專利名稱：帶有外加磁場的沉積坯噴射成形裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬坯加工領(lǐng)域，尤其涉及一種沉積坯噴射成形裝置。
背景技術(shù)：
噴射成形是在快速凝固粉末冶金工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種先進(jìn)的材料制備技 術(shù)。噴射成形技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)在于將金屬熔體的霧化與沉積成形合二為一，可直接由液態(tài) 金屬制取大尺寸、具有快速凝固特點(diǎn)的最終形錠坯，克服了粉末冶金技術(shù)工藝繁多、氧化嚴(yán) 重的問題，使得噴射沉積材料能夠擁有比粉末冶金材料更高的綜合力學(xué)性能。圖1給出了 噴射成形的原理簡圖，它是用霧化器2內(nèi)高壓惰性氣體7將從其上部坩堝1經(jīng)過導(dǎo)流管流 出的高溫鋼液6霧化成細(xì)小的熔滴，熔滴在高速氣流的作用下飛行并被逐漸冷卻，在這些 熔滴尚未完全凝固前將其沉積到具有一定形狀的沉積器4上，通過改變?nèi)鄣紊淞髋c沉積器 的相對位置和沉積器4的運(yùn)動(dòng)形式，可以得到盤(柱)、管(環(huán))、板(帶)等不同形狀的半 成品沉積坯件11。將鋼液顆粒作為沉積單元進(jìn)行金屬零件成形時(shí)，需要在噴嘴下方放置一個(gè)沉積平 臺(tái)作為基底，鋼液顆粒逐漸沉積到基底上形成零件。由于霧化噴嘴產(chǎn)生的是連續(xù)的錐形鋼 液顆粒束流，液滴生成頻率較高，只靠基底的運(yùn)動(dòng)并不能保證只在所需要的位置沉積液滴， 很難實(shí)現(xiàn)零件的復(fù)雜和精密成形，而且霧化鋼液的收得率也不高，這限制了噴射成形技術(shù) 的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用?，F(xiàn)有的噴射成形裝置還有一個(gè)缺陷在于，在射流離開噴射口之后，由于射流邊界 與周圍環(huán)境存在較大的速度梯度，在射流邊界處產(chǎn)生強(qiáng)烈的卷吸運(yùn)動(dòng)。外界介質(zhì)迅速進(jìn)入 到射流內(nèi)，射流徑向速度衰減加速；在軸向，由于卷吸入的介質(zhì)與射流介質(zhì)內(nèi)發(fā)生動(dòng)量交 換，導(dǎo)致射流速度迅速降低，射流擴(kuò)張角增大。由于射流擴(kuò)張角度增大，鋼液顆粒呈現(xiàn)錐形 狀向四周散開飛行，而沉積器的面積有限，因此部分鋼液顆粒不能沉積在沉積器上(單噴 嘴情況下鋼液的收得率一般在45% -65%左右)，如圖1所示。雖然也有一些技術(shù)可以控制液滴的飛行軌跡，比如論文《均勻液滴飛行軌跡控 制技術(shù)》(哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文《金屬均勻液滴噴射飛行軌跡控制技術(shù)的研究》， 2004. 12 2 5)中利用靜電場對帶電金屬液滴進(jìn)行偏轉(zhuǎn)可以精確地控制液滴的飛行軌跡， 根據(jù)零件的CAD數(shù)據(jù)，將所需要的金屬液滴沉積到指定位置；在液滴從金屬射流上分離出 來的破碎點(diǎn)處放置一個(gè)充電電極，當(dāng)液滴從充電電極中間穿過時(shí)，由于液流和電極之間存 在電勢差，在液流和電極之間就形成了靜電場，當(dāng)液滴從液流中斷裂下來時(shí)，由于靜電感 應(yīng)，液滴帶上與充電電極極性相反的電荷。在充電電極的下方放置一對偏轉(zhuǎn)電極板，形成偏 轉(zhuǎn)靜電場，當(dāng)帶電金屬液滴飛經(jīng)偏轉(zhuǎn)電場時(shí)，在靜電力的作用下，獲得橫向的初始位移和初 始速度，當(dāng)金屬液滴飛離偏轉(zhuǎn)電場時(shí)，由于具有橫向初速度，金屬液滴就會(huì)以一定的軌跡運(yùn) 動(dòng)，最后落在基底上，液滴所帶電荷量與偏轉(zhuǎn)電場的強(qiáng)度及液滴的飛行時(shí)間決定了液滴偏 轉(zhuǎn)距離的大小。對金屬液滴充電偏轉(zhuǎn)的方法與噴墨打印所用的技術(shù)及CRT顯示器上的電子 槍工作原理相似。這種技術(shù)的缺點(diǎn)在于，靜電場對粒子施加的是方向一致、大小均勻的電場力，所以只能讓整個(gè)射流區(qū)域整體偏轉(zhuǎn)，無法縮小霧化顆粒飛行區(qū)的錐形擴(kuò)張角和最終的 散布半徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種帶有外加磁場的沉積坯噴射成形裝置，以 解決現(xiàn)有技術(shù)中霧化顆粒飛行區(qū)的錐形擴(kuò)張角大造成霧化金屬液收得率低的缺陷。—種帶有外加磁場的沉積坯噴射成形裝置，包括坩鍋、霧化器、充電電極和沉積 器，坩鍋和霧化器之間由導(dǎo)流管連通，沉積器位于霧化器噴嘴出口的下方，霧化器噴嘴和沉 積器之間為霧化顆粒飛行區(qū)，金屬液裝在坩鍋中，霧化器內(nèi)為高壓惰性氣體，所述的充電電 極位于所述的金屬液分離成霧化顆粒的破碎點(diǎn)，所述的霧化顆粒飛行區(qū)周圍裝有磁場發(fā)生 裝置，且磁場發(fā)生裝置位于充電電極下方。所述的磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生的磁場以霧化顆粒飛行區(qū)軸線所在的平面分界，兩邊的 電磁場方向相反。所述的磁場發(fā)生裝置為兩個(gè)通電的電磁線圈，兩個(gè)電磁線圈對稱布置在霧化顆粒 飛行區(qū)的兩邊，兩個(gè)電磁線圈的軸線構(gòu)成的平面和霧化顆粒飛行區(qū)的軸線相垂直。所述的磁場發(fā)生裝置為永磁體，其產(chǎn)生的磁場為環(huán)形磁場，磁場的軸心和霧化顆 粒飛行區(qū)的軸心相同。所述的惰性氣體為氮?dú)饣蚝狻Ｋ龅撵F化器通入的惰性氣體壓力為0.4MPa，在距離霧化器噴嘴出口下方 80mm 120mm處開始施加磁場，施加磁場的區(qū)域在Y軸方向的長度為150mm 250mm，霧化 器噴嘴出口中心軸線處的磁場強(qiáng)度為0T，磁場強(qiáng)度沿X軸坐標(biāo)絕對值的增大呈線性增加， 在磁場邊界處達(dá)到最大2. 0T 3. 0T。本發(fā)明在已有噴射成形工藝設(shè)備的基礎(chǔ)上，在霧化顆粒飛行區(qū)施加一定的外加磁 場，改變霧化顆粒的飛行軌跡，使飛行區(qū)的錐形擴(kuò)張角縮小，從而大大提高金屬液收得率， 還可以通過改變磁場的方向和大小，靈活地控制霧化顆粒的飛行軌跡，便于制造形狀更為 復(fù)雜的沉積坯件，提高沉積坯件的成形的質(zhì)量，節(jié)約沉積坯件制造成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。


圖1為現(xiàn)有的帶有外加磁場的沉積坯噴射成形裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明帶有外加磁場的沉積坯噴射成形裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為實(shí)施例1的A-A磁力線剖面圖；圖4為圖3的金屬顆粒在磁場中的受力示意圖；圖5為實(shí)施例2的A-A磁力線剖面圖；圖6為未施加磁場的鋼液顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖；圖7為施加磁場后的鋼液顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖。圖中1_坩鍋、2-霧化器、3-充電電極、4-沉積器、5-霧化顆粒飛行區(qū)、6-金屬液、 7_惰性氣體、8-霧化顆粒、9-磁場發(fā)生裝置、10-磁力線、11-沉積坯件、水平軸線為X軸，霧 化顆粒飛行區(qū)的軸線為Y軸。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。實(shí)施例1如圖2所示，一種帶有外加磁場的沉積坯噴射成形裝置，包括坩鍋1、霧化器2、充 電電極3和沉積器4，坩鍋1和霧化器2之間由導(dǎo)流管連通，沉積器4位于霧化器噴嘴出口的 下方，霧化器噴嘴和沉積器之間為霧化顆粒飛行區(qū)5，金屬液6裝在坩鍋1中，霧化器2內(nèi)為 高壓氮?dú)?，所述的充電電極3位于所述的金屬液6分離成霧化顆粒8的破碎點(diǎn)，所述的霧 化顆粒飛行區(qū)5周圍裝有磁場發(fā)生裝置9，且磁場發(fā)生裝置位于充電電極下方。所述的磁場 發(fā)生裝置9為兩個(gè)對稱布置在霧化顆粒飛行區(qū)5兩側(cè)的通電的電磁線圈，兩個(gè)電磁線圈的 軸線構(gòu)成的平面和霧化顆粒飛行區(qū)5的軸線相垂直，其產(chǎn)生的磁場以霧化顆粒飛行區(qū)5軸 線所在的平面為分界，兩邊的電磁場方向相反，所述的霧化器2通入的氮?dú)鈮毫?. 4MPa, 在距離霧化器噴嘴出口下方80mm 120mm處開始施加磁場，施加磁場的區(qū)域在Y軸方向的 長度為150mm 250mm，霧化器噴嘴出口中心軸線處的磁場強(qiáng)度為0T，磁場強(qiáng)度沿X軸坐標(biāo) 絕對值的增大呈線性增加，在磁場邊界處達(dá)到最大2. 0T 3. 0T。如圖3和圖4所示，以霧化顆粒飛行區(qū)5軸線為分界線，霧化顆粒飛行區(qū)5橫截面 的左半圓區(qū)域施加垂直紙面向內(nèi)的磁場，右半圓區(qū)域施加垂直紙面向外的磁場。在錐形的 霧化顆粒飛行區(qū)5軸線兩邊，磁力線10的方向相反，錐形區(qū)域的霧化顆粒8受到的磁力方 向也相反，均指向錐形區(qū)域中心軸線，因此霧化顆粒8的飛行軌跡逐漸向錐形中心軸線靠 近，有利于減小霧化錐形區(qū)域的擴(kuò)張角，提高金屬液6的收得率。當(dāng)金屬液為鋼液時(shí)，根據(jù)鋼液霧化顆粒沉積試驗(yàn)得到，當(dāng)霧化噴嘴出口直徑為 8mm，共有22個(gè)孔，通入氮?dú)?，壓力?. 4MPa，在距離霧化顆粒飛行區(qū)下方80mm處開始施加 磁場，施加磁場的區(qū)域在Y軸方向的長度為250mm。霧化顆粒飛行區(qū)中心軸線處的磁場強(qiáng)度 為0T，磁場強(qiáng)度沿X軸坐標(biāo)絕對值的增大呈線性增加，在磁場邊界處達(dá)到最大3. 0T。鋼液 霧化顆粒受到磁場力后向霧化顆粒飛行區(qū)中心軸線偏移，鋼液霧化顆粒到達(dá)沉積器時(shí)形成 的區(qū)域中L的長度為20mm。霧化噴嘴出口直徑為8mm，共有22個(gè)孔，通入氮?dú)?，壓力?. 4MPa，在距離霧化顆 粒飛行區(qū)下方100mm處開始施加磁場，施加磁場的區(qū)域在Y軸方向的長度為200mm。霧化顆 粒飛行區(qū)中心軸線處的磁場強(qiáng)度為0T，磁場強(qiáng)度沿X軸坐標(biāo)絕對值的增大呈線性增加，在 磁場邊界處達(dá)到最大2. 0T。鋼液霧化顆粒受到磁場力后向霧化顆粒飛行區(qū)中心軸線偏移， 鋼液霧化顆粒到達(dá)沉積器時(shí)形成的區(qū)域中L的長度為25mm。霧化噴嘴出口直徑為8mm，共有22個(gè)孔，通入氮?dú)?，壓力?. 5MPa，在距離霧化顆 粒飛行區(qū)下方120mm處開始施加磁場，施加磁場的區(qū)域在Y軸方向的長度為150mm。霧化顆 粒飛行區(qū)中心軸線處的磁場強(qiáng)度為0T，磁場強(qiáng)度沿X軸坐標(biāo)絕對值的增大呈線性增加，在 磁場邊界處達(dá)到最大2. 0T。鋼液霧化顆粒受到磁場力后向霧化顆粒飛行區(qū)中心軸線偏移， 鋼液霧化顆粒到達(dá)沉積器時(shí)形成的區(qū)域中L的長度為30mm。實(shí)施例2
一種帶有外加磁場的沉積坯噴射成形裝置，包括坩鍋1、霧化器2、充電電極3和沉 積器4，坩鍋1和霧化器2之間由導(dǎo)流管連通，沉積器4位于霧化器噴嘴出口的下方，霧化 器噴嘴和沉積器4之間為霧化顆粒飛行區(qū)5，金屬液6裝在坩鍋1中，霧化器2內(nèi)為高壓氦 氣7，所述的充電電極3位于所述的金屬液6分離成霧化顆粒8的破碎點(diǎn)，所述的霧化顆粒 飛行區(qū)5外加有環(huán)形磁場，磁場的軸心和霧化顆粒飛行區(qū)的軸心相同，參見圖5。當(dāng)充電電 極3為正電極時(shí)，霧化顆粒8帶負(fù)電荷，設(shè)置環(huán)形磁場的方向從A-A俯視圖上看成順時(shí)針方 向；當(dāng)充電電極3為負(fù)電極時(shí)，霧化顆粒8帶正電荷，設(shè)置環(huán)形磁場的方向從A-A俯視圖上 看成逆時(shí)針方向，圖5所示的環(huán)形磁場方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向；這樣所有的霧化顆粒8都受到向 心的電磁力的所用，縮小了飛行的散布半徑。為驗(yàn)證在霧化顆粒運(yùn)行區(qū)間施加磁場后的效果，采用FLUENT軟件對施加磁場前 和施加磁場后霧化顆粒運(yùn)行軌跡進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖6和圖7所示。在沒有施加磁場時(shí)， 霧化顆粒的飛行軌跡呈錐形狀擴(kuò)散；在施加磁場后，霧化顆粒在飛行區(qū)域的后半段呈收縮 狀，這有利于提高霧化顆粒的收得率，同時(shí)也能有效控制霧化顆粒的沉積位置。同樣，對于復(fù)雜的成形坯件，通過改變磁場的方向和大小，對霧化顆粒進(jìn)行偏轉(zhuǎn)， 精確控制霧化顆粒的飛行軌跡，根據(jù)坯件的CAD數(shù)據(jù)，將所需要的霧化顆粒沉積到指定位 置，有效減小了沉積坯件11內(nèi)部的顯微疏松，提高了沉積坯件11的致密度，使產(chǎn)品的質(zhì)量 大大增強(qiáng)。
權(quán)利要求
一種帶有外加磁場的沉積坯噴射成形裝置，包括坩鍋(1)、霧化器(2)、充電電極(3)和沉積器(4)，坩鍋(1)和霧化器(2)之間由導(dǎo)流管連通，沉積器(4)位于霧化器噴嘴出口的下方，霧化器噴嘴和沉積器(4)之間為霧化顆粒飛行區(qū)(5)，金屬液(6)裝在坩鍋(1)中，霧化器(2)內(nèi)為高壓惰性氣體(7)，所述的充電電極(3)位于所述的金屬液(6)分離成霧化顆粒(8)的破碎點(diǎn)，其特征是所述的霧化顆粒飛行區(qū)(5)周圍裝有磁場發(fā)生裝置(9)，且磁場發(fā)生裝置位于充電電極下方。
2.如權(quán)利要求1所述的帶有外加磁場的沉積坯噴射成形裝置，其特征是所述的磁場 發(fā)生裝置(9)產(chǎn)生的磁場以霧化顆粒飛行區(qū)(5)軸線所在的平面分界，兩邊的電磁場方向 相反。
3.如權(quán)利要求2所述的帶有外加磁場的沉積坯噴射成形裝置，其特征是所述的磁場 發(fā)生裝置(9)為兩個(gè)通電的電磁線圈，兩個(gè)電磁線圈對稱布置在霧化顆粒飛行區(qū)(5)的兩 邊，兩個(gè)電磁線圈的軸線構(gòu)成的平面和霧化顆粒飛行區(qū)(5)的軸線相垂直。
4.如權(quán)利要求1所述的帶有外加磁場的沉積坯噴射成形裝置，其特征是所述的磁場 發(fā)生裝置(9)為永磁體，其產(chǎn)生的磁場為環(huán)形磁場，磁場的軸心和霧化顆粒飛行區(qū)(5)的軸 心相同。
5.如權(quán)利要求1 4中任意一權(quán)利要求所述的帶有外加磁場的沉積坯噴射成形裝置， 其特征是所述的惰性氣體(7)為氮?dú)饣蚝狻?br> 6.如權(quán)利要求5所述的帶有外加磁場的沉積坯噴射成形裝置，其特征是所述的霧化 器(2)通入的惰性氣體壓力為0. 4MPa，在距離霧化器噴嘴出口下方80mm 120mm處開始施 加磁場，施加磁場的區(qū)域在Y軸方向的長度為150mm 250mm，霧化器噴嘴出口中心軸線處 的磁場強(qiáng)度為0T，磁場強(qiáng)度沿X軸坐標(biāo)絕對值的增大呈線性增加，在磁場邊界處達(dá)到最大 2. 0T 3. 0T。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬坯加工領(lǐng)域，尤其涉及一種沉積坯噴射成形裝置。一種帶有外加磁場的沉積坯噴射成形裝置，包括坩鍋(1)、霧化器(2)、充電電極(3)和沉積器(4)，坩鍋(1)和霧化器(2)之間由導(dǎo)流管連通，沉積器(4)位于霧化器噴嘴出口的下方，霧化器噴嘴和沉積器(4)之間為霧化顆粒飛行區(qū)(5)，充電電極(3)位于金屬液(6)分離成霧化顆粒(8)的破碎點(diǎn)，所述的霧化顆粒飛行區(qū)(5)周圍裝有磁場發(fā)生裝置(9)，且磁場發(fā)生裝置位于充電電極下方。本發(fā)明通過外加的磁場，改變霧化顆粒的飛行軌跡，使飛行區(qū)的錐形擴(kuò)張角縮小，大大提高金屬液收得率，還可以通過改變磁場的方向和大小，提高沉積坯件的成形的質(zhì)量，節(jié)約沉積坯件制造成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)B05B5/025GK101875032SQ20091005040
公開日2010年11月3日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者樂海榮, 任三兵, 樊俊飛, 袁鋒, 趙順利 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司