權(quán)利要求

1.用于真空氣霧化制備金屬粉末的噴嘴，包括噴嘴本體(1)，在噴嘴本體(1)上端面設(shè)置有金屬液導(dǎo)流腔(8)，在噴嘴本體(1)下端面設(shè)置有噴孔(2)，噴孔(2)為圓形孔，噴孔(2)和金屬液導(dǎo)流腔(8)連通；其特征在于：噴孔(2)內(nèi)側(cè)壁設(shè)置有多條螺旋形凹槽(7)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于真空氣霧化制備金屬粉末的噴嘴，其特征在于：螺旋形凹槽(7)均勻設(shè)置在噴孔(2)內(nèi)側(cè)壁。 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于真空氣霧化制備金屬粉末的噴嘴，其特征在于：螺旋形凹槽(7)牙型為三角形。 4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于真空氣霧化制備金屬粉末的噴嘴，其特征在于：螺旋形凹槽(7)牙型角為72°-92°。 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于真空氣霧化制備金屬粉末的噴嘴，其特征在于：螺旋形凹槽(7)數(shù)量為8～12條，相鄰兩螺旋形凹槽(7)間依次連接。 6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于真空氣霧化制備金屬粉末的噴嘴，其特征在于：螺旋形凹槽(7)螺旋升角為69°-89°。 7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于真空氣霧化制備金屬粉末的噴嘴，其特征在于：螺旋形凹槽(7)大徑為5-6mm，小徑為3.5-4.5mm。 8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的用于真空氣霧化制備金屬粉末的噴嘴，其特征在于：還包括噴管(3)，噴管(3)位于噴管本體(1)內(nèi)部，金屬液導(dǎo)流腔(8)設(shè)置在噴管(3)內(nèi)，在噴嘴本體(1)內(nèi)部上側(cè)設(shè)置有噴管掛臺(tái)(4)，噴管掛臺(tái)(4)與噴管(3)適配，噴管(3)通過噴管掛臺(tái)(4)固定在噴嘴本體(1)內(nèi)，噴管(3)上端外側(cè)壁、噴管(12)下端外側(cè)壁與噴管本體(1)內(nèi)壁緊密貼合。 9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于真空氣霧化制備金屬粉末的噴嘴，其特征在于：噴管(3)中部外側(cè)壁和噴嘴本體(1)內(nèi)側(cè)壁之間設(shè)有隔熱空腔(5)。 10.根據(jù)權(quán)利要求1至7所述的用于真空氣霧化制備金屬粉末的噴嘴，其特征在于：還包括導(dǎo)流管定位凹槽(6)，導(dǎo)流管定位凹槽(6)設(shè)置在噴嘴本體(1)上表面，導(dǎo)流管定位凹槽(6)下端面和金屬液導(dǎo)流腔(8)連通。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及用于真空氣霧化制備金屬粉末的噴嘴。

背景技術(shù)

隨著3D打印技術(shù)及注射成型等技術(shù)的不斷成熟及日益發(fā)展，金屬粉末材料的市場(chǎng)需求量日益增加。目前，氣霧化法制備金屬粉末材料常用技術(shù)為真空感應(yīng)熔煉氣霧化VIGA(Vacuum Induction-melting Gas Atomization)。真空感應(yīng)熔煉氣霧化VIGA適用范圍廣，可制備鐵基、鎳基、鈷基、鋁基、銅基等合金粉末材料，廣泛應(yīng)用于3D打印、熔化沉積、激光熔覆、熱噴涂、粉末冶金、熱等靜壓等先進(jìn)制造領(lǐng)域。真空感應(yīng)熔煉氣霧化VIGA的工作流程是：1.熔煉：爐內(nèi)抽真空，坩堝內(nèi)原料在真空環(huán)境中感應(yīng)加熱熔化，達(dá)到工藝要求后，金屬液澆入中間包保溫坩堝，經(jīng)保溫坩堝底部導(dǎo)流管流入霧化噴嘴；2.霧化：霧化噴嘴通入高壓惰性氣體，經(jīng)過拉瓦爾結(jié)構(gòu)腔體加速，形成超音速氣流，將落入霧化區(qū)的金屬液沖擊破碎，使其霧化成細(xì)微的金屬液滴；3.粉末收集：液滴在空中受表面張力變?yōu)榍蛐晤w粒，在霧化室內(nèi)快速冷卻凝固成為金屬粉末，再經(jīng)過旋風(fēng)分離系統(tǒng)將金屬粉末收集。

傳統(tǒng)真空氣霧化制粉工藝采用的噴孔均為圓形孔，金屬液從噴孔流出后，高壓噴吹氣體首先會(huì)對(duì)金屬液流進(jìn)行一次破碎，使圓柱形金屬液流表面破碎成帶式液流；接著，高壓氣體對(duì)帶式液流進(jìn)行二次破碎，使帶式液流破碎形成顆粒細(xì)小的金屬粉末。傳統(tǒng)真空氣霧化制粉工藝制備的金屬粉末在增材制造及3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用存在的主要問題為：1.第一次噴吹高壓氣體破碎造成金屬液溫降大，難以實(shí)現(xiàn)低過熱度制粉，細(xì)粉率及成材率低；2.第一次噴吹高壓氣體破碎的破碎空間較小，導(dǎo)致第二次噴吹高壓氣體破碎時(shí)衛(wèi)星球質(zhì)量問題嚴(yán)重；3.3D打印技術(shù)對(duì)其原料金屬粉末粒度要求苛刻，要求金屬粉末粒度在35μm-53μm，而傳統(tǒng)的二級(jí)高壓噴吹氣體破碎模式制備的金屬粉末粒度范圍在35μm-150μm，細(xì)粉利用率低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種用于真空氣霧化制備金屬粉末的噴嘴，該噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能優(yōu)化金屬液流的破碎模式。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：本發(fā)明提供一種用于真空氣霧化制備金屬粉末的噴嘴，包括噴嘴本體，在噴嘴本體上端面設(shè)置有金屬液導(dǎo)流腔，在噴嘴本體下端面設(shè)置有噴孔，噴孔為圓形孔，噴孔和金屬液導(dǎo)流腔連通；噴孔內(nèi)側(cè)壁設(shè)置有多條螺旋形凹槽。

進(jìn)一步的是：螺旋形凹槽均勻設(shè)置在噴孔內(nèi)側(cè)壁。

進(jìn)一步的是：螺旋形凹槽牙型為三角形。

進(jìn)一步的是：螺旋形凹槽牙型角為72°-92°。

進(jìn)一步的是：螺旋形凹槽數(shù)量為8～12條，相鄰兩螺旋形凹槽7間依次連接。

進(jìn)一步的是：螺旋形凹槽螺旋升角為9°-13°。

進(jìn)一步的是：螺旋形凹槽大徑為5-6mm，小徑為3.5-4.5mm

進(jìn)一步的是：還包括噴管，噴管位于噴管本體內(nèi)部，金屬液導(dǎo)流腔設(shè)置在噴管內(nèi)，在噴嘴本體內(nèi)部上側(cè)設(shè)置有噴管掛臺(tái)，噴管掛臺(tái)與噴管適配，噴管通過噴管掛臺(tái)固定在噴嘴本體內(nèi)，噴管上端外側(cè)壁、噴管下端外側(cè)壁與噴管本體內(nèi)壁緊密貼合。

進(jìn)一步的是：噴管中部外側(cè)壁和噴嘴本體內(nèi)側(cè)壁之間設(shè)有隔熱空腔。

進(jìn)一步的是：還包括導(dǎo)流管定位凹槽，導(dǎo)流管定位凹槽設(shè)置在噴嘴本體上表面，導(dǎo)流管定位凹槽下端面和金屬液導(dǎo)流腔連通。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過對(duì)噴孔進(jìn)行改進(jìn)，在噴孔內(nèi)側(cè)壁設(shè)置有多條螺旋形凹槽，這樣設(shè)置以后，金屬液在重力及負(fù)壓作用下，將會(huì)在噴孔底部向四周開散式噴出，為金屬熔融液克服表面張力破碎提供了動(dòng)力，并且擴(kuò)大了第一次噴吹高壓氣體的破碎空間，為第二次噴吹高壓氣體二次細(xì)化和分離破碎提供了有利條件，有利于降低金屬粉末粒度，而且可有效降低衛(wèi)星球比例，提高金屬粉末的細(xì)粉率、成材率及適用性。

附圖說明

圖1是噴嘴本體和噴管裝配示意圖；

圖2是噴嘴本體下端面示意圖；

圖3是噴嘴本體示意圖；

圖4是噴管示意圖；

圖5是采用傳統(tǒng)噴嘴后所制備的金屬粉末形貌圖；

圖6是采用本發(fā)明用于真空氣霧化制備金屬粉末的噴嘴所制備的金屬粉末形貌圖。

圖中標(biāo)記為：1-噴嘴本體，2-噴孔，3-噴管，4-噴管掛臺(tái)，5-隔熱空腔，6-導(dǎo)流管定位凹槽，7-螺旋形凹槽，8-金屬液導(dǎo)流腔。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步具體說明，以便對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、所解決的技術(shù)問題、構(gòu)成技術(shù)方案的技術(shù)特征和帶來的技術(shù)效果有更進(jìn)一步的了解。但是，需要說明的是，對(duì)這些實(shí)施方式的說明是示意性的，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的具體限定。

本發(fā)明提供一種用于真空氣霧化制備金屬粉末的噴嘴，包括噴嘴本體1，在噴嘴本體1上端面設(shè)置有金屬液導(dǎo)流腔8，在噴嘴本體1下端面設(shè)置有噴孔2，噴孔2為圓形孔，噴孔2和金屬液導(dǎo)流腔8連通；噴孔2內(nèi)側(cè)壁設(shè)置有多條螺旋形凹槽7。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，在氣霧化制備金屬粉末中，噴嘴本體1是安裝在噴盤中部的噴嘴本體安裝腔上的，因此噴嘴本體1的外形在本發(fā)明中并不限定，其外形和噴盤上的噴嘴本體安裝腔所適配。噴嘴位于保溫包下部，保溫包中存放有熔融金屬液，保溫包下部還設(shè)置有導(dǎo)流管，導(dǎo)流管上端和保溫包連通，導(dǎo)流管下端和金屬液導(dǎo)流腔8連通。導(dǎo)流管將熔融金屬液引入噴嘴本體1上的金屬液導(dǎo)流腔8內(nèi)，在噴嘴本體1下端面設(shè)置有噴孔2，噴孔2與金屬液導(dǎo)流腔8連通。進(jìn)而熔融金屬液從保溫包流向?qū)Я鞴茉倭飨蚪饘僖簩?dǎo)流腔8中，最后流向噴孔2，從噴孔2噴出。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)理解的是，熔融金屬液到出噴孔后，是在負(fù)壓和重力的作用下噴射的。

在傳統(tǒng)的方案中，噴嘴的噴孔2通常是一個(gè)圓形孔，從噴孔2噴出的金屬液呈柱狀形，想要將柱狀形的金屬液給破碎成粉末狀的金屬粉末，其步驟有二：第一步是先將柱狀形的金屬液通過第一次噴吹高壓氣體進(jìn)行破碎，噴孔2流出的金屬液受到高壓氣體的沖擊作用，會(huì)在金屬液表面產(chǎn)生擾動(dòng)，使原本穩(wěn)定流動(dòng)的柱狀形金屬液變得不穩(wěn)定，逐漸發(fā)展成波狀，此過程將柱狀形金屬液破碎成帶式液流。第二步是通過第二次噴吹高壓氣體將帶式液流進(jìn)行二次破碎，使之形成細(xì)小液滴，并在表面張力的作用下變成球形后凝固形成顆粒細(xì)小的金屬粉末。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，第一次噴吹高壓氣體對(duì)柱狀形進(jìn)行破碎會(huì)為第二次高壓氣體破碎提供破碎空間，此過程會(huì)使金屬液的溫度迅速降低，降溫過大，很難實(shí)現(xiàn)低過熱度制粉，細(xì)粉率及成材率低；第一次噴吹高壓氣體的破碎空間較小，會(huì)導(dǎo)致第二次噴吹高壓氣體破碎時(shí)衛(wèi)星球質(zhì)量問題嚴(yán)重；當(dāng)?shù)诙螄姶蹈邏簹怏w破碎時(shí)，金屬液流的溫度、粘度等指標(biāo)均有所降低，細(xì)粉率及成材率均低，并且粉末形成僅回繞柱狀形液流，破碎空間有限、粉末粘連嚴(yán)重，衛(wèi)星球比例高。

本發(fā)明克服傳統(tǒng)方案的缺點(diǎn)，將噴孔2進(jìn)行改進(jìn)，在噴孔2內(nèi)側(cè)壁設(shè)置有多條螺旋形凹槽7。螺旋形凹槽7的設(shè)置能使從噴嘴2噴射出金屬液不再呈柱狀形，而是朝向四周開散式噴出。這樣的設(shè)置能在還未噴吹高壓氣體的情況下，便對(duì)金屬液進(jìn)行了一次破碎，這樣的破碎為金屬液后續(xù)在噴吹高壓氣體的作用下克服表面張力再次進(jìn)行破碎提供了動(dòng)力；且為后續(xù)噴吹高壓氣體進(jìn)行再次破碎創(chuàng)造了更大的破碎空間。

優(yōu)選的，螺旋形凹槽7均勻設(shè)置在噴孔2內(nèi)側(cè)壁。螺旋形凹槽7均勻設(shè)置，有利于金屬液朝向四周均勻分散開，進(jìn)而為后續(xù)噴吹高壓氣體破碎提供更大的破碎空間。

在本發(fā)明實(shí)施例中，螺旋形凹槽7選用牙型為三角形；牙型角為82°；螺旋形凹槽7數(shù)量為10條，兩螺旋形凹槽7間依次連接；螺旋升角為79°；螺旋形凹槽大徑為5.5mm，小徑為4mm。上述參數(shù)的螺旋形凹槽7在選用5KG真空氣霧化制粉爐，金屬粉末品種選用304(0Cr18Ni9)，真空度設(shè)置為0.5Pa，過熱度設(shè)置為205℃，噴吹氣壓設(shè)置為3.5MPa的情況下，所制出的金屬粉末粒徑小于等于20μm的占比為4.2％，粒徑大于20μm小于等于53μm的占比為24.3％；粒徑大于53μm小于150μm的占比為38.9％；粒徑大于等于150μm的占比為32.6％；其成型后的金屬粉末形貌圖示意圖如圖6所示。而僅將噴孔2改換成圓孔形，圓孔形噴孔2直徑為4毫米，其它條件不變的情況下，所制出的金屬粉末粒徑小于等于20μm的占比為2.0％，粒徑大于20μm小于等于53μm的占比為15.8％；粒徑大于53μm小于150μm的占比為28.3％；粒徑大于等于150μm的占比為53.9％，其成型后的金屬粉末形貌圖示意圖如圖5所示。

綜上采用本發(fā)明噴嘴有效降低了金屬粉末粒度，粒徑小于等于20μm的占比提高了110％；粒徑大于20μm小于等于53μm之間的占比提高了50％；粒徑大于53μm小于150μm的占比提高了37％；粒徑大于等于150μm的占比降低了39％。采用本發(fā)明后，金屬粉末粘連問題得到了有效解決，大大降低了衛(wèi)星球比例，降低金屬粉末粒徑，如圖5、6所示。

在本發(fā)明中，螺旋形凹槽7的牙型不限定，可以為矩形、梯形等。在本發(fā)明中，優(yōu)選的，螺旋形凹槽7牙型為三角形。螺旋方向在本實(shí)用中并不限定，無論左旋還是右旋均可，因?yàn)闊o論左旋還是右旋其都能達(dá)到分散柱狀形金屬液的作用。

螺旋形凹槽7牙型角優(yōu)選為72°-92°。

螺旋形凹槽7數(shù)量為8～12條，相鄰兩螺旋形凹槽7間依次連接。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的，金屬液過冷易凝固，螺旋形凹槽7螺旋升角小的話，會(huì)使金屬液在噴孔2內(nèi)流速較慢，在噴孔2和金屬液導(dǎo)流腔8中經(jīng)過時(shí)間較長，這樣會(huì)使金屬液在保溫包至噴孔2這一區(qū)間溫度下降快，影響細(xì)粉率和成材率。優(yōu)選的，螺紋凹槽螺旋升角為69°-89°。

螺旋形凹槽7大徑為5-6mm，小徑為3.5-4.5mm。

本發(fā)明用于真空氣霧化制備金屬粉末的噴嘴還包括噴管3，噴管3位于噴管本體1內(nèi)部，金屬液導(dǎo)流腔8設(shè)置在噴管3內(nèi)，在噴嘴本體1內(nèi)部上側(cè)設(shè)置有噴管掛臺(tái)4，噴管掛臺(tái)4與噴管3適配，噴管3通過噴管掛臺(tái)4固定在噴嘴本體1內(nèi)，噴管3上端外側(cè)壁、噴管12下端外側(cè)壁與噴管本體1內(nèi)壁緊密貼合。

噴管3的設(shè)置能對(duì)噴嘴本體1進(jìn)行保護(hù)，防止噴嘴本體1過熱熱裂。在本發(fā)明實(shí)施例中如圖1所示，噴嘴本體1內(nèi)部上側(cè)設(shè)置有噴管掛臺(tái)4，在本發(fā)明實(shí)施例中噴管掛臺(tái)4為向下傾斜的斜坡狀，在噴管3上有與噴管掛臺(tái)4適配的斜坡狀凸起，在安裝時(shí)將噴管3從噴嘴本體上1端面插入即可。噴管3在噴管掛臺(tái)4的作用下固定在噴嘴本體內(nèi)。噴管3上端側(cè)壁、噴管12下端外側(cè)壁與噴管本體1內(nèi)壁緊密貼合，這樣的設(shè)置能使噴管3固定牢靠，防止左右晃動(dòng)，影響金屬液流動(dòng)。

進(jìn)一步的是，噴管3中部外側(cè)壁和噴嘴本體1內(nèi)側(cè)壁之間設(shè)有隔熱空腔5。在本發(fā)明實(shí)施例中，如圖1所示，噴管3上端外側(cè)壁、噴管12下端外側(cè)壁與噴管本體1內(nèi)壁緊密貼合，但噴管3中部側(cè)壁并未與噴嘴本體1內(nèi)側(cè)壁貼合，在噴管3中部側(cè)壁和噴嘴本體1內(nèi)側(cè)壁形成隔熱空腔。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一方面能使熱量傳遞速率降低，減小熱量傳導(dǎo)至噴嘴本體1上，防止噴嘴本體1熱裂的作用；另一方面，導(dǎo)熱速率降低能減小金屬液導(dǎo)流腔8中金屬液溫度流失，便于后續(xù)噴吹高壓氣體制粉。

進(jìn)一步的是，本發(fā)明用于真空氣霧化制備金屬粉末的噴嘴還包括導(dǎo)流管定位凹槽6，導(dǎo)流管定位凹槽6設(shè)置在噴嘴本體1上表面，導(dǎo)流管定位凹槽6下端面和金屬液導(dǎo)流腔8連通。導(dǎo)流管定位凹槽6設(shè)置的目的是為了對(duì)導(dǎo)流管下端進(jìn)行限位，在說明書上述提到導(dǎo)流管下端和金屬液導(dǎo)流腔8是連通的，以便于將保溫坩堝中的金屬液引入金屬液導(dǎo)流腔8。因此導(dǎo)流管定位凹槽6設(shè)置在噴嘴本體1上表面，且導(dǎo)流管定位凹槽6下端面和金屬液導(dǎo)流腔8連通。在本發(fā)明中實(shí)施例中，如圖1所示，導(dǎo)流管定位凹槽6下端面與噴管3上端面齊平，導(dǎo)流管定位凹槽6內(nèi)側(cè)壁尺寸和導(dǎo)流管下選外側(cè)壁尺寸適配，導(dǎo)流管下端插入導(dǎo)流管定位凹槽6內(nèi)，導(dǎo)流管定位凹槽6內(nèi)側(cè)壁和導(dǎo)流管下端外側(cè)壁貼合。

最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。

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