬赫數(shù)。當(dāng)氣腔內(nèi)壓強(qiáng)超過(guò)設(shè)計(jì)壓強(qiáng)時(shí)，噴管 出口產(chǎn)生膨脹波，氣流穿過(guò)膨脹波進(jìn)一步加速。
工作時(shí)，由于噴管的內(nèi)部型線(ABCDEF)是流線型，完全按照可以減少氣流由 于壁面產(chǎn)生的普朗特-邁耶波，或者各種激波，降低能量損失和紊流度。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、 增加了穩(wěn)定段，使氣流速度分布均勻，導(dǎo)直氣流方向，使各點(diǎn)氣流方向均平行 于氣霧化噴管軸線方向，減少氣流的紊流度；
2、 收縮段改為平滑的曲線設(shè)計(jì)，可以使穩(wěn)定段來(lái)的氣流均勻加速至音速；
3、 整個(gè)噴管完全按照空氣動(dòng)力學(xué)理論設(shè)計(jì)，減少產(chǎn)生普朗特-邁耶波或者各種激波 的機(jī)率，降低能量損失和紊流度；
4、 節(jié)約材料，降低成本。按照這種設(shè)計(jì)，氣霧化噴嘴的氣腔中壓強(qiáng)較小，耗氣量 減小，并且噴管出口的馬赫數(shù)可以控制，進(jìn)而可以控制快速凝固氣霧化過(guò)程中粉 體的粒度分布。滿足在氣霧化過(guò)程中的性能要求，可以獲得高的細(xì)粉出粉率，粒 度分布范圍較窄。


圖1為本發(fā)明的氣霧化噴嘴中噴管示意圖。
圖中l(wèi)為氣腔，2為中心孔，3為噴管，4為進(jìn)氣管。圖2為本發(fā)明氣體噴管示意圖。
圖中AB為穩(wěn)定段，BC為收縮段，CD為喉部，DEF為擴(kuò)散段。 圖3為美國(guó)專利US6，142，382金屬氣霧化噴嘴示意圖。
圖中5為噴嘴，6為導(dǎo)流嘴，7為噴管收縮段，8為噴管擴(kuò)散段，9為噴管喉部 圖4為中國(guó)專利CN 2714160Y高壓氣霧化噴嘴示意圖。 圖中IO為噴嘴，ll為噴管收縮段，12為噴管喉部，13為噴管擴(kuò)散段。 圖5為實(shí)施例1中金屬粉體的粒度分布曲線。 圖6為實(shí)施例1中金屬粉體的SEM照片。 圖7為實(shí)施例1中金屬粉體的SEM照片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1:
本實(shí)施例中，F(xiàn)eNi30合金熔液以1650。C的溫度從導(dǎo)流嘴中流出。Laval型氣體噴 管的喉部直徑d2與出口直徑d4之比為1: 1.7，穩(wěn)定段L,與c^之比為1: 1,穩(wěn)定段直
徑d,與d2之比為4: 1，收縮段的長(zhǎng)度L2與(^之比為8: 3，噴管喉部d3與d2之比為
8: 1。角a為11°，角p為11.7°。霧化氣體為氮?dú)猓F化壓力為2.6MPa，霧化室內(nèi) 壓力為0.1 MPa。金屬粉體的粒度分布曲線如圖5所示，金屬粉體的SEM照片如圖6、 7所示。做出的粉末所達(dá)到的平均顆粒直徑為13.1021nm， 40wtM小于11.4014pm， 70wt。/。小于17.2511pm， 90wt。/。小于25.6048|iim。
實(shí)施例2:
材料為MMnCo合金熔液以1450°C的溫度從一導(dǎo)流嘴噴出，導(dǎo)流嘴內(nèi)徑為4.0mm。 Laval型氣體噴管的喉部直徑(12與出口直徑d4之比為1: 2.5，穩(wěn)定段"與dt之比為1:
2，穩(wěn)定段直徑d,與d2之比為4: 1，收縮段的長(zhǎng)度L2與(^之比為1: 1，噴管喉部(13
與(12之比為8: 1。角a為ir，角(3為20。。霧化氣體為氮?dú)?，霧化壓力為3.5MPa， 霧化室內(nèi)壓力為O.l MPa。霧化所得粉末50wtn/。小于10.5jxm， 80wt。/。小于17.05pm， 平均顆粒直徑為12.06pm。
實(shí)施例3:
本實(shí)施例中，Laval型氣體噴管的喉部直徑4與出口直徑cU之比為1: 2，穩(wěn)定段
!^與山之比為1: 2，穩(wěn)定段直徑d!與d2之比為5: 1，收縮段的長(zhǎng)度L2與D、之比為 1: 1，噴管喉部d3與d2之比為8: 1。角Ot為ir，角卩為11T。霧化氣體為氬氣，
霧化壓力為UMPa，霧化室內(nèi)壓力為O.l MPa。A120SnlCu合金熔液霧化溫度為74(TC。霧化所得粉末50wt。/。小于27.7pm， 80wt。/。小于40.24pm，平均顆粒直徑為30.05pm。
權(quán)利要求
1、一種用于金屬氣體霧化的環(huán)孔型超音速噴嘴裝置，它包含連接外部氣瓶的進(jìn)氣管(4)，進(jìn)氣管與噴嘴環(huán)形氣腔(1)相連，噴嘴中心有一中心孔(2)，氣腔下方腔壁上均勻分布著多個(gè)超音速氣體噴管(3)，它包含有穩(wěn)定段、收縮段、喉部和擴(kuò)散段，其中氣體噴管中心線的延長(zhǎng)線與中心孔軸線形成夾角α，所述的穩(wěn)定段線段AB是一段平行于噴管軸線的直線，所述的噴管收縮段BC為收縮式的曲線，所述的噴管喉部CD型線為一段圓弧，所述的擴(kuò)散段DEF型線是由直線DE加一段曲線EF組成的，整個(gè)噴管的橫截面為圓形，其型面是由噴管中ABCDEF曲線繞噴管軸線旋轉(zhuǎn)所得到的一個(gè)流線型曲面。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于金屬氣體霧化的環(huán)孔型超音速噴嘴裝置，其特 征在于氣體噴管中心線的延長(zhǎng)線與中心孔軸線形成夾角a為-45°~45° 。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于金屬氣體霧化的環(huán)孔型超音速噴嘴裝置， 其特征在于穩(wěn)定段AB的軸向長(zhǎng)度L,與截面直徑d,之比為1: 1 1: 8，直徑d,與4之比為1: 1 10: 1。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于金屬氣體霧化的環(huán)孔型超音速噴嘴裝置，其特征在于穩(wěn)定段AB的軸向長(zhǎng)度L,與截面直徑d,之比為1: 1 1: 4。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于金屬氣體霧化的環(huán)孔型超音速噴嘴裝置，其特征在于收縮段曲線BC的軸向長(zhǎng)度L2與B點(diǎn)截面直徑d,之比為1: 5~4: 1, 直徑d,與d2之比為2: 1~6: 1。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于金屬氣體霧化的環(huán)孔型超音速噴嘴裝置，其特征在于收縮段曲線BC的軸向長(zhǎng)度L2與B點(diǎn)截面直徑d，之比為1: 2~3: 1。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于金屬氣體霧化的環(huán)孔型超音速噴嘴裝置，其特征在于噴管喉部CD型線曲率直徑d3與喉部直徑d2之比為1: 1~15: 1。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于金屬氣體霧化的環(huán)孔型超音速噴嘴裝置，其特征在于擴(kuò)散段DEF段型線中直線部分傾斜角p的范圍是0°~60° ， F點(diǎn)噴管直徑d4與4之比為1: 1 8: 1。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于金屬氣體霧化的環(huán)孔型超音速噴嘴裝置，它包含連接外部氣瓶的進(jìn)氣管(4)，進(jìn)氣管與噴嘴環(huán)形氣腔(1)相連，噴嘴中心有一中心孔(2)，氣腔下方腔壁上均勻分布著多個(gè)超音速氣體噴管(3)，它包含有穩(wěn)定段、收縮段、喉部和擴(kuò)散段，氣體噴管中心線的延長(zhǎng)線與中心孔軸線形成夾角α。穩(wěn)定段線段AB是一段平行于噴管軸線的直線，噴管收縮段BC為收縮式的曲線，噴管喉部CD型線為一段圓弧，擴(kuò)散段DEF的段型線是由直線DE加一段曲線EF組成的，整個(gè)噴管的橫截面為圓形，其型面是由噴管中ABCDEF曲線繞噴管軸線旋所得到的一個(gè)流線型曲面。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是它是一種氣流均勻一致，紊流度小，流場(chǎng)中不存在激波的超音速氣霧化噴嘴，可滿足快速凝固金屬氣霧化的技術(shù)要求，制備的金屬粉末達(dá)到粒度小，粒徑分布窄的目的。
文檔編號(hào)B05B1/34GK101406862SQ20071017583
公開(kāi)日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2007年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月12日
發(fā)明者駿 徐, 朱學(xué)新, 趙新明 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院