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CN116197400A - 一种提高高熔点高粘度合金粉末气雾化进程稳定性的方法 - Google Patents

一种提高高熔点高粘度合金粉末气雾化进程稳定性的方法 Download PDF

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CN116197400A CN202111446431.7A CN202111446431A CN116197400A CN 116197400 A CN116197400 A CN 116197400A CN 202111446431 A CN202111446431 A CN 202111446431A CN 116197400 A CN116197400 A CN 116197400A
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李冰
邓予婷
栾胜家
高明浩
常辉
朱宏博
徐娜
常新春
侯万良
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Abstract

本发明涉及气雾化制粉技术领域，具体提供一种提高高熔点高粘度合金粉末气雾化进程稳定性的方法。该方法通过导流管双层结构的设计、材质的合理选择、导流管形状的优化，降低雾化过程异常中断的几率；其中，导流管由扩张型导流管内芯、外层保护套组成双层结构，扩张型导流管内芯的中心孔为圆柱段和扩张段的上下一体组合结构，扩张段的下端口直径大于圆柱段直径，圆柱段和扩张段之间通过圆角过渡，圆柱段的上端口为金属液进口，扩张段的下端口为金属液出口，金属液出口与雾化喷嘴相连通。本发明一方面有效防止导流管内合金金属液凝固堵塞，另一方面防止导流管损坏，从而保证雾化进程顺利进行，提高雾化生产过程的稳定性和重复性。

Description

一种提高高熔点高粘度合金粉末气雾化进程稳定性的方法
技术领域
本发明涉及气雾化制粉技术领域，具体提供一种提高高熔点高粘度合金粉末气雾化进程稳定性的方法。
背景技术
随着3D打印、激光熔覆、粉末冶金、喷涂、注射形成等新技术的发展，对高性能合金粉末提出了更高的要求。与其它制粉技术相比较，气雾化技术制备的金属合金粉末具有冷却速度快、球形度高、粒径可控、杂质含量低等特点，广泛应用于航空航天、能源动力、机械冶金等领域，目前已成为生产高性能金属及合金粉末的主要方法。气雾化制粉是利用雾化喷嘴喷射高速气流，将熔融的金属液流击碎、雾化成细小液滴并冷却成粉末颗粒。雾化过程是将气体的动能转化成金属熔滴表面能的过程，因此熔体与雾化射流间的配合是气雾化技术的关键，直接决定了粉末的性能和生产效率。根据雾化喷嘴与导流管的配合方式，气雾化技术分为自由落体式和紧耦合式。自由落体式气雾化技术设计、制造简单，雾化过程稳定，但是射流与金属液作用的距离长，气体的射流衰减快，能量利用率低。紧耦合式气雾化技术，大大缩短了射流气体与金属液作用的距离，能量效率高，生产的粉末粒度均匀细小，然而雾化高熔点高粘度合金粉末时极易发生导流管堵塞或导流管碎裂问题，严重影响雾化过程的顺利进行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高高熔点高粘度合金粉末气雾化进程稳定性的方法，一方面有效防止导流管内合金金属液凝固堵塞，另一方面防止导流管损坏，从而保证雾化进程顺利进行，提高雾化生产过程的稳定性和重复性。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种提高高熔点高粘度合金粉末气雾化进程稳定性的方法，通过导流管双层结构的设计、材质的合理选择、导流管形状的优化，降低雾化过程异常中断的几率；其中，导流管由扩张型导流管内芯、外层保护套组成双层同轴结构，扩张型导流管内芯设置于圆筒型外层保护套内，扩张型导流管内芯与外层保护套同轴，扩张型导流管内芯与外层保护套之间形成环状气膜间隙，扩张型导流管内芯的中心孔为圆柱段和扩张段的上下一体组合结构，扩张段的下端口直径大于圆柱段直径，圆柱段和扩张段之间通过圆角过渡，圆柱段的上端口为金属液进口，扩张段的下端口为金属液出口。
所述的提高高熔点高粘度合金粉末气雾化进程稳定性的方法，扩张型导流管内芯和外层保护套之间存在0.3mm～0.8mm的气膜间隙。
所述的提高高熔点高粘度合金粉末气雾化进程稳定性的方法，扩张型导流管内芯采用BN-ZrO2-SiC复合陶瓷材料，外层保护套采用Mo、Nb或其合金。
所述的提高高熔点高粘度合金粉末气雾化进程稳定性的方法，圆柱段的孔径为3mm～5mm；扩张段的扩张角为50°～65°，扩张段的高度为3mm～8mm；圆柱段与扩张段之间采用圆角过渡，过渡圆角半径不小于0.5mm。
所述的提高高熔点高粘度合金粉末气雾化进程稳定性的方法，雾化喷嘴为环孔型或环缝型紧耦合式气雾化喷嘴。
与已有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：
紧耦合式气雾化技术的核心是使气体飞行最短距离在导流管出口处即与金属液流发生作用，即实现气流和金属液流在空间上的紧密耦合，从而提高雾化效率和细粉收得率，但是同时导流管附近的紊流度提高，熔融金属液滴易于溅射至导流管，从而导流管突然受热不均导致断裂。传统的双层结构导流管，内芯材质通常为Al2O3、ZrO2、BN或Si3N4，外层保护套材质通常为不锈钢、碳钢，然而无法满足高熔点高粘度熔体雾化的要求。本发明选用BN-ZrO2-SiC复合陶瓷内芯和Mo、Nb或其合金外层保护套，大幅度提高了材料的耐高温性能和抗热震性能，降低了导流管断裂几率。
另外，导流管的形状和孔径对粉末性能和雾化进程稳定性有重要影响。传统导流管多为圆柱形，为了提高雾化效率通常减小导流管孔径从而提高气/液流量比，然而孔径过小，则熔体易提前在出口处凝固堵塞导流管，尤其是在制备高熔点高粘度合金粉末时情况尤为严重。本发明设计的扩张型导流管内芯，一方面保持了原有的气/液流量比，另一方面紊流区变小、对金属液的抽吸力增加，从而即保证了雾化粉末的质量又提高了批量生产的稳定性和可靠性，节约成本提高经济效益。
附图说明
图1为本发明导流管结构示意图。
图中：1扩张型导流管内芯，2外层保护套，3气膜间隙，4圆柱段，5扩张段。
图2为实施例1中NiCrWMoCoNbAlTi合金粉末扫描电镜照片。
图3为实施例2中Ni22Cr10Al1Y合金粉末扫描电镜照片。
具体实施方式
参见图1所示，本发明导流管由扩张型导流管内芯1、外层保护套2组成双层同轴结构，扩张型导流管内芯1设置于圆筒型外层保护套2内，扩张型导流管内芯1与外层保护套2同轴，扩张型导流管内芯1与外层保护套2之间形成环状气膜间隙3，扩张型导流管内芯1的中心孔为圆柱段4和扩张段5的上下一体组合结构，扩张段5的下端口直径大于圆柱段4直径，圆柱段4和扩张段5之间通过圆角过渡，圆柱段4的上端口为金属液进口，扩张段5的下端口为金属液出口。
下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例1：
本实施例中，通过导流管双层结构的设计、材质的合理选择、导流管形状的优化，降低雾化过程异常中断的几率。
扩张型导流管内芯材质采用BN-ZrO2-SiC复合陶瓷材料。扩张型导流管内芯的中心孔上部为圆柱段，孔径为3.2mm；扩张型导流管内芯的中心孔下部为扩张段，扩张段位于扩张型导流管内芯的中心孔下部金属液出口处，扩张角为60°，扩张段高度为6mm，圆柱段与扩张段之间采用圆角过渡，过渡圆角半径0.5mm。
外层保护套材质采用钼铝合金，气膜间隙尺寸为0.5mm，气膜间隙具有良好的隔热作用。
上述导流管与环孔型紧耦合式气雾化喷嘴配合使用，以NiCrWMoCoNbAlTi为雾化对象进行粉末的雾化试验，雾化温度为1550℃，雾化压力为6MPa。
实施例1结果表明，雾化过程顺利，获得的粉末球形度好(如图2)，具有良好的流动性和松装密度(-100目～+400目粒度范围内粉末的流动性和松装密度分别为16.6s/50g和4.46g/cm3)。
实施例2：
本实施例中，通过导流管双层结构的设计、材质的合理选择、导流管形状的优化，降低雾化过程异常中断的几率。
扩张型导流管内芯材质采用BN-ZrO2-SiC复合陶瓷材料。扩张型导流管内芯的中心孔上部为圆柱段，孔径为3.5mm；扩张型导流管内芯的中心孔下部为扩张段，扩张段位于扩张型导流管内芯的中心孔下部金属液出口处，扩张角为55°，扩张段高度为7mm，圆柱段与扩张段之间采用圆角过渡，过渡圆角半径0.5mm。
外层保护套材质采用铌锆合金，气膜间隙尺寸为0.7mm，气膜间隙具有良好的隔热作用。
上述导流管与环缝型紧耦合式气雾化喷嘴配合使用，以Ni22Cr10Al1Y为雾化对象进行粉末的雾化试验，雾化温度为1580℃，雾化压力为4MPa。
实施例2结果表明，雾化过程顺利，获得的粉末球形度好(如图3)，具有良好的流动性和松装密度(10～38μm粒度范围内粉末的流动性和松装密度分别为21.5s/50g和3.86g/cm3)。

Claims (5)

1.一种提高高熔点高粘度合金粉末气雾化进程稳定性的方法，其特征在于，通过导流管双层结构的设计、材质的合理选择、导流管形状的优化，降低雾化过程异常中断的几率；其中，导流管由扩张型导流管内芯、外层保护套组成双层同轴结构，扩张型导流管内芯设置于圆筒型外层保护套内，扩张型导流管内芯与外层保护套同轴，扩张型导流管内芯与外层保护套之间形成环状气膜间隙，扩张型导流管内芯的中心孔为圆柱段和扩张段的上下一体组合结构，扩张段的下端口直径大于圆柱段直径，圆柱段和扩张段之间通过圆角过渡，圆柱段的上端口为金属液进口，扩张段的下端口为金属液出口。
2.按照权利要求1所述的提高高熔点高粘度合金粉末气雾化进程稳定性的方法，其特征在于，扩张型导流管内芯和外层保护套之间存在0.3mm～0.8mm的气膜间隙。
3.按照权利要求1所述的提高高熔点高粘度合金粉末气雾化进程稳定性的方法，其特征在于，扩张型导流管内芯采用BN-ZrO2-SiC复合陶瓷材料，外层保护套采用Mo、Nb或其合金。
4.按照权利要求1所述的提高高熔点高粘度合金粉末气雾化进程稳定性的方法，其特征在于，圆柱段的孔径为3mm～5mm；扩张段的扩张角为50°～65°，扩张段的高度为3mm～8mm；圆柱段与扩张段之间采用圆角过渡，过渡圆角半径不小于0.5mm。
5.按照权利要求1所述的提高高熔点高粘度合金粉末气雾化进程稳定性的方法，其特征在于，雾化喷嘴为环孔型或环缝型紧耦合式气雾化喷嘴。
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