CN117300128A - 一种可径向甩出金属熔滴的离心盘 - Google Patents

Abstract

一种可径向甩出金属熔滴的离心盘，在离心盘的盘面上沿周向均布设有多条甩液槽，甩液槽的中心线是以盘面圆心为中心的一段对数螺旋线；在盘面的中心设有熔液池，工作时，离心盘的旋转方向与对数螺旋线向外延伸的方向相反，熔液池内的金属熔液进入各甩液槽内，并在各甩液槽的末端沿离心盘的径向甩出。由于是正向撞击，熔滴在撞击沉积层后直接与沉积层熔合，不会发生反射，因此从源头上解决了反射熔滴再次撞击沉积层的问题。相比斜向撞击，这种径向上的正面撞击，不但有利于提高熔滴与沉积层熔合的致密度，并形成细小的晶粒组织，而且熔滴几乎能完全地熔合在沉积层上，大幅提高了金属材料的有效沉积率。

Description

一种可径向甩出金属熔滴的离心盘

技术领域

本发明涉及离心喷射成形技术领域，尤其是涉及一种可径向甩出金属熔滴的离心盘。

背景技术

喷射沉积的原理是在惰性气体的保护下，将熔融金属破碎成细小的金属熔滴，然后在高压气体或离心力的作用下连续喷射到金属基底上，沉积成半凝固的沉积层，依靠金属基底的热传导使沉积层凝固成预制坯料，预制坯料经热挤压或热锻后形成高致密度的金属环体。喷射沉积工艺的优势在于，可以制备成分偏析程度小、组织细小均匀、尺寸较大的环形零件。

授权公告号为CN109877299B的发明专利公开了一种甩铸装置和甩铸离心盘，该专利中的甩铸装置应用喷射沉积原理实现了金属空心锭的制备。但是在应用中发现，制备的金属空心锭还不够理想，其主要表现为晶粒组织还不够细小，致密度也不够高。

经分析发现，造成晶粒组织不够细小、致密度不高的一个原因是，从离心盘甩出的熔滴，其甩出速度不够高，撞击动能也不够大，不能通过撞击形成更小的枝晶。现有的离心盘，即使将转速提高至每分钟1万转以上，熔滴的甩出速度也并没有显著提高。如图1所示，其原因是，从熔液池11内甩出的熔滴4，其速度较小，而且熔滴4会在离心盘1的盘面上弹跳滚动，致使熔滴4的甩出速度不够高、动能不够大。为此，在离心盘1的盘面上开设有径向槽16，参照图2-3。熔滴4进入径向槽16后沿径向槽16向外运动，并在径向槽16的末端向外甩出。显然，设置径向槽16可以防止熔滴4在离心盘1上弹跳滚动，使熔滴4在脱离离心盘1前达到与离心盘1相同的角速度，有利于提高熔滴4的甩出速度和动能。

造成晶粒组织不够细小、致密度不高的另一个原因是，从离心盘1甩出的熔滴4并不是沿径向撞击沉积层3的，而是沿斜向撞击沉积层3的。由图3可以看出，熔滴4从径向槽16中甩出后斜向撞击沉积层3，沉积层3沉积在金属基底2上。根据喷射成形工艺的要求，熔滴4在甩出过程中需要快速冷却，在撞击沉积层3前，要达到呈半凝固状态。这样，呈半凝固状态的熔滴4在撞击沉积层3时会发生反射，只有一部分熔滴4熔合在沉积层3上，另一部分熔滴4反射而出。如果反射而出的熔滴4不再撞击沉积层3，那么也只是造成材料上的损失，但是大部分的熔滴4经过离心盘1的反射后，还会再次撞击沉积层3。由于多次撞击后的熔滴已丧失了部分动能并逐渐凝固，再次撞击沉积层后，一方面是熔滴与沉积层的熔合性差、组织疏松，影响致密度；另一方面是不能形成更小的枝晶。综上，解决问题的关键是，最好能够使熔滴沿离心盘的径向正面撞击沉积层，从源头上消除熔滴发生反射的可能。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种可径向甩出金属熔滴的离心盘，其目的在于：使熔滴能够沿离心盘的径向正面撞击沉积层，从源头上消除熔滴发生反射的可能。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种可径向甩出金属熔滴的离心盘，在离心盘的盘面上沿周向均布设有多条甩液槽，甩液槽的中心线是以盘面圆心为中心的一段对数螺旋线；在盘面的中心设有熔液池，工作时，离心盘的旋转方向与对数螺旋线向外延伸的方向相反，熔液池内的金属熔液进入各甩液槽内，并在各甩液槽的末端沿离心盘的径向甩出。

实施上述技术方案后，可产生以下有益效果：

1、中心线为对数螺旋线的甩液槽，可使熔滴以径向方向从离心盘上甩出，并撞击沉积层。由于是径向上的正面撞击，熔滴在撞击沉积层后直接与沉积层熔合，有可能发生少量的溅射，但不会发生反射，这样就从源头上解决了反射熔滴再次撞击沉积层的问题。

2、这种径向上的正面撞击，不但有利于提高熔滴与沉积层熔合的致密度，并形成细小的晶粒组织，而且熔滴几乎能完全地熔合在沉积层上，大幅提高了金属材料的有效沉积率。

3、工作时，熔滴在甩液槽内作对数螺旋线运动，而对数螺旋线与转速无关，也就是说，无论离心盘的转速是大还是小，熔滴总是沿离心盘的径向甩出。

进一步地改进技术方案，所述对数螺旋线的表达式为：

r＝R*e^θ；

式中，r为极径，R为熔液池的半径，θ为极角，θ＞π。

实施上述技术方案后，其产生的有益效果是：极角θ＞π，可增大对数螺旋线的刚度，而且熔滴的离心加速度会随极角θ呈指数函数增加。

进一步地改进技术方案，在熔液池与甩液槽之间设置有出液孔，工作时，熔液池内的金属熔液通过出液孔进入各甩液槽内。

实施上述技术方案后，其产生的有益效果是：设置的出液孔相当于一个限流孔，可防止过多的金属熔液进入甩液槽内形成直径过大的熔滴。

进一步地改进技术方案，在离心盘的边缘部位设有向下倾斜的圆锥面，工作时熔滴撞击沉积层后发生反射，反射的熔滴在撞击圆锥面后，被圆锥面向下反射而出。

实施上述技术方案后，其产生的有益效果是：撞击运动很复杂，可能有少量熔滴在撞击沉积层后发生反射，然后再通过离心盘的反射再次撞击沉积层。设置圆锥面后，可将熔滴向下反射，不再撞击沉积层。

进一步地改进技术方案，在离心盘的边缘部位包裹有热熔材料，工作时熔滴撞击沉积层后发生反射，反射的熔滴在撞击热熔材料后，被热熔材料吸收。

实施上述技术方案后，其产生的有益效果是：金属熔滴是高热的液滴，熔滴在撞击热熔材料时，可将热熔材料瞬间软化，此时熔滴将镶嵌或穿入热熔材料内，失去反射的可能。这样就从根本上解决了反射熔滴再次撞击沉积层的问题。

进一步地改进技术方案，所述热熔材料为沥青、塑料、热熔胶中的任一者。

实施上述技术方案后，其产生的有益效果是：沥青、塑料、热熔胶等都是常见的热熔材料，可以包裹在离心盘的边缘部位。

附图说明

图1示出的是现有离心盘的结构示意图。

图2示出的是现有带径向槽的离心盘的结构示意图。

图3示出的是图2的俯视图。

图4示出的是本离心盘的立体结构示意图。

图5示出的是小球在径向槽内的运动分析图。

图6示出的是T1时刻小球在对数螺旋槽内的运动轨迹图。

图7示出的是T21时刻小球在对数螺旋槽内的运动轨迹图。

图8示出的是小球在对数螺旋槽内的运动分析图。

图9-11示出的是本离心盘的改进方案示意图。

图中：

1、离心盘；

11、熔液池；12、甩液槽；13、出液孔；14、圆锥面；15、热熔材料；16、径向槽；

2、金属基底；

3、沉积层；

4、熔滴；

5、小球。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图4所示，一种可径向甩出金属熔滴的离心盘，在离心盘1的盘面上沿周向均布设有十条甩液槽12，甩液槽12的中心线是以盘面圆心为中心的一段对数螺旋线。在盘面的中心设有熔液池11，熔液池11与十条甩液槽12相连。

如果要研究熔滴4在甩液槽12内的运动，就必须先研究一下小球5在径向槽16内的运动轨迹。

参照图5。离心盘1逆时针转动时，小球5在径向槽16内受两个力，一个是径向槽16对小球5的推力Ft，另一个是离心力Fr。推力Ft与离心力Fr的合力为F，合力F的方向是倾斜的，其与径向线的夹角为α。

同样的，小球5产生两个速度，一个是周向上的速度Vt，Vt的方向与推力Ft相同，Vt的大小与离心盘1的转速和小球5所在的位置有关；另一个是径向上的速度Vr，Vr的方向与离心力Fr相同，Vr的大小与离心力Fr有关。Vt与Vt合成速度为V，合成速度V的方向也是倾斜的，其与径向线的夹角也为α。这表明，小球5将以倾斜的方向从径向槽16内甩出。

如果站在离心盘1上观察，小球5只是在径向槽16内作加速度随半径不断增大的变加速直线运动。如果站在离心盘1之外观察，小球5不但在径向槽16内作变加速直线运动，还在周向上作转速随半径增加的圆周运动。这样，小球5在离心盘1上的运动轨迹是一段以盘面圆心为中心的对数螺旋线。

根据对数螺旋线的性质，其上任一点的切线与径向线的夹角相等，因此合力F与径向线的夹角α是不会改变的，合成速度V与径向线的夹角α也是不会改变的。对于对数螺旋线公式r＝R*e^θ，当θ＞π时，Vr≈Vt，Ft≈Fr。此时，α约为45°。此外，极角θ＞π，可增大对数螺旋线的刚度，而且小球5的离心加速度会随极角θ呈指数函数增加。

那么，换一个思路，可以将参考目标转换一下。如果在离心盘1上开设一条中心线为对数螺旋线的甩液槽12，在甩液槽12的内端放入一粒初速度为零的小球5，然后使离心盘1顺时针旋转，那么站在离心盘1之外观察，小球5在甩液槽12内的运动轨迹将是一段对数螺旋线。

参照图6。T1时刻，站在离心盘1之外观察，可观察到小球5位于对数螺旋槽内的P1点，此时小球5也位于虚拟的径向槽16内。

参照图7。T2时刻，站在离心盘1之外观察，可观察到小球5运动到对数螺旋槽内的P2点，此时小球5还位于虚拟的径向槽16内。

因此，站在离心盘1之外观察，小球5相当于在一条不会转动的径向槽16内，作加速度随半径不断增大的变加速直线运动，径向槽16的角度与小球5的起始位置有关。这表明，小球5会沿离心盘1的径向甩出。

参照图8。由于离心盘1的转向发生了翻转，Vt和推力Ft的方向也发生了翻转，此时Vt与V的合成速度为Vr，Ft与F的合力为Fr。相比小球5在径向槽16内的运动，小球5的甩出速度会有所降低。

对于本发明来说，熔滴4就相当于小球5，站在离心盘1之外观察，熔滴4在甩液槽12的运动轨迹是一条直线，且该直线是离心盘1的径向线。熔滴4能够沿离心盘1的径向甩出，正向撞击沉积层3。由于是正向撞击，熔滴4在撞击沉积层3后直接与沉积层3熔合，有可能发生少量的溅射，但不会发生反射，这样就从源头上解决了反射熔滴4再次撞击沉积层3的问题。相比斜向撞击，这种径向上的正面撞击，不但有利于提高熔滴4与沉积层3熔合的致密度，并形成细小的晶粒组织，而且熔滴4几乎能完全地熔合在沉积层3上，大幅提高了金属材料的有效沉积率。

此外，熔滴4在甩液槽12内的运动与转速无关。也就是说，无论离心盘1的转速是大还是小，熔滴4总是能沿离心盘1的径向甩出。

参照图9。在其中的一个改进技术方案中，熔液池11为筒体，在筒壁上设有多个出液孔13，工作时，熔液池11内的金属熔液通过出液孔13进入各甩液槽12内。设置的出液孔13相当于一个限流孔，可防止过多的金属熔液进入甩液槽12内形成直径过大的熔滴4。

参照图10。在另一个改进技术方案中，在离心盘1的边缘部位设有向下倾斜的圆锥面14，工作时熔滴4撞击沉积层3后发生反射，反射的熔滴4在撞击圆锥面14后，被圆锥面14向下反射而出。

撞击过程很复杂，可能有少量熔滴4在撞击沉积层3后发生反射，然后再通过离心盘1的反射再次撞击沉积层3。设置圆锥面14后，可将熔滴4向下反射落入箱底，不再撞击沉积层3。落入箱底的熔滴4在冷却后还可重新利用。

参照图11，还可以在离心盘1的边缘部位包裹热熔材料15，工作时熔滴4撞击沉积层3后发生反射，反射的熔滴4在撞击热熔材料15后，被热熔材料15吸收。热熔材料15可以是沥青、塑料、热熔胶中的任一者。沥青、塑料、热熔胶等都是常见的热熔材料15，可缠绕在离心盘1的边缘部位。

金属熔滴4是高热的液滴，熔滴4在撞击热熔材料15时，可将热熔材料15瞬间软化，此时熔滴4将镶嵌或穿入热熔材料15内，失去反射的可能。这样就从根本上解决了反射熔滴4再次撞击沉积层3的问题。

热熔材料需要定期更换，更换下来的热熔材料内含有凝固的金属材料。为了回收金属材料，可采用热融的方法将热熔材料去除，过滤出金属材料。

未详述部分为现有技术。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种可径向甩出金属熔滴的离心盘，其特征是：在离心盘的盘面上沿周向均布设有多条甩液槽，甩液槽的中心线是以盘面圆心为中心的一段对数螺旋线；在盘面的中心设有熔液池，工作时，离心盘的旋转方向与对数螺旋线向外延伸的方向相反，熔液池内的金属熔液进入各甩液槽内，并在各甩液槽的末端沿离心盘的径向甩出。

2.如权利要求1所述的一种可径向甩出金属熔滴的离心盘，其特征是：所述对数螺旋线的表达式为：r＝R*e^θ；

式中，r为极径，R为熔液池的半径，θ为极角，θ＞π。

3.如权利要求1所述的一种可径向甩出金属熔滴的离心盘，其特征是：在熔液池与甩液槽之间设置有出液孔，工作时，熔液池内的金属熔液通过出液孔进入各甩液槽内。

4.如权利要求1所述的一种可径向甩出金属熔滴的离心盘，其特征是：在离心盘的边缘部位设有向下倾斜的圆锥面，工作时熔滴撞击沉积层后发生反射，反射的熔滴在撞击圆锥面后，被圆锥面向下反射而出。

5.如权利要求1所述的一种可径向甩出金属熔滴的离心盘，其特征是：在离心盘的边缘部位包裹有热熔材料，工作时熔滴撞击沉积层后发生反射，反射的熔滴在撞击热熔材料后，被热熔材料吸收。

6.如权利要求5所述的一种可径向甩出金属熔滴的离心盘，其特征是：所述热熔材料为沥青、塑料、热熔胶中的任一者。