(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810706228.0
(22)申请日 2018.07.02
(71)申请人 南京理工大学
地址 210014 江苏省南京市玄武区孝陵卫
街道孝陵卫街200号
(72)发明人 范沧 代文杰 潘诗琰 张继峰
邱天旭 孙露
(74)专利代理机构 江苏圣典律师事务所 32237
代理人 邓丽 王伟
(51)Int.Cl.
B22F 9/08(2006.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明涉及一种用于制备金属粉末的气雾
化喷嘴，具有高气液能量转化率。该喷嘴的特征
材料，置于圆柱型金属导液管内。金属导液管外
侧有以中心轴线为中心的超音速气体喷出通道
和出口，外侧设置以中心轴线为中心的环形储气
腔。利用本发明的气雾化喷嘴，可使高速高能气
体与金属液体的接触面积相比普通环缝型紧耦
合超音速喷嘴有效增加；气雾化过程中，中心进
气管气体被高导热管壁外环绕的金属熔液加热，
使气体的动能大限度转化为颗粒表面能，提高金
属粉末气雾化效率。本发明喷嘴制备的金属粉末
具有粒度小、粒度分布窄、
工业成本低的优点。权利要求书1页 说明书6页 附图3页CN 108714697 A 2018.10.30
C N 108714697
A
1.一种用于制备金属粉末的气雾化喷嘴，其特征在于，该喷嘴包含一个直线型的中心进气管（1），其进气端连接储气室，所述中心进气管置于圆柱型金属导液管（2）内；所述金属导液管（2）外侧有以中心轴线为中心的超音速气体喷出的环缝型通道和出口（3）；所述通道和出口（3）外侧设置以中心轴线为中心的环形储气腔（4）；所述环形储气腔（4）连接外部压力输气瓶；所述通道和出口（3）的中心轴线与进气管（1）的中心轴线成倾斜角度α；所述金属导液管上部和坩埚连接，金属熔融后从坩埚流入导液管。
2.根据权利要求1所述的气雾化喷嘴，其特征在于，所述导液管内径d2：中心进气管内径d1范围为7:1~13:1。
3.根据权利要求1所述的气雾化喷嘴，其特征在于，所述中心进气管管壁厚d3：中心进气管内径d1范围为1:2~2:1。
4.根据权利要求1所述的气雾化喷嘴，其特征在于，所述导液管管壁厚d4：中心进气管内径d1范围为1.
5:1~6:1。
5.根据权利要求1所述的气雾化喷嘴，其特征在于，所述超音速气体喷出通道和出口宽度d5：中心气进管内径d1范围为1.35:1~2.8:1。
6.根据权利要求1所述的气雾化喷嘴，其特征在于，所述超音速气体喷出通道和出口的中心轴线与中心进气管的中心轴线延长形成夹角α，所述α角的范围为0º~50º。
7.根据权利要求1所述的气雾化喷嘴，其特征在于，所述金属导液管在喷嘴下方出口处可以伸缩，所述导液管伸出长度L1：中心进气管内径d1范围为1.5:1~6:1。
8.根据权利要求1所述的气雾化喷嘴，其特征在于，所述超音速气体喷出的环缝型通道和出口为拉瓦尔型的超音速喷嘴。
9.根据权利要求1所述的气雾化喷嘴，其特征在于，所述中心进气管外管壁与金属导液管内管壁不接触；中心进气管上端与储气室通过螺母连接，连接处有阀门一，储气室按指定高度固定，使中心进气管下端和导液管底端平齐；所述储气室连接压力输送瓶；输气时，先关闭与中心进气管的阀门，储气室充满气体后打开阀门，压力气体平稳地进入中心进气管。
10.根据权利要求1所述的气雾化喷嘴，其特征在于，所述中心进气管的管壁材料为石墨、钛合金、镍
合金中的一种；所述金属导液管的管壁材料为氧化铝、高纯石英、碳化硅、氧化硅、氧化锆中的一种。
权 利 要 求 书1/1页CN 108714697 A
一种用于制备金属粉末的气雾化喷嘴
技术领域
[0001]本发明涉及一种气雾化喷嘴，用于制备粒度小、粒度分布窄、工业成本较低的高质量金属、合金微细粉末。
背景技术
[0002]气雾化技术制备的粉末具有粒度细小、球形度高、氧含量低、可大量生产的能力且成本低的特点，目前已经成为生产高性能球形金属及合金粉末的主要方法。气雾化的原理是通过气流快速冲击熔融金属液流，将熔体液流粉碎成很细的液滴并迅速冷凝得到微细金属粉末，在合适的喷嘴参数和操作下可以获得平均粒径为10μm的微细粉末。在气雾化过程中，喷嘴的结构参数直接影响加速雾化气体与金属液流作用时的速度和能量密度，对雾化过程的稳定性、效率、获得粉末质量起着关键作用。因此，喷嘴各结构参数，如喷射角度、导液管伸出长度、气液流体通道形状等都需要进行严格地最优化
设计。
[0003]早期的气雾化工艺中，普遍采用自由落体式喷嘴结构。这种喷嘴设计简单、不易堵
塞、控制过程简单，但其雾化效率不高，仅适用于生产50
~300μm粒度的粉末。为了提高雾化
效率，后来发展出限制式喷嘴或紧耦合雾化喷嘴。紧耦合或限制式喷嘴缩短了气体飞行距离，减少了气体流动过程的动能损失，从而提高了与金属作用的气流的速度和密度，增加了微细粉末的产量。而利用超音速雾化器可以获得比一般气雾化技术更细、更集中的粉末和更快的凝固速率。文献“气雾化法制备金属粉末的研究进展”中提到利用收缩扩张型的拉瓦尔喷嘴产生马赫数1以上的超声雾化气体，气体压力为8.3MPa时制得铝粉的平均粒径为22μm，粉末为球形，表面光滑，几乎没有“卫星”颗粒。但超音速喷嘴在气雾化过程易产生紊流度高的复杂湍流及激波问题，对喷嘴结构参数设计加工要求高。
[0004]目前国内已有关于超音速紧耦合喷嘴结构及工艺操作参数的丰富研究，如发明专利CN101406862A，一种用于金属气体雾化的环孔型超音速喷嘴装置，通过优化喷嘴扩张段和收缩段的线型，获得均匀、紊流度小的超音速出口气体，其产生粉末粒度细，但喷嘴内部加工工艺较复杂。专利CN103801704A，一种适用于3D打印的成型铜粉、制备方法及其用途，利用多种原理不同的超音速
喷嘴耦合，制备3D打印用极细钛合金粉末。该专利结合紧耦合、超声气雾化、层流气雾化三级喷嘴制备微细粉末，但结构复杂，各级喷嘴产生的超音速、高能量气体形成的流场难以控制，可预想利用该设计生成可控制粒度的粉末难度极高，且该设计能耗成本高。
[0005]普通的气雾化粉末服从对数正太分布，得到的粉末标准偏差一般为2
~2.3mm。对于
重金属如Fe,Ni,Cu等，在金属液熔融温度和常规操作气压1
~5MPa下，气液质量流速比通常
采用0.5
~4。文献 Dunkley J J等“Advances in atomisation techniques for the
formation of metal powders[M]// Advances in Powder Metallurgy. 2013.”，提到气液比为4时，可能获得30–40μm的钢粉。气液质量流速比越大得到的金属粉末越细，但单一的提高气液比和气体输送量不仅对喷嘴的材料和设计有要求，还会造成气雾化效率下降，导致高能耗和高能耗带来的大型仪器高成本。
[0006]也有工艺和设计是通过提高雾化介质温度的手段获得更细的粉末和更窄的粒度分布。英国Hailsham的Phoenix Scientific Industies (PSI)公司采用高温气体为雾化介质，发展了热气流雾化工艺。随着气体温度的升高，喷嘴出口处气体的速率升高，有效提高了雾化气体能量。但是，气体温度需加热到500℃以上，必须附加一套加热装置。专利CN102528062B，一种解决喷嘴和导流管金属及合金堵塞的全封闭气体雾化制粉装置，即是以上思路的继承者，该专利在金属导液管外部和拉瓦尔喷嘴外部空隙均设置单独的发热体组，以防止导液管出口氧化物堵塞。但是单独设置发热体对雾化器性能提出了更高要求，也增加了成本。
发明内容
[0007]本发明的目的在于针对以上现有技术存在的问题，发明一种新型中心气管型超音速雾化喷嘴，能生产粒度小、分布窄的优质金属、合金微细粉末，且气体能量利用率高。[0008]为达到以上目的，本发明提出的技术方案为：
一种用于制备金属粉末的气雾化喷嘴，具有高气液能量转化率，该喷嘴包含一个直线型的中心进气管，其进气端连接储气室，所述中心进气管置于圆柱型金属导液管内；所述金属导液管外侧有以中心轴线为中心的超音速气体喷出的环缝型通道和出口；所述通道和出口外侧设置以中心轴线为中心的环形储气腔；所述环形储气腔连接外部压力输气瓶；所述通道和出口的中心轴线与进气管的中心轴线成
倾斜角度α，即环缝型出口气体可以平行中心轴线喷出，亦可与中心轴线成角度喷出，按实际要求选择角度。
[0009]所述金属导液管上端连接盛放熔化金属液的坩埚，坩埚顶盖上留有与中心进气管同轴且尺寸略大于中心进气管内径的孔洞，以便于中心进气管通过。所述金属导液管与坩埚底部接触面上设有阀门二，通过阀门二的推动开闭控制金属液从坩埚流入金属导液管中。在本发明中，金属导液管外壁配合坩埚高度固定在支架或墙壁上，可以灵活调整。[0010]在本发明中，中心进气管上端与储气室通过螺母固定连接，此处连接起到固定安装中心进气管的作用，连接处有阀门一。储气室连接压力输送瓶。输气时，先关闭与中心进气管连接的阀门一，储气室充满气体后打开阀门一，压力气体平稳地进入中心进气管，使中心进气管输出高速层流气流。储气室按指定高度的固定于墙壁或支架，且储气室的高度在封闭坩埚之上，最终使中心进气管下端和导液管伸缩长度最短时的底端平齐。中心进气管外管壁与金属导液管内管壁不接触。
[0011]所述坩埚顶盖中心孔与中心进气管外壁间的缝隙由耐高温材料填充，辅助固定中心进气管。耐高温材料可以是低成本耐火石棉、陶瓷圆环。
[0012]所述金属导液管上端是否流入金属液体由坩埚底部两块半月形片状阀门二决定。阀门二靠近中心进气管的一端呈L型，中心进气管外壁焊接一个圆环型薄片，当阀门二关闭时，中心进气管外壁圆环
形薄片和阀门二的L型上表面配合，使坩埚底端在阀门二关闭时保持密封状态。阀门二管壁厚中心有内径和中心进气管外径相适应的，且与中心进气管同轴的孔洞，使两片半圆形阀门闭合后，中心进气孔能通过坩埚。
[0013]该技术方案中，所有结构尺寸和比例均由未知量和中心进气管内径d1之比确定，首先确定中心进气管内径d1，其他尺寸既知：
13:1。
所述导液管内径d2：中心进气管内径d1范围为7:1
~
[0014]所述中心气管管壁厚d3：中心进气管内径d1范围为1:2
~2:1。
[0015]所述导液管管壁厚d4：中心进气管内径d1范围为1.5:1
~6:1。
[0016]所述超音速气体喷出通道和出口宽度d5：中心进气管内径d1范围为1.35:1
~2.8:
1。
[0017]所述超音速气体喷出通道和出口的中心轴线与中心进气管的中心轴线延长形成
夹角α，α角的范围为0º
~50º，可取0º。
[0018]在本发明中，金属液导管的末端是可拆卸的，金属导液管末端和主体导液管通过螺母螺钉紧密连接。选择不同长度的末端，实现金属导液管在喷嘴下方出口的可伸缩性，伸
缩长度L1，所述导液管伸出长度L1：中心进气管内径d1范围为1.5:1
~6:1。
[0019]所述超音速气体喷出的环缝型通道和出口为拉瓦尔型的超音速喷嘴。
[0020]所述中心进气管外壁焊接有圆环薄片，圆环薄片下表面高度与坩埚底端阀门二L 型结构上端表面高度一致。圆环薄片环状部分宽度等于或略大于中心进气管外壁d3的圆环薄片环宽度，该宽度范围为d3-1.1*d3。
[0021]所述坩埚底端阀门二由两个半圆形尺寸相同的薄片构成，阀门二接触中心进气管的一端呈L型向上突起，L型突起的上端表面宽度等于金属导液管管壁厚度d4。
[0022]所述中心气管的管壁材料为高导热、耐腐蚀材料，包括石墨、钛合金、镍合金中的一种。金属导液管的管壁材料为绝热材料，为氧化铝、高纯石英壁、碳化硅、氧化硅、氧化锆中的一种。
[0023]所述金属导液管上部和坩埚连接，金属熔融后从坩埚流入导液管。所述金属导液管下端连接的雾化室为真空室。
[0024]本发明与现有技术相比的有益之处：
该发明的喷嘴在金属导液管中间再包裹放置进气管，中心进气管出口的高能超音速层流气流喷出的瞬间立即与金属溶液发生能量转化。气雾化过程中气液接触面积相比于普通环缝型紧耦合超音速喷嘴有效提高，气体动能大限度地转化为颗粒表面能，用高能量利用率的方式获得粒度分布窄，粒度小的金属、合金微细粉末。
[0025]本发明通过直线型的中心进气管向封闭气腔内喷出高能层流，通过增加不超过总气体消耗量1.1%的微量气体消耗量，使气雾化过程中，整个喷嘴装置的气液比几乎不升高，获得优质的微细粉末，大大提高了生产微细粉末的气雾化效率，降低了仪器成本。[0026]中心进气管采用导热性好的管壁材料，使金属导液管的热量迅速传递给中心进气管内的气体，提高了雾化介质温度，增加了气体动能转化为颗粒表面能的比率，从而获得更细的粉末。金属液导管的管壁材料采用绝热保温性好的材料，能保证金属液的温度在一定范围内，使金属液有较好的流动性。
[0027]本发明结构简单，容易实现，实施成本低，具有较高的工业价值。
附图说明
[0028]图1为本发明过喷嘴中心轴线的剖面图；
图2-5分别为图1的局部放大图。
[0029]图中，1-中心进气管，2-金属导液管，3-环缝型通道和出口，4-环形储气腔；5-储气室；6-坩埚；7-阀门二；8-坩埚顶盖；9-阀门一；10-圆环形薄片。
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