一种针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质及制备方法

技术领域

本发明属于精密加工技术领域，具体涉及一种针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质及制备方法。

背景技术

微细喷嘴是一种具有逐级变径的微细内腔结构的零部件，其在水刀切割、水射流抛光技术、电液伺服阀、发动机喷油嘴以及能源化工反应液喷嘴等产品中应用广泛。在水刀切割中，从微细喷嘴中喷射出的高速水柱可将各种材料如金属、石材等精确切割成需要的形状和尺寸。在水射流抛光中，磨料从微细喷嘴中高速喷出，形成高速射流柱，喷射到工件表面，借助于磨料粒子与工件表面高速碰撞，从而产生冲蚀、剪切，达到材料去除和抛光的目的。在电液伺服阀工作过程中，微细喷嘴的射流性能对液压组件的精确控制有显著的影响。在发动机喷油嘴应用过程中，微细喷嘴的射流性能直接决定了缸内混合气的形成质量，是实现发动机高效清洁燃烧的关键。在作为能源化工领域的反应液喷嘴时，其射流性能对化学反应收率、反应质量及能耗有显著影响。综上所述，提高微细喷嘴的射流性能对流体动力零部件具有重要意义。

微细喷嘴射流性能的优劣主要取决于，当给喷嘴施加一定的液压力时，流体在喷嘴中能否保持流动稳定性，常以从喷嘴出口喷射出的流体约束圆柱长度或“静态玻璃柱”长度进行表征。喷嘴能承受的液压力越高，同时射出的流体约束圆柱长度，即“静态玻璃柱”长度越长，则微细喷嘴的射流性能越优。在实际运用中，微细喷嘴的射流性能越优，在水刀切割中切割出来的工件尺寸和形状精度越优；在水射流抛光中，抛光效果越好且抛光程度越能被精准控制；在电液伺服阀中，电液伺服阀的挡板或传感器受到的压力信号就会越稳定和精确；在发动机喷油燃烧过程中，燃油的燃烧效率越高并且燃烧越稳定；在作为能源化工领域反应液喷嘴时，更能精准稳定控制化学反应质量。

目前微细喷嘴的制造方法主要有精密钻削加工、电火花加工、激光加工、增材制造等。这些制造方法在制备微细喷嘴时都不可避免地会带来内腔毛刺、台阶、粘结粉末、烧结颗粒及重熔层等，因此需要采用一定的表面抛光技术消除这些不利影响后才能满足喷嘴射流性能要求。微细喷嘴的传统抛光手段主要包括化学抛光、电化学抛光、磨粒流抛光、水射流抛光和手工打磨等。这些抛光技术虽然对微细喷嘴内表面粗糙度有较好的改善作用，但难以使得微细喷嘴内表面的粗糙度降低到Ra＝0.1μm。相比于传统的抛光技术，专利文献CN108959714B和专利文献CN114734365A提出了一种高速水基磨粒两相流抛光技术能够起到良好的作用，实现了微细喷嘴的内流道的有效抛光，能够使得微细喷嘴内表面的粗糙度降低到Ra＝0.1μm。

无论是传统的表面抛光技术还是磨粒流和高速水基两相流流体抛光技术，其主要聚焦于微细喷嘴的内表面的粗糙度改善，通过抛光降低表面粗糙度提高微细喷嘴的射流性能。但是粗糙度反映的是表面凹凸高度与平均线之间的平均偏差，它无法代表表面的微尺度形貌是否合理和优良，基于流体力学边界层原理，流体沿壁面运动时壁面微尺度构型显著影响流体层流到湍流的流动稳定性，即使通过高速水基两相流或磨粒流抛光微细喷嘴内腔表面粗糙度Ra达到0.1μm，但其微尺度形貌如果较差，也会严重影响微细喷嘴的射流性能，使之达不到苛刻环境和更高高压驱动下的射流性能要求，因此如何改善微细喷嘴内腔的微尺度形貌是亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质及制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质，所述磨粒介质包括立方氮化硼磨粒，用于微细喷嘴的水基两相流或磨粒流抛光，以改善所述微细喷嘴的内腔表面的微尺度形貌。

在本发明的一个实施例中，所述微细喷嘴的内腔表面的微尺度形貌包括凸点形状、凸点间距、凸点高度，以及表面粗糙度。

在本发明的一个实施例中，所述立方氮化硼磨粒的粒径为30μm～35μm，粒径均一性为90％～98％。

在本发明的一个实施例中，所述立方氮化硼磨粒的形状为棱角形多面体，单个磨粒棱角形多面体的刃角数为12～28。

在本发明的一个实施例中，所述棱角形多面体的刃角为尖状锐角，刃角角度为15°～75°。

本发明提供了一种针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质的制备方法，用于制备如上述任一项实施例所述的针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质，所述制备方法包括：

将层状结构的六方氮化硼和催化剂在1000～1200℃和3～5Gpa的条件下反应，制备得到所需具有特定尖状锐角的棱角形立方氮化硼磨粒，再通过超声波逐级振动筛选，得到所需粒径的立方氮化硼磨粒，粒径的均一性为90％～98％。

在本发明的一个实施例中，所述催化剂包括Mg

在本发明的一个实施例中，所述催化剂的摩尔比为，Mg

在本发明的一个实施例中，所述层状结构的六方氮化硼与所述催化剂的摩尔比为，hBN：Mg

本发明提供了一种针对微细喷嘴流体抛光的抛光介质，包括：如上述任一项实施例所述的针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质和液体相，所述液体相包括水基、油基和胶体，所述流体抛光介质的黏度为50cP～5×10

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明的针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质，针对微细喷嘴的内腔表面的微尺度形貌对微细喷嘴的射流性能的影响，提出了一种特殊构型和粒径的立方氮化硼磨粒用于微细喷嘴的高速水基两相流或磨粒流抛光，改善了微细喷嘴的内腔表面的微尺度形貌的问题，从而改善了微细喷嘴的射流性能。

2.本发明的针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质的制备方法，通过层状结构的六方氮化硼和多种催化剂组合制备得到立方氮化硼磨粒，该立方氮化硼磨粒具有尖状锐角分布的棱角形结构、粒径均一性高，适用于微细喷嘴的高速水基两相流或磨粒流抛光以改善微细喷嘴的内腔表面的微尺度形貌的问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种微细喷嘴结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质的低倍SEM图；

图3是本发明实施例提供的一种针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质的高倍SEM图；

图4是本发明实施例提供的棱角形立方氮化硼磨粒抛光微细喷嘴后的微尺度形貌图；

图5是图4的局部放大图；

图6是本发明实施例提供的棱角形立方氮化硼磨粒抛光微细喷嘴后的射流约束圆柱实物图；

图7是本发明实施例提供的球形立方氮化硼磨粒抛光微细喷嘴后的微尺度形貌图；

图8是图7的局部放大图；

图9是本发明实施例提供的球形立方氮化硼磨粒抛光微细喷嘴后的射流约束圆柱实物图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质及制备方法进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

首先对微细喷嘴进行介绍，微细喷嘴一般选用中碳钢、高碳钢、低碳钢以及不锈钢等材料制备而成。微细喷嘴的内部型面为旋成曲面，其母线的结构如图1所示的本发明实施例提供的一种微细喷嘴结构示意图。喷嘴的结构参数主要有：入口直径D和出口直径d，接入段l

第一方面，本发明实施例提供了一种针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质，该磨粒介质为立方氮化硼磨粒，用于微细喷嘴的水基两相流或磨粒流抛光，以改善微细喷嘴的内腔表面的微尺度形貌。

其中，微尺度形貌包括凸点形状、凸点间距、凸点高度以及表面粗糙度，微细喷嘴内腔表面的微尺度形貌对其射流性能有很大的影响。凸点高度越低且均匀、凸点间距越小且均匀、凸点宽度越一致，则表明微细喷嘴内腔表面的微尺度形貌越好，对应的射流性能也就越好。

其原因是流体在微细喷嘴内流动过程中，与光滑流道相比，表面凸点的高度越高且均匀性越差、凸点间距越大且均匀性越差以及凸点宽度一致性越差，越容易导致流体分子运动时角度遇到“突变障碍物”引发流体失稳产生紊流和湍流，流体在微细喷嘴流动过程中流体分子运动方向紊乱流动稳定性下降，流速、压降以及流阻增大，直接使得微细喷嘴射出流体的射流性能变差，出现发散、发旋。

在本发明实施例中，依据工程试验表明微细喷嘴内腔表面凸点高度和均匀性与微细喷嘴流体抛光的磨粒介质硬度成负相关关系，即磨粒介质硬度越大，抛光后凸点高度越低。请参见表1，显示了对20钢、45钢、40Cr和301不锈钢制备而成的微细喷嘴，采用立方氮化硼磨粒与其他材料磨粒对微细喷嘴内腔表面进行抛光后对应的凸点高度的对比结果，凸点高度用Rz(表面凸点峰值高度统计平均值)表征，从表中可以看出，硬度最高的立方氮化硼磨粒抛光后微细喷嘴的内腔表面的表面粗糙度最低射流性能最好。

表1不同材料磨粒抛光不同材料的微细喷嘴所对应的Rz

在一个可选的实施例中，立方氮化硼磨粒的粒径优选为30μm～35μm，粒径均一性为90％～98％。

对于微细喷嘴而言，高速水基两相流抛光或磨粒流抛光的磨粒介质，随着其粒径的变大，微细喷嘴内表面凸点间距变小，但粒径过大时，其在抛光加工过程中，抛光介质在微细内腔中通过性下降，流速和磨削效率降低，甚至会出现抛光介质因粒径过大堵塞憋裂微细喷嘴。因此，高速水基两相流抛光或磨粒流抛光的磨粒介质的粒径需要保持在一个适中的尺寸范围。对于出口口径为0.2mm～0.5mm的微细喷嘴，采用不同粒径的立方氮化硼磨粒对其内腔表面进行抛光，参见表2，显示了不同粒径的立方氮化硼磨粒对微细喷嘴内腔表面进行抛光后对应的Rz以及凸点间的平均距离，从表中可以看出，高速水基两相流抛光或磨粒流抛光的磨粒介质粒径在30μm～35μm时，微细喷嘴内腔表面的凸点间距l最小，l可达0.03μm～0.07μm，同时保证了高速水基两相流抛光介质或磨粒流抛光介质在微细喷嘴中的高速通过性和高效的抛光效果，凸点高度Rz低于0.1μm。

表2不同粒径的磨粒抛光后对应的Rz以及凸点间平均距离

在一个可选的实施例中，立方氮化硼磨粒的形状为棱角形多面体，单个磨粒棱角形多面体的刃角数为12～28，棱角形多面体的刃角为尖状锐角，刃角角度为15°～75°。

因为微细喷嘴内腔表面的凸点宽度一致性与磨粒的形状直接相关，选取棱角形立方氮化硼磨粒对其进行抛光后的表面凸点宽度一致性更高，而当棱角形磨粒的刃角为尖状锐角时(15°～75°)，相比于圆滑钝角(>90°)甚至近似球形磨粒，抛光后的表面凸点宽度一致性更高，其原因在于刃角数量越多，刃角越锋利，在表面抛光后划出的微尺度划痕越致密均匀，流体分子运动时运动方向有规律的波动，而非突变。从而提高微细喷嘴的射流性能。

进一步地，通过对比实验对本实施例的针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质的效果进行说明。分别采用本实施例的针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质，即棱角形立方氮化硼磨粒以及球形立方氮化硼磨粒作为流体抛光的磨粒介质，利用上述两种磨粒介质对微细喷嘴进行抛光处理。

具体抛光的加工过程为：首先，在高速水基两相流或磨粒流装置工装系统装入微细喷嘴，将抛光介质加入到设备料缸中，设置驱动压差为6MPa，平均流速为29.50m/s，启动设备电源，设备增压系统推动料缸中活塞，活塞推动料缸中的抛光介质挤入工装端口，并继续挤入微细喷嘴内腔大口入口端，最终经微细喷嘴运动从出口小口端流出；实现微细喷嘴内腔一个流体方向上的抛光，需要指出的是，这个抛光流向方向和喷嘴实际工作过程中流体的流向一致，如此单向反复循环加工。喷嘴抛光结束后，利用激光共聚焦显微镜对喷嘴内腔表面微区的微尺度形貌进行观察。由于微细喷嘴的射流性能的优劣主要取决于从喷嘴出口小口端射出的流体约束圆柱长度即“静态玻璃柱”长度，因此可以采用高速影像拍照对微细喷嘴的射流性能进行测试。

请参见图4、图5、图7和图8，从图中可以看出采用本实施例的针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质，也就是棱角形立方氮化硼磨粒进行抛光后，微细喷嘴的内表面比较平整，微尺度划痕致密均匀，凸点高度Rz＝0.091，而采用球形立方氮化硼磨粒进行抛光后，微细喷嘴的内表面仍存在比较明显的局部凸点，凸点高度Rz＝0.103。

请参见图6和图9，可以看出，当立方氮化硼磨粒为棱角形时，驱动压力20Mpa抛光后射流约束圆柱长度为23.91cm，当立方氮化硼磨粒为球形时，相同驱动压力下抛光后射流约束圆柱长度为13.16cm。

通过上述对比可以看出，即使凸点高度相接近，粗糙度相接近，当立方氮化硼磨粒为棱角形状时，抛光后凸点间距的一致性优于球形状的磨粒，因此对应的微尺度形貌以及射流性能也优于球形状磨粒抛光后对应的微尺度形貌和射流性能。

本发明实施例针对微细喷嘴的内腔表面的微尺度形貌对微细喷嘴的射流性能的影响，提出了一种特殊构型和粒径的立方氮化硼磨粒用于微细喷嘴的高速水基两相流或磨粒流抛光，改善了微细喷嘴的内腔表面的微尺度形貌的问题，从而改善了微细喷嘴的射流性能。

第二方面，本发明实施例提供了一种针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质的制备方法，用于制备如第一方面提供的针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质。该制备方法包括：将层状结构的六方氮化硼和催化剂在1000～1200℃和3～5Gpa的条件下反应，制备得到单个磨粒刃角数量在12～28个的棱角形立方氮化硼磨粒，其中，刃角角度为15°～75°的尖状锐角，再通过超声波逐级振动筛选，得到所需粒径的立方氮化硼磨粒，粒径的均一性为90％～98％。

在一个可选的实施例中，将制备得到的磨粒颗粒放入超声波中，超声波频率范围为15KHz～17KHz，声波能量密度>10W/cm

在一个可选的实施例中，催化剂包括Mg

单用Mg

另外，在本实施例中添加LiH作为催化剂，可以得到更快的反应时间，时间提高25％～35％。

可选地，层状结构的六方氮化硼与催化剂的摩尔比为，hBN：Mg

在一个可选的实施例中，相比机械震动筛选，可以采用超声波逐级振动筛选，以筛选得到30μm～35μm的立方氮化硼磨粒，其原因在于粉体颗粒在超声波中相比于其它机械方式颗粒震动和位移频率极高，易得到粒径均一度更高的磨粒。

在本实施例中，采用超声波逐级振动筛选，相比于一次性截留的机械振动筛选方法，超声波高频振动筛选可获得更高的目标粒径产率，一次性截留的机械振动筛选方法得到粒径为35μm的立方氮化硼磨粒的占比为43％，而超声波震动逐级筛选方法得到粒径为30μm～35μm的立方氮化硼磨粒的占比为90％以上。此外对于微米级别的颗粒，机械振动容易产生颗粒静电和团聚现象，然而利用超声波震动相比于机械振动，可有效消除颗粒静电和团聚现象，从而提高颗粒的均散性和通过率，缩短筛选时间，通过工程测试得知，超声波逐级振动筛选方法所用时间约为一次性截留机械振动筛选方法所用时间的1/3～1/2。

进一步地，以具体配比参数为例对本实施例的针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质的制备方法进行说明。

实施例1

步骤1：按照3：5：2.5：0.5的摩尔比，称取层状结构的六方氮化硼hBN、Mg

步骤2：将混合原料在1150℃和4Gpa的条件下反映1h，制备得到立方氮化硼磨粒；

步骤3：利用超声波振动筛选得到30μm～35μm的立方氮化硼磨粒，具体地，超声波频率范围为15KHz～17KHz，声波能量密度>10W/cm

实施例2

步骤1：按照4：6：4：1的摩尔比，称取层状结构的六方氮化硼hBN、Mg

步骤2：将混合原料在1150℃和4Gpa的条件下反映1h，制备得到立方氮化硼磨粒；

步骤3：利用超声波振动筛选得到30μm～35μm的立方氮化硼磨粒，具体地，超声波频率范围为15KHz～17KHz，声波能量密度>10W/cm

实施例3

步骤1：按照5：7.5：4.5：2的摩尔比，称取层状结构的六方氮化硼hBN、Mg

步骤2：将混合原料在1150℃和4Gpa的条件下反映1.5h，制备得到立方氮化硼磨粒；

步骤3：利用超声波振动筛选得到30μm～35μm的立方氮化硼磨粒，具体地，超声波频率范围为15KHz～17KHz，声波能量密度>10W/cm

对比例1

步骤1：按照4：6：1的摩尔比，称取层状结构的六方氮化硼hBN、Mg

步骤2：将混合原料在1150℃和4Gpa的条件下反映1h，制备得到立方氮化硼磨粒。

对比例2

步骤1：按照4：4：1的摩尔比，称取层状结构的六方氮化硼hBN、Ca

步骤2：将混合原料在1150℃和4Gpa的条件下反映1h，制备得到立方氮化硼磨粒。

对比例3

步骤1：按照4：6：4的摩尔比，称取层状结构的六方氮化硼hBN、Mg

步骤2：将混合原料在1150℃和4Gpa的条件下反映1h，制备得到立方氮化硼磨粒。

对实施例1、实施例2和实施例3制备得到的立方氮化硼磨粒的粒径进行统计分析，其粒径范围均在25～40μm。对比例1制备得到的立方氮化硼磨粒的粒径进行统计分析，其粒径范围在40～70μm。对对比例2制备得到的立方氮化硼磨粒的粒径进行统计分析，其粒径范围在10～30μm。

可以看出，单用Mg

对实施例2制备得到的立方氮化硼磨粒进行扫描电镜进行观察，请参见图2和图3所示的SEM图，从图上可以看出，立方氮化硼磨粒呈具有尖状锐角的棱角形，粒径分布比较均匀。

对比实施例2与对比例3制备立方氮化硼磨粒的反应时间，发现相比对比例3的制备时间，实施例2制备得到立方氮化硼磨粒的反应时间缩短约30％左右。

本发明实施例的针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质的制备方法，通过层状结构的六方氮化硼和多种催化剂组合制备得到立方氮化硼磨粒，该立方氮化硼磨粒具有尖状锐角的棱角形、粒径均匀，适用于微细喷嘴的高速水基两相流或磨粒流抛光以改善微细喷嘴的内腔表面的微尺度形貌的问题。

第三方面，本发明实施例提供了一种针对微细喷嘴流体抛光介质，包括：如第一方面提供的针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质和液体相，液体相包括水基、油基和胶体，流体抛光介质的黏度为50cP～5×10

关于该针对微细喷嘴流体抛光介质的具体内容以及相应的有益效果，请参见第一方面提供的针对微细喷嘴流体抛光的磨粒介质的相关内容，在此不做赘述。

应当说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。