[实用新型]一种用于金属气体雾化的环缝型超音速喷嘴

说明书

技术领域

本实用新型涉及快速凝固气体雾化金属熔体制备微细粉末的喷嘴，特别是包括一种特殊气流型线的超音速环缝型气体雾化喷嘴。

背景技术

在制备金属粉末行业中，气体雾化技术成为生产高性能金属粉末的主要方法之一。由于其具有高的冷却速度（10⁴℃/s~10⁶℃/s）和过冷度，因此通过气雾化制备超细球形金属粉体具有很多引人注目的特性，例如，可以有效地减少合金成分的偏析，获得微观组织细小、成分均匀的合金粉末。此外，通过控制冷凝速率可以获得具有非晶、准晶、微晶或过饱和固溶体等非平衡组织的粉末。广泛应用于合成金刚石用金属粉末触媒、微电子焊接、金属基复合材料、磁性材料、注射成型等高技术领域。

气雾化的基本原理是用喷嘴产生的高速、高压气流将金属熔体粉碎成细小的熔滴，随后经过球化、冷却和凝固成为金属粉末的过程。雾化气流常采用互成角度的射流方式来雾化金属液流，雾化喷嘴典型的结构有自由降落式和紧耦合式两种。自由降落式喷嘴雾化制粉时，金属熔体自导流嘴流出，要经过一段距离才能与气体射流发生作用。而紧耦合式喷嘴是熔体从导流嘴流出很短距离即开始雾化。因此紧耦合式喷嘴的能量利用率高，并能产生相对稳定的液流，粉末的粒度较细。

为了预测雾化后形成粉体粒径，一些研究者在大量实验的基础上得到了一些经验公式，其中Lubanska公式（载于Journal of Metals，1970，45页）被认为是最准确和适用范围最广的。Lubanska公式如下，

式中，表示韦伯数，ρ_m表示液态金属的密度，σ_m表示表面张力，△v表示液态金属和气流之间的相对速度，d₀表示金属液流的直径；d_m表示粉体的平均粒径，k是由特定喷嘴决定的经验常数，v_m和v_g分别代表金属熔体和雾化气流的粘度，M和A分别表示金属和雾化气体的质量流量。由Lubanska公式可以看出在所雾化熔体的物理性能为定值的条件下，，因此，雾化气流的速度对所得粉末的粒径起到决定性作用，提高气体速度（高的韦伯数）可减小金属粉末的平均粒径d_m。

为了得到高速气流，雾化气流的型线必须是先收缩后扩张，否则即使上下游压强差再大也不可能在喷嘴出口处产生超音速气流。那些以为把气流管截面尽量缩小就可以得到超音速气流了，结果是失败的。美国的J. Ting等实用新型的超音速雾化喷嘴（US Patent N.6142382），利用收缩-扩张型（Laval）喷管得到了超音速气流，见图3。中国的陈新国利用同样的方法实用新型了一种高压气体雾化喷嘴（CN 2714160Y），见图4。但是这两种喷嘴的喷管大都采用了简单加工工艺的结构，气流喷管的收缩段和喉部大多为直线型型线，即收缩段为圆锥形。I.E.Anderson等指出此类型喷嘴的腔体内产生的气流很不稳定（Materials science and engineering A, 326 (2002)101-109）。由空气动力学分析可以知道，这种结构产生的气流到达喉部并非均匀一致，紊流度大，流场中存在激波，导致气体的能量损失。而根据超音速喷管的设计要求，到达喉部的音速流必须是均匀的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于根据现有技术中存在的问题对其进行改进，以便能得到一种气流均匀一致，紊流度小，流场中不存在激波的超音速气雾化喷嘴。满足快速凝固金属气雾化的技术要求，制备的金属粉末达到粒度小，粒径分布窄的目的。

为达到上述目的，本实用新型提出的技术方案为：