[发明专利]一种制备微细金属粉末的气体雾化喷嘴

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用高压气流将液态金属及合金熔体破碎成小液滴并凝固成粉末的雾化喷嘴，尤其是制备粉末粒度微细并具有球形特征的雾化喷嘴。

背景技术

气体雾化技术是金属及合金粉末的一种生产方法，其制粉的原理是用一高速气流将从导液管流出液态金属流粉碎成小液滴并在随后的飞行中凝固成粉末的过程。气雾化粉末具有球形度高、粉末粒度可控等优点，已成为高性能及特种合金粉末制备的主要方向。

雾化喷嘴是气体雾化技术的核心，喷嘴控制气流对金属液流的作用过程，使气流的动能转化为新生粉末表面能，因此这一控制部件即喷嘴(nozzle)决定了雾化粉末的性能和雾化效率。随着粉末冶金注射成形技术的出现，以及粉末原材料在表面工程、电子、化工、激光快速原形、军事等工业中的应用，对金属粉末的要求向着粒径微细、球形化方向发展，因此提高微细粉末(一般指粒度小于45μm的粉末)的收得率和粉末的可控性，降低粉末制备成本，已成为雾化制粉技术和装备发展的趋势。

在常规的气体雾化工艺中，普遍采用自由落体式喷嘴结构。这种形式的喷嘴设计简单、不易堵嘴、控制过程也比较简单，但这种喷嘴雾化效率不高，仅适用于60～300μm粒度粉末的生产。为了提高雾化效率，后来发展了限制式喷嘴，这种喷嘴由于缩短了气流的自由飞行距离，使雾化效率得到很大的提高。现代具有工业实用意义的雾化技术是在这一基础上发展起来的。具有代表性的喷嘴主要有两类：一是美国MIT的Grant教授发明的超声雾化喷嘴(US Patent N.4778516)。超声雾化喷嘴由拉瓦尔喷嘴和Hartman振动管组合在一起，在产生2～2.5M的超音速气流的同时产生80～100KHz的脉冲频率，粉末的平均粒度可达到40～60μm。该雾化器的目的是为了生产具有快速冷凝效果的铝及合金，仅适用于铝等低熔点金属粉末的生产。美国Iowa州立大学的Ames实验室Anderson等人发明了高压气体雾化喷嘴(US Patent N.4619845)。将喷嘴的环缝出口改为20～24个单一喷孔，通过提高气压(最高可达成17MPa)和导液管出口处的形状设计，克服限制式喷嘴中存在的气流激波，这一改进可以显著提高雾化效率。粉末的平均粒度可达到30～50μm。该雾化器的雾化效率是在很高的压力下实现的，在工业上实现难度高，而且气体消耗量过大，不利于生产成本的控制。

中国专利CN 1282282A发明了矩形层流雾化喷嘴，金属液从一长约50mm，宽0.7mm的导管中流出，进入喷嘴后形成Laval形状，从而产生高的雾化效率。这一喷嘴是目前公开的具有最高雾化效率的喷嘴，粉末的平均粒度可以达到10～20μm。但该喷嘴在工艺上要求很高，一是要求金属液的过热度很高，对于高熔点金属不适合；二是雾化过程不稳定易于堵嘴，雾化过程难于进行。中国专利CN 1078928A发明了超声速环形射流雾化器，是在低压下雾化低熔点金属，不适合高熔点金属的雾化，而且粉末粒度也较粗。中国专利ZL200820056451.7发明一种组合喷嘴，主要特征是在主喷嘴的上方增加一辅助喷嘴，产生一向下的气流，目的是减少卫星粉末和空心粉末的比例。中国专利CN 1709585A发明了一高压雾化喷嘴，该喷嘴的气体通道采用了Laval形式，可以获得较高的气流速度，雾化效率明显增加。高熔点金属的平均粒度可以降低至30μm左右。但该喷嘴的Laval流道难于精确加工，影响气流速度的提高，而且气体流道的形成的喷射角最高仅为45°，雾化效率不能进一步的提高。

申请人申请的专利(专利号ZL200910304166.1)喷嘴有效地解决了上述专利的不足，制取微细粉末方面具有明显的优势。

除申请人的专利对导液管的作用进行规定外，其它上述专利中并未对导液管的尺寸作出规定。导液管是雾化喷嘴的一个不可缺少的组成部分，它负责将熔化的金属熔体导入喷嘴；同时导液管的尺寸也决定了喷嘴气流出口的尺寸，并直接影响气流的破碎效果。使用大直径的导液管(如外径大于14mm)可以有效解决高温熔体对喷嘴的损坏，但增加了气流至雾化焦点的距离，降低气流的雾化效率。因此，导液管的尺寸和形状对雾化效率作用十分明显。在工业应用中导液管由陶瓷材料制备，将直径降至10mm以下是不可行的，因此导液管的存在限制了雾化喷嘴尺寸的进一步缩小，不利于雾化效率的有效提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种气体雾化的效率高、微细粉末的收得率高、高速气流、尺寸更小的制备微细金属粉末的气体雾化喷嘴。