一种旋流式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种喷嘴，具体涉及一种金属粉末雾化喷嘴。
【背景技术】
[0002] 常用的超细金属粉末的制备方法有机械法（如球磨法和气流磨粉碎法）、物理法 (如离子旋转电极法和气体雾化法）以及物理一化学法，而气体雾化法则又分为传统雾化 技术（主要包括超声雾化技术、紧耦合雾化技术和高压气体雾化技术）和新型雾化技术 (主要有层流雾化技术、超声紧耦合雾化技术和热气体雾化技术，目前多处于研宄阶段）。 其中，机械法只适合脆性金属及合金的破碎制粉，而物理一化学法难以应用于大规模工业 生产，所以目前研宄多集中在气体雾化法。
[0003] 具有代表性的喷嘴结构主要有三大类：超声雾化技术；紧親合（close-coupled) 雾化技术和高压气体雾化技术：
[0004] 超声雾化技术由拉伐尔喷嘴和哈特曼振动管组合在一起，在产生2~2. 5马赫数 超声速气流的同时，产生80-lOOkHz的脉冲频率；该技术只能在金属液流直径小于5mm的情 况下才具有较好效果，因此适用于铝等低熔点金属粉末的生产。
[0005] 紧耦合雾化技术的主要思想是增加气体动能至金属液流的传输效率，改进限制式 喷嘴的机构，使气流自出口至液流的距离最短，因此目前已成为大多雾化设备的首选；然而 在紧耦合雾化技术中，包含许多物理和化学过程，存在着气体的动能和液体的热能等传输 过程，情况十分复杂，气流与液流的作用机理至今没有完全研宄清楚，同时，需要精确控制 才能避免雾化过程的堵嘴等不稳定现象。
[0006] 高压气体雾化技术将紧耦合喷嘴的环缝出口改为20~24个单一喷孔，通过提高 气压（最高可达到17MPa)和改变导液管出口处的形状设计，克服紧耦合喷嘴中存在的气流 激波（这是紧耦合喷嘴中产生上述不稳定现象的原因），使气流呈超声速层流状态，并在导 液管出口处形成有效的负压；高压气体雾化技术不足的地方一是细粉末的出产率低（小于 20% )，二是气体消耗量大，生产成本高。
[0007] 为此，由上世纪90年代至今，国外对雾化技术的研宄在以下三方面取得了新的进 展：
[0008] 层流雾化技术对喷嘴进行重大改进，提出了层流超声雾化的概念，使气流在喷嘴 中呈层流状态，同时金属液流也呈层流状态，气流不再以某一角度冲击液态金属流，而是平 行于液态金属流，在这里液态金属流依靠气流在液流表面产生的剪切力和挤压而变形，液 流直径不断减小，发生层流纤维化，这一过程在一个稳定的气流和金属流场中进行。但该雾 化技术控制难度大，雾化过程不稳定，且产量小（金属质量流率小于lkg/min)，不利于工业 化生产。
[0009] 超声紧耦合雾化技术对紧耦合环缝式喷嘴进行结构优化，一是使气流的出口速度 超过声速，从而在较小的雾化压力下获得高速气流，二是增加金属液流的体积流率。目前仍 处于实验室阶段。
[0010] 热气体雾化技术是用提高雾化介质温度的方法来增加其动能，进而提高雾化效率 和节省通气量。但热气体雾化技术由于受到气体加热系统和喷嘴的限制，对其雾化机理、喷 嘴的设计、粉末性能、组织结构以及气体消耗量还很少有研宄报告。
[0011] 以上喷嘴的设计具有一个共同点，就是喷嘴出流方向和喷嘴出口环形平面呈直角 并指向环的中心，从而在喷嘴下方较短距离内互撞，引起气流的强烈剪切，从而使环形中心 流出的金属液面撕裂，终至雾化，同时出流由于强烈互撞，也形成了强湍流，不利于流动的 控制和雾化颗粒的均匀分布。
【发明内容】
[0012] 发明目的：本发明的目的在于为了克服现有技术的不足，提供一种气流稳定均匀、 雾化冷却效果好的旋流式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴。
[0013] 技术方案：本发明所述的一种旋流式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，包括喷嘴外 套和钛液导流管，所述钛液导流管沿轴线贯穿有钛液通道，所述喷嘴外套固定在所述钛液 导流管的一端使钛液导流管外壁和喷嘴外套内壁之间形成设有高压气源入口的高压气源 室，所述钛液导流管的另一端与所述钛液导流管之间形成拉伐尔喷管，在所述拉伐尔喷管 的扩张段内安装一组连接所述喷嘴外套的内壁和所述钛液导流管的外壁的导流片，所述导 流片相互间隔的排列在喷嘴外套和钛液导流管之间形成通道使喷管出口处超音速流呈旋 流状态。
[0014] 进一步，所有所述导流片同向的从上至下从竖直方向（0° )缓慢改变角度逐渐 延伸至与水平方向呈40~50° ;带有导流片喷嘴的流场数值模拟结果表明，如果旋转角 太小（〈40° )，则旋流分量太小，对流场的稳定效果不明显；另一方面，如果旋转角太大 (>50° )，由于旋转角在喷嘴内是渐变的，并使气流不致分离，则喷嘴内的导流片会加长，喷 嘴尺寸也必须增大，从而使喷嘴的制造成本大大提高。导流片变化的角度不可太大，一般控 制在每垂直向下延伸Imm导流片角度改变5°左右。
[0015] 进一步，所述导流片的厚度为0. 5~1.0 mm ;导流片的厚度一方面必须满足强度要 求，使得超音速气流通过时不致引起变形和颤振，从而造成气流的不稳定，另一方面不能太 厚，以免造成喷'嘴的堵塞。
[0016] 所述喷嘴外套的内壁包括两个坡面：入口面和出口面，所述入口面从高压气源室 延伸出来且渐收，所述入口面和出口面的衔接点为喉道，所述出口面从所述喉道延伸并渐 阔，所述钛液导流管的外壁渐收；所述钛液导流管渐收面、所述喷嘴外套入口面和所述喷嘴 外套出口面分别与重垂线的夹角依次减小；保证高压气体流进入拉伐尔喷管可在喉道被加 速至音速，在拉伐尔喷管的出口被加速至超音速，气体流实现无激波膨胀，因此在拉伐尔喷 管出口处产生背压，在与拉伐尔喷管出口靠近的钛液导流管唇口处产生一定的负压，由于 钛液通道内的压力与出口负压的压力差，引导钛液从钛液通道内流出。
[0017] 进一步，所述喉道的截面面积和拉伐尔喷管的出口面积之比为1. 53(除去导流片 所占面积），使气体流的在拉伐尔喷管出口的马赫数为2. 0,实现2倍音速，气体流的压力和 拉伐尔喷管出口背压之比为8. 31，保证钛及钛合金液从钛液通道中流出时在超音速气流的 剪切作用下，破碎成圆球形液滴，随之迅速冷却，形成圆球形细小粉末。
[0018] 进一步，所述导流片的上端距离拉伐尔喷管的喉道3~4mm，这是因为高压氩气在 拉伐尔喷管的喉道处刚好达到音速，仍然不稳定，在喉道之后的扩张段内需要一定距离进 一步加速成超音速，导流片对气体的阻塞要足够小；同时，所述导流片的下端距离拉伐尔喷 管的出口 2~3_，此预留空间使得高速气流得以汇合，避免在流动方向产生不必要的剪切 力