紧耦合气流雾化喷嘴的设计与制造

紧耦合气流雾化喷嘴的设计与制造

1前言

先进的粉末制备技术是现代粉末冶金科学的基础,是相关新兴高技术产业的先导。高性能、低成本粉末的广泛应用不仅改变了粉末冶金工业的生产内容,而且促进了生产方式的变革。发展高性能粉末及其制备技术,已成为当今材料科学与工程研究中一个十分活跃的高科技前沿领域。气雾化制粉具有环境污染小、粉末球形度高、氧含量低以及冷却速率大等优点,经历近200 年的发展,目前已经成为生产高性能金属及合金粉末的主要方法。雾化方法制取的粉末已占到当今世界粉末总产量的近80 %。

气体雾化技术是生产金属及合金粉末的主要方法。雾化粉末具有球形度高、粉末粒度可控、氧含量低、生产成本低以及适应多种金属及合金粉末的生产等优点，已成为高性能及特种合金粉末制备技术的主要发展方向。气体雾化的基本原理是用一高速气流将液态金属流粉碎成小液滴并凝固成粉末的过程。其核心是控制气体对金属液流的作用过程，使气流的动能最大限度的转化为新生粉末表面能。雾化过程是个多因素、多参量变化的复杂过程, 其中喷嘴是雾化装置中使雾化介质(气体等) 获得高能量、高速度并将雾化介质的能量集中传递给熔融金属的部件, 它对雾化效率和雾化过程的稳定性起重要作用，同时喷嘴的结构和性能决定了雾化粉末的性能和效率。

气雾化方法制备粉末,即利用高速气流作用于熔融液流,使气体动能转化为熔体表面能,进而形成细小的液滴并凝固成粉末颗粒。其

历史起源于19世纪20 年代,那时人们利用空气雾化制取有色金属粉末。尽管气雾化技术比粉末冶金技术的起源滞后了近千年,但发展速度非常快,到19 世纪30 年代,就形成了至今仍普遍使用的两类喷嘴:自由落体和限制式喷嘴,如图所示。

自由落体喷嘴设计简单、不易堵嘴、控制过程也比较简单, 但雾化效率不高。限制式喷嘴结构紧凑,雾化效率显著提高,但设计复杂,工艺过程难于控制。因此,气雾化技术在随后一段时期里发展缓慢。随着二次世界大战的爆发,铁粉烧结零件需求量剧增,为此,人们开始寻求更理想的铁粉制备技术。Hanmitak 发明了一种称为DPG的气雾化制粉工艺,成功制取了铁粉,人们把这种铁粉叫做R1E 粉。Mannesman 利用锥形空气气流粉碎熔融铁水的方法同样制得了高性能的铁粉,这就是著名的曼内斯曼法,其基本原理一直沿用至今。雾化铁粉球形度高,表面光洁,适应于大批量生产。

两种方法制得铁粉形貌

伴随气雾化制粉技术的迅速发展,关于气雾化制粉工艺和机理的研究也不断深入。Thompson 研究了工艺参数对雾化铝粉粉末粒度的影响,发现粉末粒度随金属液流速提高、射流压力增加以及金属

过热度加大而减小。Watkingson 在曼内斯曼法基础上使用环形喷嘴,工艺过程更稳定,并发现使用空气雾化容易引起金属粉末氧化,降低了粉末纯度。不久,采用惰性气体雾化(氮气和氩气) 的实验研究得到发展。

20 世纪50～60 年代,气雾化工艺开始大规模用于生产金属及合金粉末。20 世纪70 年代初关于雾化工艺的优化以及雾化机理的研究取得了显著的进展,推动了气雾化制粉技术的快速发展。

2气雾化研究

2.1概论

气雾化的基本原理是用高速气流将液态金属流粉碎成小液滴并凝固

成粉末。图1 为气雾化过程示意图。

从气雾化过程示意图中可以看出,雾化设备、雾化气体和金属液流是气雾化过程3 个基本方面。在雾化设备中,输入的雾化气体加速,并与输入的金属液流相互作用形成流场,在该流场中,金属液流破碎并冷却凝固,从而获得具有一定特征的粉末。雾化设备参数有喷嘴结构、导液管结构、导液管位置等。

图2为喷嘴结构示意图。雾化气体及其过程参数有气体性质、进气压力、气流速度等,而金属液流及其过程参数有金属液流性质、过热度、液流直径等。气雾化通过调节各参数及各参数的配合达到调整粉末粒径、粒径分布及微观组织结构的目的。

目前关于气雾化的各种研究主要集中在2 个方面。一方面研究喷嘴结构参数和喷射气流的特性。其目的在于获得气流流场与喷嘴结构的关系,以使气流在喷嘴出口处达到最大速度而气体流量最小,为喷嘴的设计加工提供理论依据。另一方面研究雾化工艺参数与粉末性能的关系。其旨在特定的喷嘴基础上研究雾化工艺参数对粉末特性和雾化效率的影响,以优化和指导粉末的生产。提高微细粉末的生产率并降低气体消耗量引导着气雾化技术的发展方向。

2.2工艺参数对粉末特性的影响

Unal A. 采用限制式喷嘴,通过采用不同的雾化气体(N2 、Ar 、He) 改变雾化压力、过热度和金属流率等条件,研究不同工艺过程对AA2014 铝粉颗粒尺寸的影响。研究发现,氦气雾化得到的粉末最细,其中值粒径为14. 6～18. 5μm；氮气得到的粉末粒径居中;氩气雾化得到的粉末颗粒最粗,其中值粒径为21～37μm。高于825 ℃的雾化温

度仅使颗粒尺寸有轻微的减小,这是由于金属表面张力和粘度的减小所致。而在更低的雾化温度条件下,观察到了半凝固造成的影响。对于氮气, 1. 56MPa 的雾化压力是合适条件, 更高的压力(2. 12MPa) 条件会造成浪费,而在更低的压力(1. 05MPa) 条件下有薄片形成。在所有的情况下,粉末粒径分布都符合对数正态分布规律,粉末中值粒径的增大与金属流率的平方根成正比,粒径标准几何偏差随金属流量的增大而增大。在1. 56MPa 的进气压力条件下,气流在雾化喷嘴出口处的速度为2. 64Ma ,所制备的Al 、Zn 、Cu 粉末平均粒度分别为15μm、18μm 和18μm ,其冷却速度为103 ～104 K/ s 。研究指出粉末的平均粒度与金属流率大小成正比,在气体质量流率和金属质量流率一定时,雾化压力的增大对粉末粒度没有显著影响,减小导液管的外径有利于粉末的细化,而导液管突出长度和雾化压力必须匹配才能更有效地雾化。Ozbilen S. 研究了关于金属液流性质对粉末颗粒尺寸的影响。研究发现,在固定的气体流动条件下,控制气雾化粉末颗粒尺寸、液态金属体积流率是最重要的,表面张力是次要的,具有低的表面张力和粘度的高密度液体金属能得到更细的粉末。

3超声紧耦合雾化技术的原理

气体雾化制粉是二流雾化的一种，基本过程是利用高速气流将液态金属流粉碎成粉末的过程，如图1所示。因此，这一过程包含有气流与液流之间的能量交换和热量传递（其实质是气流的动能转换成粉末的表面能，金属液流的热量传递给气流），能量和热量交换是影响