一种降低金属雾化导流系统热损失的装置

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技术领域\n本发明涉及一种用于降低金属雾化导流系统热损失的装置，可应用于机械、 冶金、材料等行业。\n背景技术\n快速凝固气雾化合金粉末制备/粉末冶金(RS/PM)技术是工业发达国家20 世纪60年代发展起来并投入工业化应用的一种材料先进制备技术。快速凝固气雾 化技术可细化晶粒，减弱偏析，扩大元素固溶度，产生一些亚稳相和新相，具有 直接制备出污染小的高合金化粉末材料并可大规模生产的优势，能够通过后续的 粉末脱气、压实烧结等工序制备出具有较低含气量、接近零件最终形状的近终形 产品，可广泛应用于航空航天、电子信息、能源电力、冶金机械等领域。\n快速凝固气雾化技术的基本原理是：金属熔液注入底漏坩埚并经导流管流出 时，被坩埚下方喷嘴射出的高速气体雾化成细小液滴，随后合金液滴在雾化气体 中飞行时迅速凝固冷却成粉。根据雾化喷嘴与导流管的配合方式，气雾化可分为 两类：非限制式与限制式。非限制式雾化器，是指熔体从导流管流出自由降落一 段距离后，才被高速气流破碎。而限制式雾化器，是指熔体从导流管流出很短距 离后或者直接在导流管端部即开始雾化。非限制式雾化器雾化气体的能量利用率 低，粉末的粒度较粗，限制式雾化器由于喷嘴与导流管紧密耦合，雾化气体的能 量利用率高，并能产生相对稳定的液流，粉末的粒度较细。\n高性能合金粉末通常是以Fe-、Ni-、Co-、Ti-、Re-基合金为主，含有 Al、Cr、B、Zr、Ti、Re等活性组元，具备高熔点(一般高于1000℃)、高活性特 点。这类合金一般依靠添加组元的固溶强化作用或者以极细小的沉淀析出相弥散 强化作用来获得高的性能。限制式气雾化由于粉末颗粒细，冷速高，因为粉末的 冷速与其直径的平方成反比，颗粒直径越细，冷速越高，因此，快速凝固的效果 突出，即可以大大提高添加组元的固溶度和固溶分数，或者使析出相细小弥散， 从而显著改善合金的性能。\n气雾化技术制备高熔点高活性合金粉末时，遇到了一个严重的问题，就是高 温下活性组元与坩埚等雾化设备的反应问题，这在美国专利US4,631,013中有较 全面的论述。高温下活性组元与坩埚等耐火材料的反应，一方面使得坩埚容易损 坏发生漏炉等危险事故，一方面又污染了合金粉末，这样的粉末制成构件后性能 会大幅度降低，因为反应生成的夹杂将成为材料失效的裂纹源。因此，雾化熔体 过热度越低越好。\n但在限制式气雾化方式中，导流管一般为单层结构，见图1(美国专利 US4,631,013)。由于导流管与喷嘴紧密耦合，雾化过程中高速冷气流使导流管尤 其是其端部热量耗散很快，从而极易造成导流管中合金液流凝固堵塞，导致雾化 过程中断。为保证雾化过程的顺利进行，只得提高熔体的过热度，一般在250～ 400℃，温度的提高将加剧熔体与耐火材料的反应，污染合金。美国专利 US5,468,133公开了一种降低熔体过热度的方法及结构，见图2。采用的方法是尽 量减少导流管与喷嘴接触面积，以降低热量损失，但其导流管仍是单层结构。在 雾化高熔点、高活性合金时，单层的导流管一般采用耐高温、隔热性好、相对于 熔体为惰性的陶瓷材料，如Al2O3、ZrO2、BN等陶瓷材料，但是Al2O3、ZrO2强度高， 脆性大，容易损坏，并且不易加工成复杂精确的形状，BN虽然容易加工，但强度 不高，不耐气体吹蚀，会污染合金粉末，并且只能使用一次。陶瓷材料的导流管 不但成本高，还因其易碎增加了装配难度。另外，由于限制式气雾化对导流管与 喷嘴的相对位置关系以及尺寸要求很苛刻，陶瓷导流管一般与坩埚相粘结，这样 导流管伸出喷嘴的长度会有波动，将导致雾化过程的不稳定和重复性差。\n发明内容\n本发明的目的是提供一种降低金属雾化导流系统热损失的装置，其能大幅度 降低雾化熔体过热度，结构简单，安装方便，导流管可调，造价较低，可显著减 弱合金污染。\n为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：\n一种降低金属雾化导流系统热损失的装置，其克服传统单层结构导流管的缺 点，采用复合导流管的结构形式，利用导流管内芯与外套的间隙、选用不同的材 料以及长度调整结构，解决熔体导流系统热损失过快以及制造、安装问题；\n所述的复合导流管是指导流管由单层改为复层结构，由导流管内芯与外套双 层构成；\n所述的间隙是指导流管内芯与外套之间有微小间隙隔开，不直接接触，大大 降低了内芯热量的散失，而且导流管外套靠前端锥部与喷嘴接触定位，其余部分 与喷嘴不接触，进一步降低了外套的热量损失；\n所述的不同材料是指导流管内芯与外套可以选择不同的材料，外套可选择强 度高、易于加工、价廉的材料，内芯可选择耐高温、隔热性好、惰性的、易于加 工或者即使难于加工但可制成简单形状的陶瓷材料；\n所述的长度调整结构是指导流管内芯伸出喷嘴的长度由导流管外套伸出喷嘴 的长度决定，而导流管内芯与外套之间可以沿长向相对运动，调整导流管内芯与 外套的外端部平齐，确保整个导流管伸出喷嘴的长度。\n所述的导流管外套优先选择碳钢、不锈钢金属材料，导流管内芯优先选择 Al2O3、ZrO2、BN陶瓷材料。\n所述的长度调整结构是导流管外套通过长度调整盘的螺纹固定并调整相对于 内芯的长度，保证内外层端部平齐。\n按照一个优选的实施方案，长度调整结构采用螺纹方式，一圆盘中心带有螺 纹孔，导流管内芯穿过圆盘中心孔，与圆盘同心，二者一并粘结在坩埚底部，导 流管外套一端带有外螺纹，通过螺纹连接在圆盘上并调整相对于内芯的长度，直 至内外层端部平齐，另一端为锥形，与喷嘴内中心孔的锥度相配合，起到支撑导 流管(及坩埚)与定位的作用，确保导流管伸出喷嘴的长度，其余部分与喷嘴不 接触。\n按照另一个优选的实施方案，导流管外套优先选择碳钢、不锈钢等金属材料， 导流管内芯优先选择Al2O3、ZrO2、BN陶瓷材料。\n按照另一个优选的实施方案，导流管内芯可以制成简单的管状。\n本发明具体提供了一种降低金属雾化导流系统热损失的装置，它由长度调整 盘、导流管内芯、导流管外套、喷嘴所组成；\n所述的长度调整盘固结在坩埚底部，调整盘中间有一内螺纹孔；\n所述的导流管内芯穿过长度调整盘的中心内螺纹孔，固结在坩埚漏孔底部；\n所述的导流管外套一端带有外螺纹，并连接在长度调整盘上，另一端为外锥 形，该导流管内芯与外套之间有微小间隙；\n所述的导流管外套的外锥形与喷嘴的内中心锥孔相配合。对导流管外套(及 坩埚)支撑与定位，其余部分与喷嘴不接触。安装时使导流管内芯与外套同心。 通过长度调整盘的螺纹对外套进行长度调整，使导流管内芯与外套的外端部平齐。\n本发明与已有技术相比具有如下优点：\n1)节约材料，减轻污染，降低成本。外套采用碳钢之类的金属材料加工方便， 价格便宜，又可反复使用。内芯的陶瓷可以干脆做成简单的管状，便于制作，成 本低廉。由于外套的保护，陶瓷内芯不与高速冷气流接触，减少了污染，受热状 态显著改善，不易炸裂，甚至可多次使用。\n2)装配安全方便。限制式雾化方式对喷嘴和导流管的相互位置关系要求很严 格，导流管通过外套与长度调整盘之间的螺纹进行长度调整，可使内外层端部平 齐，外套的锥段与喷嘴相应的锥段配合，可确保导流管的伸出长度。而且由于金 属外套的保护，陶瓷内芯可以安然无恙，无须担心折断或损坏。\n3)熔体的雾化过热度显著降低，合金粉末的质量明显提高。复合结构导流管 内芯不直接接触高速冷气流，与外套之间有间隙隔热，外套与喷嘴仅以一锥段相 接触，散热面积减小，故可大幅度降低熔体的雾化过热度和减少堵嘴的危险，熔 体过热度由原来单层结构导流管的250～400℃可以降至200℃以下。熔体过热度降 低后，可有效减弱与坩埚和导流管等耐火材料的反应，减轻成分污染和合金粉末 的氧化，尤其对于高活性合金更为重要。\n附图说明\n图1为美国专利US4,631,013金属导流装置的示意图。\n图中：1为导流管，2为隔热材料，3为喷嘴，4为喷嘴进气管。\n图2为美国专利US5,468,133金属导流装置的示意图。\n图中：5为导流管，6为喷嘴。\n图3为本发明的金属导流装置示意图。 \n图中：7为导流管内芯，8为长度调整盘，9为导流管外套，10为喷嘴，11为 喷嘴进气管，12为喷嘴内中心锥孔，13为调整盘内螺纹孔，14为导流管外套端 部外螺纹，15为导流管内芯与外套之间的微小间隙。\n具体实施方式\n参见图3所示，实施例1：\n本发明具体提供了一种降低金属雾化导流系统热损失的装置，它由长度调整 盘8、导流管内芯7、导流管外套9、喷嘴10所组成；\n所述的长度调整盘8以A3钢制成，粘结在坩埚底部，调整盘中间有一内螺纹 孔13；\n所述的导流管内芯7采用Al2O3材料穿过长度调整盘8的中心内螺纹孔13，固 结在坩埚漏孔底部；\n所述的导流管外套9采用碳钢或不锈钢，一端带有外螺纹14，并连接在长度 调整盘8上，另一端为外锥形，该导流管内芯7与外套9之间有微小间隙15；\n所述的导流管外套的外锥形与喷嘴10的内中心锥孔12相配合，起到对导流 管外套(及坩埚)支撑与定位的作用，并且确保导流管伸出喷嘴的长度，其余部 分与喷嘴不接触。安装时使导流管内芯7与外套9同心。通过长度调整盘8的螺 纹对外套9进行长度调整，使导流管内芯7与外套9的外端部平齐。\n实施例2：\n与实施例1不同之处在于导流管内芯7采用ZrO2材料。\n实施例3：\n与实施例1和实施例2不同之处在于导流管内芯7采用BN材料。\n实施例4：\n与上述实施例不同之处在于导流管外套9采用不锈钢材料。