本發(fā)明屬于粉末制備領(lǐng)域，具體涉及一種用于生產(chǎn)粉末的霧化噴嘴及方法。

背景技術(shù)：

氣體霧化制粉法是制備金屬及合金粉末的重要方法，其基本原理是用高速氣流將液態(tài)金屬粉碎成小液滴并凝固成粉末的過程，其核心是控制氣體對金屬液流的作用過程，使氣流的動能最大限度地轉(zhuǎn)化為新生粉末表面能。因此，霧化噴嘴作為控制部件，成為氣體霧化的關(guān)鍵技術(shù)，噴嘴的結(jié)構(gòu)和性能決定了霧化粉末的性能和效率。

氣霧化制粉法也廣泛應(yīng)用于3D打印用金屬粉末的制備和生產(chǎn)。隨著3D打印技術(shù)對高性能金屬粉末的需求的增加，3D打印用金屬粉末向著純球型化和合理粒徑分布的方向發(fā)展。普通的霧化制粉裝備制備的金屬粉末已難以滿足3D打印對粉末的要求。提高球形粉的收得率和粒徑分布的可控性，降低粉末制備成本，提高粉末品質(zhì)和穩(wěn)定性，已成為霧化制粉技術(shù)和裝備發(fā)展的趨勢。在球形度方面，經(jīng)過大量研究實踐證明，緊耦合限制式霧化噴嘴所生產(chǎn)的粉末球形度高于其他結(jié)構(gòu)噴嘴。在粒徑分布方面，3D打印用金屬粉末需要有不同粒徑的粉末合理搭配，以獲得質(zhì)量良好的打印產(chǎn)品。其中，尺寸大于45μm的粉末用于鋪粉時帶動細粉流動；尺寸小于15μm細粉則是填充粉末顆粒之間的空隙，使其打印過程中減少孔洞產(chǎn)生；而25-35μm的粉末則為3D打印的核心粉末。各種粒徑的粉末需按照一定配比才能適用于3D打印過程。因此，需要一種能生產(chǎn)高球形度，粒徑分布可調(diào)節(jié)的霧化噴嘴很有必要。

氣體霧化制粉是二流霧化的一種，基本過程是利用高速氣流將液態(tài)金屬流粉碎成粉末的過程。因此，這一過程包含有氣流與液流之間的能量交換和熱量傳遞(其實質(zhì)是氣流的動能轉(zhuǎn)換成粉末的表面能，金屬液流的熱量傳遞給氣流)，能量和熱量交換是影響霧化效率的關(guān)鍵因素，而這兩個過程由噴嘴的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)液管的配置所控制。超聲緊耦合霧化噴嘴就是在緊耦合噴嘴的基礎(chǔ)上，采用火箭噴管設(shè)計的思路，將氣體的流出通道設(shè)計成收放結(jié)構(gòu)的拉瓦爾形式，從而使氣流出口速度超過聲速，能量得到有效提高。經(jīng)測試表明，超聲緊耦合的氣流速度可以達到的聲速的2倍以上。因此，超聲緊耦合霧化效率得到更進一步的提高。

制備3D打印用金屬粉末霧化噴嘴，設(shè)計方案之一就是單一利用緊耦合限制式霧化噴嘴。中國專利CN102837001A、CN207763046A就采取這種設(shè)計方案進行霧化噴嘴設(shè)計。這種霧化噴嘴設(shè)計方案在調(diào)節(jié)金屬粉末的粒徑分布時，由于其工藝參數(shù)單一，所生產(chǎn)的粉末粒徑分布較窄，細粉和粗粉比例不足，不能滿足3D打印對粉末材料粒度分布的要求。

制備3D打印用金屬粉末霧化噴嘴，設(shè)計方案之二是將不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計噴嘴設(shè)計于同一個噴嘴上，使其能夠利用不同噴嘴結(jié)構(gòu)來生產(chǎn)不同規(guī)格的金屬粉末。中國發(fā)明專利說明書CN105618773A公開了一種用于制備3D打印金屬粉末的氣霧化裝置，該氣霧化裝置使用了多種噴嘴結(jié)構(gòu)。在球形度方面，層流霧化法和超聲霧化法制備的金屬粉末在球形度方面與緊耦合限制式噴嘴有一定差距，不同噴嘴結(jié)構(gòu)所生產(chǎn)的粉末形貌和異形粉形貌也不同，在生產(chǎn)過程中不易篩分。而且該專利噴嘴在使用時需拆除部分結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)過程中與更換整體霧化噴嘴無異，無法提升生產(chǎn)效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種生產(chǎn)效率高、粉末粒徑可調(diào)的用于生產(chǎn)3D打印粉末的霧化噴嘴和使用該霧化噴嘴生產(chǎn)粉末的方法，以獲得球形度高、粒徑分布合理的粉末。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種用于生產(chǎn)粉末的霧化噴嘴，包括嘴體，所述嘴體中心設(shè)置有導(dǎo)流管，所述嘴體內(nèi)圍繞導(dǎo)流管中心線由內(nèi)到外設(shè)有第一環(huán)狀霧化腔、第二環(huán)狀霧化腔和第三環(huán)狀霧化腔，所述第一環(huán)狀霧化腔、第二環(huán)狀霧化腔和第三環(huán)狀霧化腔上均設(shè)有進氣管，所述第一環(huán)狀霧化腔、第二環(huán)狀霧化腔和第三環(huán)狀霧化腔分別連接有第一噴射腔、第二噴射腔和第三噴射腔，各噴射腔的進氣口的面積均小于噴射腔出氣口的面積，各環(huán)狀霧化腔與各噴射腔分別構(gòu)成拉瓦爾結(jié)構(gòu)；各噴射腔生產(chǎn)的粉末具有不同的粒徑。

采用這樣的結(jié)構(gòu)，設(shè)置3個霧化腔和相應(yīng)的3個噴射腔，噴射腔的進氣口至噴射腔出氣口的通氣面積逐漸增大，每一個霧化腔和對應(yīng)的噴射腔構(gòu)成一個拉瓦爾氣體通道，通氣過程中，對氣流起到加速作用，產(chǎn)生高速氣流，高速氣流撞擊導(dǎo)流管中落下的液體，使得液體霧化。3個霧化腔和相應(yīng)噴射腔的尺寸不同，對氣流的加速能力不同，對導(dǎo)流管中落下的液體的作用力不同；同時，噴射腔進氣口至導(dǎo)流管中心線的距離不同，該距離的微小調(diào)整，會引起回流區(qū)內(nèi)抽吸壓力、氣體速度以及湍流強度等流場參數(shù)的明顯變化，噴射出來的氣體對導(dǎo)液管口的液流產(chǎn)生的氣壓不同，從而進一步的區(qū)分產(chǎn)生粉末的粒徑大小，提高生產(chǎn)效率。這樣在生產(chǎn)過程中，保證了金屬粉末的球形度，同時，可以通過調(diào)節(jié)使用不同氣腔的時間，調(diào)整粉末的粒徑分布，達到所需的金屬粉末粒徑配比，減少制粉后期處理的工作量，增加生產(chǎn)效率。

進一步地，所述進氣管上設(shè)有閥門，可以方便地控制各個霧化腔的通氣與否，便于生產(chǎn)控制。

進一步地，所述導(dǎo)流管包括管體和伸長段，所述伸長段連接在管體下端，所述伸長段的內(nèi)徑不大于管體的內(nèi)徑，這樣噴氣時，導(dǎo)液管出口處會形成有較大的負壓，使霧化過程穩(wěn)定進行。

進一步地，所述導(dǎo)流管可拆卸地固定在嘴體上，這樣可以方便地更換導(dǎo)流管，對應(yīng)不同的金屬材料選用不同的導(dǎo)流管尺寸，改變導(dǎo)流管內(nèi)徑和伸長段的長度，利用改變氣流對液流的作用來使得導(dǎo)流管不容易堵塞，同時，利用氣流對液流的分散能力來控制制粉速率，有利于制粉工藝的控制和調(diào)控。

進一步地，所述第一環(huán)狀霧化腔氣流與液注的夾角為35~40°，所述第二環(huán)狀霧化腔氣流與液注的夾角為65~70°，所述第三霧化腔氣流與液注的夾角為75~80°。

進一步地，所述伸長段的長度與導(dǎo)液管管體的內(nèi)徑有關(guān)，當(dāng)管體內(nèi)徑為7mm時，伸長段的長度為3.8~4.4mm；當(dāng)管體內(nèi)徑為3.5mm時，伸長段的長度為2.2~3mm。

一種使用上述霧化噴嘴生產(chǎn)粉末的方法，包括如下步驟：

（1）首先，將金屬加熱至熔融態(tài)；向第二霧化腔通入氮氣，氮氣經(jīng)過拉瓦爾結(jié)構(gòu)加速噴出；將適量的金屬熔融液引流入中間包中，由導(dǎo)流管進入噴嘴，從導(dǎo)流管的伸長段落下，與高速氮氣接觸，霧化成具有第一粒徑的顆粒；

（2）繼續(xù)加熱中間包，并向中間包添加少量熔融液，使中間包和導(dǎo)流管保持工作狀態(tài)不被金屬熔液冷卻堵塞；同時，打開第一霧化腔上的閥門，并緩慢關(guān)閉第二霧化腔閥門，向第一霧化腔供氣，將適量的金屬熔融液加入中間包并通過第一霧化腔進行氣霧化過程，得到具有第二粒徑的顆粒；

（3）待中間包熔融液流完，繼續(xù)加熱中間包，使中間包和導(dǎo)流管不被金屬熔液冷卻堵塞，同時打開第三霧化腔閥門，緩慢關(guān)閉第一霧化腔的閥門，向第三霧化腔供氣；將適量的金屬熔融液加入中間包通過第三霧化腔進行氣霧化過程，得到具有第三粒徑的顆粒。

進一步地，具有第二粒徑的顆粒占所有顆粒含量的50wt.%以上。

通過對導(dǎo)液管伸長量和氣流液流夾角的控制，可以影響金屬液流在導(dǎo)液管口的流場狀態(tài)。開始進行霧化制粉時，由于導(dǎo)液管溫度未達到熔液溫度，并且有低溫氣流影響，金屬液流在流過導(dǎo)液管口時容易降溫導(dǎo)致管口堵塞。本方案中，通過對導(dǎo)液管伸長量以及氣流液流夾角控制，首先以65~70°的夾角進行氣霧化過程，減少導(dǎo)液管口的液流產(chǎn)生反壓效果，減少液流受氣流影響產(chǎn)生的回流現(xiàn)象，產(chǎn)生較大的吸抽力，保證初期導(dǎo)液管通暢。待導(dǎo)液管溫度上升至熔液溫度后再換為第一霧化腔和第三霧化腔進行霧化，減少導(dǎo)液管堵塞發(fā)生。

本發(fā)明的用于生產(chǎn)3D打印粉末的霧化噴嘴生產(chǎn)效率高，粉末球形度高且產(chǎn)品粒徑可調(diào)，可按需生產(chǎn)具有一定粒徑分布的粉末產(chǎn)品，通過調(diào)節(jié)使用不同氣腔的時間，調(diào)整粉末的粒徑分布，達到所需的金屬粉末粒徑配比，減少制粉后期處理的工作量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明第一種實施方式的霧化噴嘴的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明第一種實施方式的霧化噴嘴的導(dǎo)流管的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

圖1是本發(fā)明第一種實施方式的霧化噴嘴的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。該用于生產(chǎn)3D打印粉末的霧化噴嘴，包括嘴體7，所述嘴體7中心設(shè)置有可拆卸的導(dǎo)流管1，所述嘴體7內(nèi)圍繞導(dǎo)流管1中心線由內(nèi)到外設(shè)有第一環(huán)狀霧化腔2、第二環(huán)狀霧化腔3和第三環(huán)狀霧化腔4，所述第一環(huán)狀霧化腔2、第二環(huán)狀霧化腔3和第三環(huán)狀霧化腔4上均設(shè)有進氣管5，所述第一環(huán)狀霧化腔2、第二環(huán)狀霧化腔3和第三環(huán)狀霧化腔4分別連接有第一噴射腔8、第二噴射腔9和第三噴射腔10，各噴射腔的進氣口的面積均小于噴射腔出氣口的面積，各環(huán)狀霧化腔與各噴射腔分別構(gòu)成拉瓦爾結(jié)構(gòu)；各噴射腔生產(chǎn)的粉末具有不同的粒徑。

其中，進氣管5上設(shè)有閥門6；導(dǎo)流管1包括管體101和伸長段102，所述伸長段102連接在管體101下端，所述伸長段102的內(nèi)徑不大于管體101的內(nèi)徑；第一環(huán)狀霧化腔2噴射氣流的方向與液注的夾角為35~40°，第二環(huán)狀霧化腔3噴射氣流的方向與液注的夾角為65~70°，所述第三霧化腔4噴射氣流的方向與液注的夾角為75~80°；導(dǎo)液管1的伸長段102的長度與管體101的內(nèi)徑有關(guān)，當(dāng)管體101內(nèi)徑為7mm時，伸長段102的長度為3.8~4.4mm；當(dāng)管體101內(nèi)徑為3.5mm時，伸長段102的長度為2.2~3mm。

下面以GH4169粉末的制備來說明用本發(fā)明的霧化噴嘴的生產(chǎn)粉末的方法。

首先，選取30kg GH4169錠放入高頻感應(yīng)爐中，真空加熱至熔融態(tài)；打開高壓氮氣閥門，向第二霧化腔3通入氮氣（氣壓為4Mpa），氮氣經(jīng)過拉瓦爾結(jié)構(gòu)加速從第二霧噴射腔9的出氣口噴出；將適量的金屬熔融液引流入中間包中，由導(dǎo)流管1進入噴嘴，從導(dǎo)流管1的伸長段102落下，與高速氮氣接觸，被破碎成小液滴，落入下方的霧化室冷卻成為粉末。此時，所得粉末粒徑分布D50在25~35μm的范圍內(nèi)；待中間包熔融液基本流完，繼續(xù)加熱中間包，并向中間包添加少量熔融液，使中間包和導(dǎo)流管1保持工作狀態(tài)不被金屬熔液冷卻堵塞，同時打開第一霧化腔2上的閥門6，并緩慢關(guān)閉第二霧化腔3閥門6，向第一霧化腔2供氣，將適量的金屬熔融液加入中間包并通過第一霧化腔2進行氣霧化過程，該過程所得的金屬粉末D50在15μm以下；待中間包熔融液基本流完，繼續(xù)加熱中間包，使中間包和導(dǎo)流管1不被金屬熔液冷卻堵塞，同時打開第三霧化腔閥門4，緩慢關(guān)閉第一霧化腔2的閥門6，向第三霧化腔4供氣；將適量的金屬熔融液加入中間包通過第三霧化腔4進行氣霧化過程，該過程所得的金屬粉末D50在45μm以上。通過對三次霧化過程中使用不同氣腔的階段進行掌握，合理調(diào)控霧化時間，制備出球形度高，且粒徑分布符合3D打印要求的GH4169粉末。

下面以AlSi10Mg粉末的制備來說明利用本發(fā)明的霧化噴嘴生產(chǎn)粉末的方法。

首先，選取30kg AlSi10Mg錠放入高頻感應(yīng)爐中，真空加熱至熔融態(tài)；打開高壓氮氣閥門，向第二霧化腔3通入氮氣（氣壓為3.5Mpa），氮氣經(jīng)過拉瓦爾結(jié)構(gòu)加速從第二霧噴射腔9的出氣口噴出；將適量的金屬熔融液引流入中間包中，由導(dǎo)流管1進入噴嘴，從導(dǎo)流管1的伸長段102落下，與高速氮氣接觸，被破碎成小液滴，落入下方的霧化室冷卻成為粉末。此時，所得粉末粒徑分布D50在20~30μm；待中間包熔融液基本流完，繼續(xù)加熱中間包，并向中間包添加少量熔融液，使中間包和導(dǎo)流管1保持工作狀態(tài)不被金屬熔液冷卻堵塞，同時打開第一霧化腔2上的閥門6，并緩慢關(guān)閉第二霧化腔3的閥門6，向第一霧化腔2供氣，將適量的金屬熔融液加入中間包并通過第一霧化腔2進行氣霧化過程，該過程所得的金屬粉末D50在10~13μm；待中間包熔融液基本流完，繼續(xù)加熱中間包，使中間包和導(dǎo)流管1不被金屬熔液冷卻堵塞，同時打開第三霧化腔閥門4，緩慢關(guān)閉第一霧化腔2的閥門6，向第三霧化腔4供氣；將適量的金屬熔融液加入中間包通過第三霧化腔4進行氣霧化過程，該過程所得的金屬粉末D50在40~50μm以上。通過對三次霧化過程中使用不同氣腔的階段進行掌握，合理調(diào)控霧化時間，制備出球形度高，且粒徑分布符合3D打印要求的AlSi10Mg粉末。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非是對本發(fā)明作其他形式的限制，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實施例應(yīng)用于其他領(lǐng)域，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍然屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。