一种用于增材制造的装置及使用该装置的气雾化制粉方法

技术领域

本发明涉及一种用于增材制造的装置，以及使用该装置的气雾化制粉方法，属于气雾化制备金属粉末技术领域。

背景技术

近几年，增材制造技术的成熟使金属粉末能够在多个行业飞速发展应用，即汽车、海洋和航空航天工业等行业。在增材制造领域使用的金属粉末需要具有高流动性、优化的粉末粒径和高球形度。气雾化制粉技术由于产量大、球形度高仍然是一个很好的选择。工业中应用最广泛的气雾化制粉技术是真空感应气体雾化技术。

然而在实际工业生产中，同时实现高细粉收得率与低气流量是有一定冲突的。根据气液比的相关研究发现，一般高气流量情况下制备的金属粉体粒径较小，雾化过程中高气流量不仅会增加金属溶液反喷，导致喷嘴烧损的风险，还会增加较高工业成本。此外，降低气流量并增加细粉收得率对促进增材制造技术的发展具有重要意义，也是当前增材制造技术改进所需解决的关键难题之一。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于增材制造的装置，该装置对现有的拉瓦尔喉管进行了改进。使用该装置进行气雾化制粉，一方面降低雾化气体消耗量，节省工业雾化制粉成本，有效防止雾化气流过大导致金属液流反喷造成喷盘烧损；另一方面有效提高制备粉末的细粉收得率，有利于气雾化制备的金属粉末应用于增材制造领域中的高端精密器件加工。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于增材制造的装置，包括紧耦合喷盘、导流管和拉瓦尔(Laval)喉管，其中，

所述紧耦合喷盘包括喷盘本体、第一延伸面和第二延伸面，所述喷盘本体水平设置且中心设有通孔，沿所述通孔周向设有第一延伸面，并向远离所述喷盘本体的方向延伸，所述第一延伸面为类锥形面；所述第二延伸面位于所述通孔内，且两端均向远离所述喷盘本体的方向延伸，所述第二延伸面为锥形面，且所述第一延伸面和第二延伸面不接触；

所述导流管一端位于所述喷盘本体的通孔内并与所述第二延伸面接触，另一端向远离所述喷盘本体的方向延伸；所述导流管远离所述喷盘本体的一端为金属液入口；

所述拉瓦尔喉管由第一延伸面和第二延伸面构成，所述第一延伸面和第二延伸面之间的部分构成高压雾化气体入口，高压雾化气体入口和导流管的金属液入口位于紧耦合喷盘的同侧；所述拉瓦尔喉管包括收敛段、发散段和圆弧过渡段，所述收敛段和发散段均为圆锥形，两者之间采用圆弧过渡段连接。

所述第二延伸面的延长线夹角为导流管末端收缩角，优选为25-45°；所述第一延伸面发散段的延长线夹角为喷嘴角度，优选为20-60°，更优选为45°。

优选地，所述紧耦合喷盘结构为环孔型或环缝型紧耦合式喷嘴。

优选地，所述导流管内径(直径)为3.0-5.5mm，导流管长度为12.0-22.0mm，导流管位于所述通孔内的部分为导流管突出段，长度为2.5-6.5mm。

优选地，所述拉瓦尔喉管收敛段和发散段采用高阶曲线法或者特征线法设计，拉瓦尔喉管内最窄区域的长度为喉管距离，为0.3-1.2mm，优选0.5-0.8mm。拉瓦尔喉管圆弧过渡段的圆角半径≥0.5mm。

优选地，所述导流管材质采用ZrO

使用所述装置的气雾化制粉方法包括以下步骤：

(1)将金属或合金熔化为液态，使高压雾化气体通入紧耦合喷盘；

(2)向导流管的金属液入口注入金属或合金熔体，所述熔体从导流管的另一端喷出，在高压雾化气体作用下发生雾化，形成金属或合金粉末。

优选地，步骤(1)中，所述高压雾化气体为氮气或氩气，雾化压力为3.0-5.0MPa。

优选地，步骤(2)中，所述雾化温度为1400-1800℃，雾化时间为50-200s，雾化过程气流量为550-1000m

与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：

在增材制造领域，为了得到高细粉收得率，气雾化制粉工艺普遍采用加大雾化气体压力的方式，导致气流量大幅度增加。高气流量不仅会增加金属溶液反喷导致喷嘴堵塞的风险，还会增加工业成本。

本发明对现有的增材制造装置进行了改进，将拉瓦尔喉管的锥形收缩段替换为圆弧过渡段连接的收敛段和发散段，能够降低高压雾化气体的进入阻力，提高雾化气体与金属液作用的雾化效率。一方面降低雾化气体消耗量，节省工业雾化制粉成本，有效防止雾化气流过大导致金属液流反喷造成喷盘烧损；另一方面有效提高制备粉末的细粉收得率。降低气流量并增加细粉收得率对促进增材制造技术的发展具有重要意义，也是当前增材制造技术改进所需解决的关键难题之一。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于增材制造装置的结构示意图；

图中：1-紧耦合喷盘；

11-喷盘本体；12-第一延伸面；13-第二延伸面；

α-导流管末端收缩角；β-喷嘴角度；

2-导流管；

21-金属液入口；

3-拉瓦尔喉管；

31-收敛段；32-发散段；33-圆弧过渡段；34-高压雾化气体入口；

h-导流管突出段长度；l-拉瓦尔喉管距离。

图2为图1虚线框部分的放大图；

图3为实施例1中铁基合金粉末扫描电镜照片。

图4为实施例2中铁基合金粉末扫描电镜照片。

图5为对比例1中铁基合金粉末扫描电镜照片。

图6为对比例2中铁基合金粉末扫描电镜照片。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。

一种用于增材制造的装置，如图1所示，包括紧耦合喷盘1、导流管2和拉瓦尔(Laval)喉管3，其中，

所述紧耦合喷盘1包括喷盘本体11、第一延伸面12和第二延伸面13，所述喷盘本体11水平设置且中心设有通孔，沿所述通孔周向设有第一延伸面12，并向远离所述喷盘本体11的方向延伸，所述第一延伸面12为类锥形面；所述第二延伸面13位于所述通孔内，且两端均向远离所述喷盘本体11的方向延伸，所述第二延伸面13为锥形面，且所述第一延伸面12和第二延伸面13不接触；

所述导流管2一端位于所述喷盘本体11的通孔内并与所述第二延伸面13接触，另一端向远离所述喷盘本体11的方向延伸；所述导流管2远离所述喷盘本体11的一端为金属液入口21；

所述拉瓦尔喉管3由第一延伸面12和第二延伸面13构成，所述第一延伸面12和第二延伸面13之间的部分构成高压雾化气体入口34。由图1可知，高压雾化气体入口34和导流管2的金属液入口21位于紧耦合喷盘1的同侧.图2为图1虚线框部分的放大图，可见所述拉瓦尔喉管3包括收敛段31、发散段32和圆弧过渡段33，所述收敛段31和发散段32均为圆锥形，两者之间采用圆弧过渡段33连接。这是考虑到喷盘机械加工的局限性，将拉瓦尔喉管3的收敛段31和发散段32均简化为圆锥形，并采用圆弧过渡段33以降低高压雾化气体的进入阻力。如前所述，第二延伸面13为锥形面，因此上述收敛段31、发散段32和圆弧过渡段33均为第一延伸面12结构。

所述第二延伸面13的延长线夹角为导流管末端收缩角，图1中为α角，优选为25-45°；所述第一延伸面12发散段32的延长线夹角为喷嘴角度，图1中为β角，优选为20-60°，更优选为45°。由于导流管末端收缩角和喷嘴角度与拉瓦尔喉管发散段出口角度密切相关联，本发明通过优化设计发散段32出口角度来调控导流管末端收缩角和喷嘴角度，进一步影响导流管2下方区域雾化回流区的位置和强度。

在本发明的一个实施例中，所述紧耦合喷盘1结构为环孔型或环缝型紧耦合式喷嘴，即所述第一延伸面12与所述喷盘本体11的结合方式为环孔型或环缝型紧耦合式。

在本发明的一个实施例中，所述导流管2的内径(直径)为3.0-5.5mm，导流管2的长度为12.0-22.0mm，导流管突出段长度为2.5-6.5mm，图1中以h标出。本发明将导流管2位于所述通孔内的部分命名为导流管突出段，导流管突出段长度表示导流管2伸入通孔内的长度。

在本发明的一个实施例中，所述拉瓦尔喉管3的收敛段31和发散段32采用高阶曲线法或者特征线法设计，拉瓦尔喉管距离为0.3-1.2mm，优选0.5-0.8mm。喉管距离表示喉管内最窄区域的长度，即第一延伸面12与第二延伸面13之间的最短距离，图1中以l标出。拉瓦尔喉管3圆弧过渡段33的圆角半径≥0.5mm。

在本发明的一个实施例中，所述导流管2的材质采用ZrO

以下实施例和对比例中，通过优化拉瓦尔喉管距离，改进喷嘴雾化角度，达到降低气流量消耗并提高细粉收得率的目的。

采用的气雾化制粉设备中，气雾化罐体高度为4.5m，气雾化罐体内直径为2.5m。气雾化设备真空度为5×10

气雾化试验采用铁基合金为原材料进行气雾化制粉。工作过程如下：

将铁基合金放入感应炉中加热，当铁基合金熔化为液态时，打开气阀使高压雾化气体通入紧耦合喷盘。此时将铁基合金熔体倒入中间包内，铁基合金熔体通过中间包进入导流管并从另一端喷出，在高压雾化气体作用下形成合金粉末，最后由集粉罐进行收集。

上述过程中，感应炉熔炼合金原料重量为10kg，雾化浇钢温度为1650℃，雾化压力为4.0MPa。气雾化时间、雾化气流量和细粉收得率见表1。

表1

实施例1制备的铁基合金粉末如图3所示，其粉末为球形，颗粒尺寸较小，表面几乎没有卫星粉。且气雾化过程连续，粉末细粉收得率高，具有良好的流动性。雾化过程气流量为584m

实施例2制备的铁基合金粉末如图4所示，其粉末颗粒与实施例1相比变大。粉末为球形，表面几乎没有卫星粉。且气雾化过程连续，粉末细粉收得率变低，具有良好的流动性。雾化过程气流量为597m

对比例1制备的铁基合金粉末如图5所示，其粉末为球形，颗粒尺寸较小，表面的卫星粉多于实施例1。气雾化过程连续，粉末细粉收得率高，具有良好的流动性。雾化过程气流量为791m

对比例2制备的铁基合金粉末如图6所示，其粉末为球形，颗粒尺寸较大，表面的卫星粉多于实施例2。气雾化过程连续，粉末细粉收得率低，具有良好的流动性。雾化过程气流量为782m

上述实施例和对比例说明，当拉瓦尔喉管距离一定时，变化喷嘴角度会改变粉末的粒径。当喷嘴角度一定时，改变拉瓦尔喉管距离会影响雾化过程气流量。因此采用本发明的装置可以降低雾化气体消耗量，同时提高制备粉末的细粉收得率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求确定的保护范围为准。