一种用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴的制作方法

本实用新型涉及金属增材制造的技术领域，尤其涉及一种用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴。

背景技术：

在航空航天、国防军工以及传统制造业转型升级等方面上，金属增材制造技术的重要性日益凸显，其使用的金属粉末原材料是制约该技术发展的关键因素之一。增材制造所需的金属粉末应该具有球形度高，粉末粒径小，流动性好以及化学成分纯度高等特点。以上要求对增材制造专用金属粉末的生产设备提出了极高的挑战。

目前，制备增材制造用金属粉末的主要技术路线为真空气雾化。真空气雾化是采用高速气体将金属熔体液流破碎为细小的液滴，液滴通过表面张力的作用变成球形或近球形，凝固之后形成金属粉末。在气雾化过程中，气雾化喷嘴起着关键作用，不但影响粉末的粒径分布和细粉收得率，还对雾化气体消耗及成本产生重要影响。

传统的雾化喷嘴一般采用单层紧耦合设计(如图1所示)，此类喷嘴的气体出口分为环孔与环缝，采用环孔设计虽然可以节约雾化气体，但是对加工工艺要求较高，所有的孔轴线必须汇聚在导液管轴线的同一点上。

随着后续对气雾化机理的研究以及实验数据积累，学者们发现单层雾化喷嘴不具备单纯通过提高雾化气压实现熔液雾化效率的提高，即对单层雾化喷嘴存在一个最佳雾化气压。此现象是喷嘴前端气流场状态所决定，那么单层雾化喷嘴在细粉收得率以及更细金属粉末制备上暴露出明显不足。为了进一步提高雾化介质的能量转化效率，双层或多层雾化喷嘴的探索逐渐引起人们的重视。

目前市场上，一部分双层气雾化喷嘴采用环孔式内喷嘴加上环缝式外喷嘴设计，虽然该喷嘴能够利用到环孔与环缝两种气体出口的优势，但其内环孔外环缝的结构会增加零件实际加工的复杂性，且放弃里Laval管式环缝结构；

另一部分双层气雾化喷嘴采用环孔环缝整体式设计，其中喷嘴的Laval管设计放置在环形气道中，而并不是在环缝与环孔处，此设计的明显缺陷为零件加工实现困难以及双层雾化效果能量衰减，虽然喷嘴紧凑，但封闭式内部加工Laval管结构由于单级气动来源在通过Laval管加速后再分成两级气体雾化熔液时，气动效率衰减或破碎熔液的气体分散，会造成气雾化喷嘴雾化效率极低，容易导致熔液在管路上堵塞，而且粉末细粉收得率低。

技术实现要素：

针对现有的雾化喷嘴雾化效率低或在管路上堵塞存在的上述问题，现提供一种旨在确保雾化效率较高且不会使管路堵塞的用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴。

具体技术方案如下：

一种用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴，包括：导流管，所述导流管的轴向中部设有第一通道，所述导流管的下端的外周形成第一导向面；上端部件，所述上端部件的内部设有第一腔体，所述上端部件的周壁上设有与所述第一腔体连通的第一通孔，所述上端部件的上端设有第一通槽，所述上端部件的下端设有第二通槽，所述第二通槽的内周形成第二导向面，所述导流管的下端依次穿过所述第一通槽和所述第一腔体并伸入所述第二通槽内，所述第一导向面与所述第二导向面之间形成环形缝隙；下端部件，所述下端部件的中部设有第二腔体，所述第二腔体与所述第二通槽连通，所述下端部件的内部位于所述第二腔体的外周设有第三腔体，所述下端部件的周壁上设有与所述第三腔体连通的第二通孔，所述第二腔体的下端的内周形成第三导向面，所述下端部件内设有若干连通所述第二腔体与所述第三腔体的第二通道。

上述的用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴，其中，所述导流管的下端位于所述上端部件内。

上述的用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴，其中，所述环形缝隙的结构为Laval管结构。

上述的用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴，其中，所述导流管的上端的外周向外延伸形成凸环，所述凸环与所述上端部件的上端限位配合。

上述的用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴，其中，所述上端部件的下端面向下延伸形成凸块，所述下端部件的上端面开设有与所述凸块相匹配的环槽，所述环槽与所述第二腔体连通。

上述的用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴，其中，所述上端部件与所述下端部件之间采用过盈配合模式装配。

上述的用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴，其中，若干所述第二通道的一端分别与所述第三导向面连接，若干所述第二通道相对于所述第三导向面呈环形阵列。

上述的用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴，其中，所述第一通道呈倒锥状设置。

上述的用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴，其中，所述第一导向面呈倒锥状设置。

上述的用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴，其中，所述环形缝隙形成喷射角，所述喷射角的角度为55°～75°。

上述技术方案与现有技术相比具有的积极效果是：

本实用新型中将导流管的下端设于上端部件内，即导流管采用内缩式结构，及对导流管内第一通道的倒锥状设置，降低了金属液流热量损失，能够保证液流过热度，防止金属液流凝固堵嘴，保证连续生产；导流管下端的第一导向面的倒锥状设置，通过与上端部件内倒锥状的第二导向面的配合，形成了环形缝隙的喷射角，巧妙设计出无需额外加工的Laval管结构，而且利用雾化机理，上端部件中环形缝隙的设计，下端部件中若干第二通道形成的环形的第二通道设计，双层气雾化设计，气体雾化动能更大，加倍提高雾化程度，降低了真空气雾化制粉过程中的故障率，保证粉末连续生产，同时提高了气体雾化动力，从而提高了真空气雾化过程中的细粉收得率。本实用新型改善真空气雾化制备金属合金粉末过程中的导流管堵塞问题和细粉收得率偏低的问题，在保证提高金属粉末的品质与粉末产出的同时，降低雾化喷嘴的制造难度以及其加工成本。

附图说明

图1为传统的单层雾化喷嘴的结构示意图；

图2为本实用新型一种用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴的整体结构示意图；

图3为本实用新型一种用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴的三阶段雾化理论示意图；

图4为传统的单层雾化喷嘴的前端气场分布图；

图5为传统的单层雾化喷嘴的前端气场分布数据图；

图6为本实用新型一种用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴的前端气场分布图；

图7为本实用新型一种用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴的前端气场分布数据图。

附图中：1、导流管；2、第一通道；3、第一导向面；4、上端部件；5、第一腔体；6、第一通孔；7、第一通槽；8、第二通槽；9、第二导向面；10、环形缝隙；11、下端部件；12、第二腔体；13、第二通孔；14、第三腔体；15、第二通道；16、第三导向面；18、凸环；19、凸块；20、环槽、21、气流出口；22、金属液；23、液膜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，但不作为本实用新型的限定。

图1为传统的单层雾化喷嘴的结构示意图,图2为本实用新型一种用于制备增材，制造用的金属粉末雾化喷嘴的整体结构示意图，图3为本实用新型一种用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴的三阶段雾化理论示意图，图4为传统的单层雾化喷嘴的前端气场分布图，图5为传统的单层雾化喷嘴的前端气场分布数据图，图6为本实用新型一种用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴的前端气场分布图，图7为本实用新型一种用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴的前端气场分布数据图，与图1、图4和图5示出的传统的单层雾化喷嘴进行比较，如图2、图3、图6、和图7所示，示出了一种较佳实施例的用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴，包括：导流管1，导流管1的轴向中部设有第一通道2，第一通道2呈倒锥状设置，导流管1的下端的外周形成第一导向面3，第一导向面3呈倒锥状设置。

进一步，作为一种较佳的实施例，用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴还包括：上端部件4，上端部件4的内部设有第一腔体5，上端部件4的周壁上设有与第一腔体5连通的第一通孔6，上端部件4的上端设有第一通槽7，上端部件4的下端设有第二通槽8，第二通槽8的内周形成第二导向面9，第二导向面9呈倒锥状设置，导流管1的下端依次穿过第一通槽7和第一腔体5并伸入第二通槽8内，第一导向面3与第二导向面9之间形成环形缝隙10。

进一步，作为一种较佳的实施例，用于制备增材制造用的金属粉末雾化喷嘴还包括：下端部件11，下端部件11的中部设有第二腔体12，第二腔体12与第二通槽8连通，下端部件11的内部位于第二腔体12的外周设有第三腔体14，下端部件11的周壁上设有与第三腔体14连通的第二通孔13，第二腔体12的下端的内周形成第三导向面16，第三导向面16呈圆锥状设置，下端部件11内设有若干连通第二腔体12与第三腔体14的第二通道15。

进一步，作为一种较佳的实施例，导流管1的下端位于上端部件4内，即导流管1采用内缩式结构。传统的导流管1与喷嘴配合是导流管1会伸出喷嘴一段距离，而本实用新型将导流管1的下端设于在上端部件4的内部，不用伸出上端部件4，此结构的直观效果是同样厚度的雾化喷嘴下，导流管1长度变短了，对导流管进行短化设计。

进一步，作为一种较佳的实施例，环形缝隙10的结构为Laval管结构。

进一步，作为一种较佳的实施例，导流管1的上端的外周向外延伸形成凸环18，凸环18与上端部件4的上端限位配合。

进一步，作为一种较佳的实施例，上端部件4的下端面向下延伸形成凸块19，下端部件11的上端面开设有与凸块19相匹配的环槽20，环槽20与第二腔体12连通。

进一步，作为一种较佳的实施例，上端部件4和下端部件11之间采用过盈配合模式装配，减少焊接和螺栓紧固件的使用，方便拆卸和替换。

进一步，作为一种较佳的实施例，若干第二通道15的一端分别与第三导向面16连接，若干第二通道15相对于第三导向面16呈环形阵列。

以上仅为本实用新型较佳的实施例，并非因此限制本实用新型的实施方式及保护范围。

本实用新型在上述基础上还具有如下实施方式：

本实用新型的进一步实施例中，请继续参见图2、图3、图6、和图7所示，所述第一通道呈倒锥状设置。优选地，第一通道2与水平面之间的锥度为82°～88°，有效的减少金属熔体流动过程中的热量散失。

本实用新型的进一步实施例中，所述第一导向面呈倒锥状设置。优选地，第一导向面3与水平面之间的锥度为55°。

本实用新型的进一步实施例中，环形缝隙10形成喷射角，喷射角的角度为55°～75°。

本实用新型的进一步实施例中，若干第二通道15的轴线与导流管1的轴线之间的夹角均为40°～55°。

优选的，环形缝隙10的内径为24-30mm。

优选的，雾化喷嘴的材质由不锈钢制成。

优选的，第三导向面16所在圆弧直径为36-50mm，第二通道15的直径1.2-2mm。

本实用新型的双层复合喷嘴能够在距喷嘴更近位置获得较大气体速度，且双层复合喷嘴能够在更大范围内保持较高气体动能雾化熔液，即双层复合雾化喷嘴雾化效率更高。

本实用新型的导流管1用于输送金属熔体到喷嘴，上端部件4利用环形缝隙结构将金属熔体雾化，下端部件4可以进一步将上端部件雾化的金属液滴细化，提高细粉收得率。

本实用新型中导流管1采用内缩式结构和对导流管1内第一通道2的倒锥状设置，降低了金属液流热量损失，能够保证液流过热度，防止金属液流凝固堵嘴，保证连续生产；导流管1下端的第一导向面3的倒锥状设置，通过与上端部件4内倒锥状的第二导向面9的配合，形成了环形缝隙10的喷射角，巧妙设计出无需额外加工的Laval管结构，而且利用雾化机理，上端部件4中环形缝隙10的设计，下端部件11中环形的第二通道15设计，双层气雾化设计，气体雾化动能更大，加倍提高雾化程度，降低了真空气雾化制粉过程中的故障率，保证粉末连续生产，同时提高了气体雾化动力，从而提高了真空气雾化过程中的细粉收得率。

本实用新型改善真空气雾化制备金属合金粉末过程中的导流管堵塞问题和细粉收得率偏低的问题，在保证提高金属粉末的品质与粉末产出的同时，降低雾化喷嘴的制造难度以及其加工成本。

本实用新型中雾化喷嘴为上端部件4的环形缝隙10加上下端部件11的环形的第二通道15设置，符合文献《金属雾化制粉技术现状》中提到的“三阶段雾化理论”。三阶段雾化理论是现阶段相对被认可的雾化机理，此理论认为金属溶体的雾化过程是“首先成膜，继而破碎成带，最后带状细化破碎成滴”(如图3所示)。因为熔液雾化需要首先经过成膜阶段，第一级如果采用小角度环缝冲击，直接将熔液击穿为大液滴，不利于进一步熔液细化，原因为同样体积条件下，“液膜”熔液比“球状”熔液分离至同样尺寸的小液滴消耗的能量少。基于此结构，通过改变导流管内第一通道2的结构，最终形成能够加速气体的Laval管结构。在实际生产过程，熔液经过环形缝隙气体“抽拉”成细长液膜后，再采用小角度环形的第二通道15对其进一步雾化，小角度环形的第二通道15设计，通过若干第二通道15的轴线与导流管1的轴线之间的夹角均为40°～55°，将气体动能转化为液体表面能，从而达到更高的气体雾化效果，如果采用大角度环形的第二通道15结构，部分气体动能会起到加速液滴向下飞行的作用，从而造成气体动能浪费。

以上所述仅为本实用新型较佳的实施例，并非因此限制本实用新型的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本实用新型说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本实用新型的保护范围内。