一、本发明涉及一种使金属熔体雾化的材料制造方法。
背景技术：
0、二、背景技术
1、金属熔体雾化并对雾化后的金属进行深加工、生产高性能的金属材料，是高端制造的重要一环。当前市场上存在的金属雾化手段，局限于金属粉末制造，缺少金属雾化后的深加工。同时，金属粉末雾化方法缺陷较多：1、气体雾化：雾化功效低，雾化后产品粒径大且粒径分布宽。即使在雾化后的成品中存在粒径小的优良产品，但因为难以分离、增加了分离成本而价格高启：2、电爆法产品的粒径小，产品性能优异，但粒径分布宽、难于分离、难于进行规模化大生产，生产成本高昂。
2、本发明的目的是克服目前产品粒径大、粒径分布宽、生产成本高的缺点，规模化生产雾化金属产品，并对雾化后的产品进行深加工，获得高性能金属材料。
技术实现思路
0、三、
技术实现要素：
1、一种激波雾化金属熔体的方法。本发明的目的是通过以下工作原理和技术方案实现的：
2、a、工作原理
3、a、脱体激波是超声波驻波的波腹，该超声波具有高能量，可以雾化熔融金属
4、1、脱体激波的形成
5、参照图1，本说明书中称：1-阻流盘，阻挡气流；2-马赫盘，阻流盘前形成的脱体激波。本说明书中也称：马赫盘到阻流盘之间的气流空间为激波层；马赫盘到阻流盘内表面的距离为激波层厚度。
6、超音速气流的一维等熵不定常流动方程为：
7、u-气流流速；c-气流音速；r-气体比热容比；
8、超音速气流被压缩时，受到的压缩力来自超音速气流本身的冲量。当气流速度在被压缩前为υ1时，压缩力的一维微分方程为：
9、解得：x＝acos(ωt+φ)其中：a-振幅 ω-角频率 φ-相位差
10、根据哈密顿原理，方程(1)和(2)，即超音速气流压缩过程的哈密顿函数是：
11、为哈密顿函数的动能项，p-动量；为势能项，k＝ω2m
12、因为压缩过程能量守恒，dh＝0，有：p＝mωasin(ωt+φ)
13、即：dp＝d(mωasin(ωt+φ))
14、当压缩到达sin(ωt+φ)＝1时刻时，压缩达到最大值。设此时气流速度为υ2，考虑到气流流体质量守恒(m＝ρ1υ1s＝ρ2υ2s)，有ωa＝υ1-υ2。一部分超音速气流的动能转化为气流的势能，气流被压缩、流速降低，马赫盘形成。
15、所以，在超音速气流被压缩过程中，在马赫盘形成的同时，也生成了一个简谐振动。或者说，马赫盘本质上就是一个谐振子，或者谐振面。
16、此时马赫盘的总能量为：
17、
18、c1-流入马赫盘的超音速气流的音速、c2-流出马赫盘的气流的音速、ccr-临界音速
19、当时，马赫盘中的简谐振动从最大值回落。根据激波理论，此时，压缩后气流的流速小于音速，简谐振动在激波层中产生声波，向阻流盘方向传播。
20、以此时、此地为坐标原点，声波方程为：其中：ω＝2πf f-频率 λ-波长
21、当声波遇阻流盘时反射，生成了反射波，平面方程为：
22、声波与其反射波干涉，形成驻波，平面方程为：
23、在激波层内传播的驻波和马赫盘上的简谐振动一起，构成了一个(或两个)完整的振动周期。由于驻波和简谐振动都不向系统外传递能量，能量守恒，形成了稳定的马赫盘。
24、所以，马赫盘的形成是超音速气流被周期性压缩、以及后续形成的驻波共同作用的结果。
25、(1)自然条件下，气流流速低于音速，属于弱扰动，压缩后生成的是声波，并且由于气流速度不稳定，生成的声波频率繁多，经互相干涉后，气体仍然保持各向同性，很难感觉到气流有什么不同。但在稳定的超音速气流条件下，气流速度大于音速且恒定，生成的脱体激波是单一频率的谐振子，使所在气流与相邻气流在各方面都有很大的不同，压强、密度增加，波阻增大，能够明显感觉到脱体激波对光的反射、折射与相邻气流的不同。
26、(2)膨胀波、压缩波和脱体激波都是等熵的，没有哪一个是熵增的。这也能很好地解释为什么超音速航空发动机尾喷管会出现一连串的马赫盘。因为：一连串的马赫盘说明气流压缩和膨胀过程是可逆的，一个可逆的过程是等熵过程，直到声波衰竭；马赫盘之间等距离，说明气流被同一波长的声波所主导，相邻马赫盘的距离为波长。
27、2、激波层厚度h、声波的波长λ、频率f、振幅a：
28、参照图1，根据驻波的性质，马赫盘是驻波的波腹、阻流盘内表面是波节，波节、波腹相差有：
29、由于激波层内的压强大于激波层外压强，流入激波层的亚音速气流会被加速为音速流出。激波层构成了一个收缩喷管。
30、根据收缩喷管的连续性方程πr2ρυ2＝2πrhρυcr，有：
31、
32、λ1、λ2-速度系数；m-超音速气流的马赫数；r-阻流盘半径；ρ-气体密度
33、令n＝1，把h带入得：λ＝2λ2r
34、根据υcr＝fλ，解得：通常r很小，f＞20000hz
35、所以，由简谐振动生成的声波为超声波。
36、
37、t为激波层内气流发生一次由压缩到膨胀过程所需要的时间
38、根据ωa＝υ1-υ2，解得超声波的振幅：压缩比为：
39、因为必须有：解得：
40、所以，当时，激波层厚度不是波长。
41、当时，须在中取n＝2，有：
42、同样解得：且有：
43、所以，当时，激波层厚度是波长。
44、激波层厚度是波长或波长对激波层能够存储的压缩能影响很大。当激波层厚度为波长时，存储能量的能量密度是当激波层厚度是波长时，存储的能量密度是考虑速度系数造成的影响，后者的能量容量是前者的9倍以上：同样地，如果对激波层进行同等效果的压缩，压缩后者所需要的压强也是前者的9倍以上。
45、参照图2，等熵与冲击绝热关系曲线对比r＝1.4。当时，此点左、右图像有明显的激波层厚度分别是的特征。理论值与图像值的差异来自：(1)超声波的衰减；(2)图像的制作精度；其中，超声波的衰减是主要因素。实践中，超声波的衰减量对激波层压强造成的影响，可以通过理论计算获得数据。
46、显然，图2证明了激波层中存在超声波。
47、本质上，激波层内的超声波是气体分子在自由程范围以相同的频率、不同的振幅做周期振荡，其能量属于内能，表现为气体温度的上升。激波层内存在超声波完善了激波理论，并不违反热力学第二定律。
48、所以，激波层内有超声波，具有高能量。当向激波层内注入液体时，进入液体内的气体就会急剧收缩与膨胀、使液滴爆碎，称为激波雾化。
49、b、金属熔体冷却速度满足激波雾化条件
50、1、冷却速度和时间
51、金属的熔点高，熔融金属的热传导方式以热辐射为主。即使在超音速气流环境下，热传导和对流所传递的热量占比也远小于热辐射。假设金属熔滴是球形，根据热力学，有如下方程：
52、
53、其中：rs-金属熔滴的半径；ρ-金属密度；c-金属比热容；δ-斯特潘-玻尔兹曼常数；t-金属熔滴温度；tg-金属熔滴周围环境温度。
54、令称之为冷却速度，有：
55、根据金属凝固理论，高的冷却速度可以消除偏析、缩小晶粒尺寸、提高金属材料性能，冷却速度公式给出了冷却速度与金属粒径的关系。实践中，可以把目标材料性能需要的冷却速度转化为所需要的金属粉末粒径。通过获得目标粒径实现目标材料性能，然后在金属粉末高热、高速状态下进行3d打印，获得高性能的金属材料。
56、根据公式(4)，金属熔滴从熔融温度ts到凝固温度tm所用时间(凝固潜热影响微小，忽略)：
57、
58、普通金属熔滴从熔融到凝固为纳米金属粉末所需要的时间远大于(激波层厚度为波长)，并且：
59、1)冷却速度越大，金属材料的过冷度越大；
60、2)金属材料越纯净，过冷度越大。
61、这些金属物性为激波雾化金属熔体提供了宽松的条件
62、2、雾化金属粉末的粒径
63、当(激波层厚度为波长)时，熔体凝固，激波雾化终止。此时，凝固金属粉末的半径为：
64、
65、工程上，习惯使用粒径、总温、大气压，此公式可以改写为：
66、
67、称为粒径公式。
68、其中：ds-粒径(金属粒子的直径)；r-阻流盘半径；r-气体比热容比；c-金属的比热容；ρ-金属的密度；δ-斯特潘-玻尔兹曼常数；rg-气体常数；-气体总压与背压之比；t0-总温；ts-熔融金属温度；tm-金属凝固温度；tg金属熔体所在的环境温度
69、c、结论：
70、1)激波雾化金属熔体方法可以生产纳米级金属粉末，凝固时的冷却速度能够达到106℃/s数量级以上。该金属粉末具有无偏析、晶粒小、甚至非晶体的特点，具备深加工为高性能金属材料的基础；
71、2)理论上，当tg＝tm＝熔点-过冷度时，粒径最小为0，但因为过冷度没有定值，粒径不会为0。b、技术方案
72、1、超声波的发生、对金属熔体的雾化是在激波雾化喷嘴中进行的。
73、a、激波雾化喷嘴工作原理。
74、参照图3，激波雾化喷嘴a是由拉瓦尔喷嘴1、液体流道2、阻流砧3、连接器构成4。进入拉瓦尔喷嘴的高压气体流过喷嘴喉部后，产生超音速气流；气流在阻流砧前产生马赫盘和激波层，激波层内存在超声波；液体从液体流道流入激波层，被激波层内的超声波雾化；被雾化、凝固的粉末，和气流一起，经连接阻流砧和拉瓦尔喷嘴的连接器内的流道喷出；连接器把拉瓦尔喷嘴和阻流砧连结为一体。
75、b、激波雾化喷嘴参数。
76、1)根据目标粉末粒径，利用粒径公式，乘以一定的比例系数，确定工作气体总压；
77、2)按照目标生产效率，根据激波理论设计拉瓦尔喷嘴的形状、尺寸，以及阻流砧的形状和尺寸。激波理论中有详实的拉瓦尔喷嘴计算、设计方法。
78、2、激波雾化金属熔体的整体解决方案
79、参照图4，激波雾化喷嘴2与熔体压力容器1的连接方式。
80、参照图5、图6，激波雾化金属熔体的生产过程是在全封闭系统中进行的。该系统包括：熔体压力容器1、激波雾化喷嘴2、金属收集装置3、冷却装置4、除尘器5、空压机6、储气罐7和工作气罐8。金属熔体储存在熔体压力容器内，向激波雾化喷嘴供应金属熔体；空压机把工作后气体，经除尘后，压缩、提纯、充入储气罐，再循环利用；储气罐用于储存被空压机提纯、压缩的工作气体；工作气罐向激波雾化喷嘴供应高压气体；压力容器、金属收集装置、冷却装置、空压机、除尘器、储气罐以及工作气罐都是普通工业产品，可以市场采购解决。
81、特别地，根据金属粉末收集方法不同，激波雾化金属熔体的整体解决方案可以分为两类：
82、1)参照图5，当最终产品是金属粉末时，金属收集装置设置于冷却装置和除尘器之间。当金属粉末冷却、气流速度足够低时，完成粉末收集。
83、2)参照图6，当需要把金属粉末加工成金属产品时，金属收集装置设置于激波雾化喷嘴和冷却装置之间，喷嘴喷出的金属粉末直接在金属收集装置上进行3d打印，完成金属产品的生产。这些金属收集装置根据目标产品要求确定，可以是轧辊用于金属带材生产、可以是桶内移动圆盘用于棒材生产、也可以是产品模具，等等。