一种用于二次雾化及加速冷却的气雾化装置及方法与流程

本发明涉及真空气雾化制备金属粉末领域，特别涉及一种用于二次雾化及加速冷却的气雾化装置及方法。

背景技术：

现今，随着工业化发展的需求，增材制造技术因其研发周期短、无新增耗材及能制造复杂零部件等诸多优点发展迅速，尤其金属3d打印技术成为国际学者争相研究的焦点。金属3d打印的原材料为一定粒径段的金属粉末，要求其化学成分纯净、氧含量低、球形度高、流动性好及松装密度满足一定要求。由于我国3d打印技术起步较晚，现如今虽得到政府的大力支持，涌现了一大批研发金属3d打印粉末的机构，如上海材料研究所、西北有色研究院、安泰科技股份有限公司等，我国的3d打印技术与国际上发达国家如德国、英国、加拿大及美国等仍有较大的差距，尤其是真空气雾化制粉技术仍处于摸索阶段，主要表现在粉末难冷却导致生产效率低、细粉收得率低、氧含量控制不稳定等方面。

作为增材制造技术领域中的一种核心技术，激光熔覆增材制造自上世纪70年代世界首个专利获得授权以来，就开始了飞速的发展，并逐渐应用于航空涡轮叶片、汽车发动机气缸、武器装备零部件的修复与再制造领域。激光熔覆增材制造技术由于其具有加工精度高、能量密度高、成形材料品种多等诸多优点，能很好地满足各种复杂机械耐腐蚀、耐磨损、硬度高的要求，但其原材料粉末的制备工艺较复杂，严重地阻碍了激光熔覆行业的发展。

目前的气雾化制粉技术，学者主要致力于解决气体与熔体发生激烈碰撞时气体能量转化效率较低的问题。即使对于世界上公认的真空紧耦合制粉技术，其能量转化效率也不超过30%。因此，高压气体与熔体发生激烈碰撞时，气体的动能转化为液滴的表面能的效率太低，熔体雾化为小液滴后冷却凝固缓慢，需要长时间在集粉罐中冷却，从而增加了主设备制粉的周期，直接导致气雾化制粉效率低下的问题。同时，考虑到集粉罐不可能做到完全密封，长时间的高温容易导致粉末氧含量升高，最终导致成品粉氧含量控制不稳定的问题。尤其对于激光熔覆用金属合金粉末，如ni-cr-w-b、ni-cr-mo-w、fe-cr-c-w等，由于其粉末松装密度处于4.5-5.3g/cm3，密度较大，熔体经一次雾化为小液滴后，不同于其它金属粉末在雾化筒体中旋转飞行，而是竖直落下到达雾化筒体下锥，飞行冷却时间大大减少，导致该粉末在雾化室下锥温度较高造成堆积，即所谓的“锅巴”。该现象直接造成粉末需长时间冷却，从而氧含量升高，且总粉末收得率降低，以及需要定期清理“锅巴”，严重地影响产品质量及生产效率。因此，如何实现对一次雾化不充分的液滴进行二次雾化及加快冷却从而降低氧含量及提升生产效率是目前需解决的难点问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于二次雾化及加速冷却的气雾化装置及方法。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种用于二次雾化及加速冷却的气雾化装置，所述装置固定设置于雾化室的炉壁上，其特征在于，包括上支架、下支架、喷嘴、高压软管和管道法兰，所述上支架与下支架分别上下固定于炉壁内侧，所述上支架、下支架上各自分布有数个螺孔，所述上支架与下支架之间固定设置有喷嘴外套，所述喷嘴外套与上支架、下支架通过调节螺栓进行连接，所述喷嘴底部固定设置于喷嘴外套内，所述喷嘴内部设置有中空腔室，所述高压软管穿过喷嘴外套与喷嘴底部连通，所述高压软管另一端穿过炉壁与管道法兰连通，所述管道法兰通过固定螺栓与炉壁外侧的炉壁法兰实现紧固密封。

优选的，所述喷嘴内中空腔室分为喷嘴缓冲气室和喷嘴加速通道，所述喷嘴缓冲气室直接与高压软管连通。

优选的，所述高压软管通过带通孔的拧紧螺栓与喷嘴外套密封连接。

优选的，所述高压软管的外径小于炉壁法兰的内径。

优选的，所述喷嘴加速通道为laval结构，喉口直径范围0.5mm~5mm。

优选的，所述喷嘴喷射角度范围α为10°~70°。

一种用于二次雾化及加速冷却的气雾化方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）首选确定喷嘴与雾化室顶部之间的距离h和喷嘴喷射角度α，再通过调节螺栓与上支架、下支架的固定位置从而调节喷嘴气流交汇处角度β；

（2）待雾化室内一次雾化区稳定正常雾化后，将环形管道气流与管道法兰进行连通，开启环形管道气体手阀，将惰性气体通过喷嘴实现喷射超音速气流，从而对液滴进行二次雾化与加速冷却。

优选的，所述喷嘴气流交汇处角度β范围为20°~70°

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过调节喷嘴与雾化室顶部的距离h、喷嘴气流交汇处角度β及喷嘴出口喷射角度α，实现喷射超音速气流对未冷却液滴进行二次雾化，将液滴击碎为更微小液滴，从而提高细粉收得率。

2.本发明针对激光熔覆用难冷却金属粉末，如ni-cr-w-b、ni-cr-mo-w、fe-cr-c-w等，通过外加气源对液滴进行加速冷却，避免雾化室下锥的粉末堆积，从而避免频繁拆卸气雾化设备，省时省力，并且极大地提高气雾化设备的出粉率。

3.本发明通过喷嘴外套的上下端与上、下支架之间选择不同的孔位，可试验调节喷嘴交汇处的角度β，实现最优的二次雾化工艺。

4.本发明通过在外端引入惰性气体通过环形管道与数个喷嘴系统连接，实现喷嘴系统的均匀供气，保证最终喷嘴气流交汇于雾化室筒体中心，从而实现二次雾化的顺利进行。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的具体位置示意图；

1-上支架、2-调节螺栓、3-喷嘴外套、4-喷嘴、5-炉壁、6-炉壁法兰、7-固定螺栓、8-管道法兰、9-高压软管、10-下支架、11-拧紧螺栓、12-喷嘴缓冲气室、13-喷嘴加速通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，本实施例不构成对本发明的限制。

如图1-2所示的一种用于二次雾化及加速冷却的气雾化装置，所述装置固定设置于雾化室的炉壁5上，其特征在于，包括上支架1、下支架10、喷嘴4、高压软管9和管道法兰8，所述上支架1与下支架10分别上下固定于炉壁5内侧，所述上支架1、下支架10上各自分布有数个螺孔，所述上支架1与下支架10之间固定设置有喷嘴外套3，所述喷嘴外套3与上支架1、下支架10通过调节螺栓2进行连接，所述喷嘴4底部固定设置于喷嘴外套3内，所述喷嘴4内部设置有中空腔室，所述高压软管9穿过喷嘴外套3与喷嘴4底部连通，所述高压软管9通过带通孔的拧紧螺栓11与喷嘴外套4密封连接，所述高压软管9另一端穿过炉壁5与管道法兰8连通，所述管道法兰8通过固定螺栓7与炉壁5外侧的炉壁法兰6实现紧固密封，所述高压软管9的外径小于炉壁法兰6的内径。

所述喷嘴内中空腔室分为喷嘴缓冲气室12和喷嘴加速通道13，所述喷嘴缓冲气室12直接与高压软管9连通，所述喷嘴加速通道13为laval结构，喉口直径范围0.5mm~5mm，所述喷嘴喷射角度α范围为10°~70°，惰性气体能通过该结构二次加速至超音速，喷嘴气流交汇处角度β范围为20°~70°。

实施例1

采用本发明申请专利制备激光熔覆用ni-cr-w-b粉末，具体过程为：采用220kgni-cr-w-b合金棒料作为原料，抽真空至5pa，运用接触式热电偶测温仪测量钢液温度为1750±20℃时向设备中充入氩气至101kpa，开启后端风机，待风机达到稳定抽吸条件，开启后端排气阀，当系统压力为95kpa时开始进行浇注雾化，雾化压力为5mpa。待一次雾化区稳定雾化后，开启环形管道气体手阀，进行二次雾化及加速冷却。

优选地，高压软管采用dn25管道，可耐压24mpa，软管采用耐火棉包裹。二级雾化管道气体压力为1mpa，流量为10m³/min。

优选地，喷嘴与熔炼室底部距离h为800mm，喷嘴气流交汇处角度β为60°，喷嘴出口喷射角度α为30°，喷嘴喉口直径为1mm。

雾化完成后，采用温度传感器测试金属粉末内部温度，约为35℃，实现了粉末的快速冷却，出粉后实测氧含量为235ppm，总粉末收得率为95.6%，38-150μm粉末收得率为61.2%，且雾化室下锥无粉末堆积。

实施例2

采用本发明申请专利制备激光熔覆用ni-cr-mo-w粉末，具体过程为：采用213kgni-cr-mo-w合金棒料作为原料，抽真空至5pa，运用接触式热电偶测温仪测量钢液温度为1730±20℃℃时向设备中充入氩气至101kpa，开启后端风机，待风机达到稳定抽吸条件，开启后端排气阀，当系统压力为95kpa时开始进行浇注雾化，雾化压力为4.5mpa。待一次雾化区稳定雾化后，开启环形管道气体手阀，进行二次雾化及加速冷却。

优选地，高压软管采用dn25管道，可耐压24mpa，软管采用耐火棉包裹。二级雾化管道气体压力为0.8mpa，流量为8m³/min。

优选地，喷嘴与熔炼室底部距离h为800mm，喷嘴气流交汇处角度β为50°，喷嘴出口喷射角度α为30°，喷嘴喉口直径为1mm。

雾化完成后，采用温度传感器测试金属粉末内部温度，约为40℃，实现了粉末的快速冷却，出粉后实测氧含量为258ppm，总粉末收得率为93.4%，38-150μm粉末收得率为52.1%，且雾化室下锥无粉末堆积。

通过对实施例1、实施例2与普通雾化条件下的雾化效果进行统计，得出数据结果如表1所示。

表1普通雾化和加速冷却装置雾化结果对比

通过表1能够看出，本发明不但能够有效提高总粉末的收得率还能降低粉末的氧含量，降低雾化结束粉末温度，避免“锅巴”现象出现，从而提高生产效率。

本发明设计一种用于二次雾化及加速冷却的气雾化装置及方法，在雾化室上方引入惰性气体环形管道，管道通过法兰、高压软管与圆周分布的laval喷嘴连接，在各个方向喷入超音速的惰性气体，调节喷嘴与熔炼室底部的距离及喷射角度，实现对一次雾化不充分的液滴进行二次雾化，从而提高细粉收得率。并且，从喷嘴喷出的氩气与高温液滴之间的温差实现对粉末的加速冷却，避免粉末在雾化室下锥堆积，极大地提高了总粉末收得率及降低粉末氧含量。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，不用于限制本发明，本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明技术方案的保护范围内。