环形排布对撞式气流雾化钛合金粉末制取设备及制取方法

摘要

本发明提供一种环形排布对撞式气流雾化钛合金粉末制取设备及制取方法，在炉体上方布置上位环形输气管(1)，在炉体下方布置下位环形输气管(3)，上位出气孔(2)的出气方向与下位出气孔(4)的出气方向相交，即：第1圆台表面的气幕与第2圆台表面的气幕相交；相交点沿圆周排列；炉体内部均匀布置多个合金棒，每个合金棒的轴心的延长线与相交点存在交点，因此，合金棒熔化成液态滴落的位置正好是上下两股气流相互撞击的位置，熔化的液滴在此位置被雾化成粉末。优点为：可大幅度提高钛合金粉末细颗粒的收得率，降低损耗，提高利润率，可作为未来钛合金注射成型及各种方式增材制造成形的粉末原料制取设备。

说明书

技术领域

本发明属于高活性金属粉末制备技术领域，具体涉及一种环形排布对撞式气流雾化钛合金粉末制取设备及制取方法。

背景技术

钛的耐热性、耐蚀性、弹性、抗弹性和成形加工性良好，因此，钛合金自从出世以来一直备受青睐，被广泛应用于航空工业。航天飞机是主要的、应用范围广的航空器。钛是航天飞机的主要结构材料，也是航空发动机风扇、压气机轮盘和叶片等重要构件的首选材料，被誉为“太空金属”。飞机越先进，钛用量越多，如美国F22第四代机用钛含量为41％(质量分数)，其F119发动机用钛含量为39％，是目前用钛含量高的飞机。钛合金研究起源于航空，航空工业的发展也促进了钛合金的发展。航空用钛合金的研究一直是钛合金领域中重要、活跃的一个分支。

在航空航天领域，有许多钛合金零部件都具有复杂结构特性，多采用粉末冶金以及3D打印等方法制造。因此，钛合金需要预先制备成粉末形态，方能在上述领域使用。钛合金在高温气氛下有很高的活性，并且在熔融状态下与多种元素发生反应，导致钛合金粉末的制备与常规金属粉末的制备方法不同。

目前，制备钛合金粉末的装备有旋转电极法和气体雾化法，旋转电极法适合生产粒度为75～150μm之间的粉末，由于钛合金电极棒材在高速旋转状态下的不稳定性，目前无法通过提高转速而生产粒度小于50μm的粉末；而气体雾化法制备的粉末粒度可以在0～150μm之间调节，尤其生产粒度小于50μm的粉末具有优势，是目前钛合金细粉唯一生产方法。该方法已在欧洲(如德国)和北美洲(如加拿大)国家制成专用设备进行生产。

如图1所示，为现有的钛合金细粉制取设备结构图。钛合金通过感应加热熔化滴落雾化的方式制取粉末，熔化的液滴依靠重力作用在下落过程中经过倒锥形氩气幕汇聚点而被打散成粉末，这是现在感应加热熔化重力滴落方式制取钛合金粉末的基本方法，目前欧洲和美国都在使用这种方法。

上述钛合金细粉制取设备存在的主要问题为：

(1)由于倒锥形氩气幕汇聚点只有一个点，因此，只能够对1根合金棒进行雾化，具有雾化效率低的问题；

(2)雾化的冲击强度低，细粉收得率低，无法保证粉末的收得率，尽管可以制备出50μm以下的细粉，但是这一规格粉末所占比例一般低于40％，生产效率低；

(3)雾化气体在单一点从多个方向撞击钛合金的液滴，具有能量消耗大、气体用量高的问题，造成氩气的浪费。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种环形排布对撞式气流雾化钛合金粉末制取设备及制取方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种环形排布对撞式气流雾化钛合金粉末制取设备，在炉体上方布置上位环形输气管(1)，所述上位环形输气管(1)的表面均匀排列上位出气孔(2)，各个所述上位出气孔(2)的出气方向为斜向下方向，用于将上位环形输气管内的氩气流吹向斜下方，并形成第1圆台表面的气幕；在炉体下方布置下位环形输气管(3)，所述下位环形输气管(3)的表面均匀排列下位出气孔(4)，所述下位出气孔(4)的出气方向为斜向上方向，用于将下位环形输气管内的氩气流吹向斜上方，并形成第2圆台表面的气幕；

所述上位出气孔(2)的出气方向与所述下位出气孔(4)的出气方向相交，即：第1圆台表面的气幕与所述第2圆台表面的气幕相交；相交点沿圆周排列；炉体内部均匀布置多个合金棒，每个所述合金棒的轴心的延长线与所述相交点存在交点，因此，合金棒熔化成液态滴落的位置正好是上下两股气流相互撞击的位置，熔化的液滴在此位置被雾化成粉末。

优选的，所述上位环形输气管(1)的直径大于所述下位环形输气管(3)的直径。

优选的，所述上位环形输气管(1)的直径为100mm～700mm；所述下位环形输气管(3)的直径为50mm～300mm。

优选的，所述上位环形输气管(1)和所述下位环形输气管(3)的内径均可调节。

优选的，所述上位环形输气管(1)排列的上位出气孔(2)的数量为10～300个；所述下位环形输气管(3)排列的下位出气孔(4)的数量为10～300个。

优选的，所述上位出气孔(2)和所述下位出气孔(4)的形状为圆形或椭圆形；其孔直径为5mm～20mm。

优选的，所述上位环形输气管(1)输出气幕与垂直方向的夹角变化范围为：-30°～30°；

所述下位环形输气管(3)输出气幕与水平方向的夹角变化范围为-45°～45°。

优选的，所述上位出气孔(2)的出气方向与所述下位出气孔(4)的出气方向相交时，夹角范围为：30°～150°。

优选的，所述合金棒的均布个数为3～15根。

优选的，所述合金棒的直径范围为：10～80mm。

本发明还提供一种应用上述的环形排布对撞式气流雾化钛合金粉末制取设备的制取方法，包括以下步骤：

步骤1，在炉体上方布置上位环形输气管(1)，所述上位环形输气管(1)的表面均匀排列上位出气孔(2)，各个所述上位出气孔(2)的出气方向为斜向下方向，用于将上位环形输气管内的氩气流吹向斜下方，并形成第1圆台表面的气幕；在炉体下方布置下位环形输气管(3)，所述下位环形输气管(3)的表面均匀排列下位出气孔(4)，所述下位出气孔(4)的出气方向为斜向上方向，用于将下位环形输气管内的氩气流吹向斜上方，并形成第2圆台表面的气幕；

所述上位出气孔(2)的出气方向与所述下位出气孔(4)的出气方向相交，即：第1圆台表面的气幕与所述第2圆台表面的气幕相交；相交点沿圆周排列；炉体内部均匀布置多个合金棒，每个所述合金棒的轴心的延长线与所述相交点存在交点；

步骤2，启动炉体，同时向上位环形输气管(1)和下位环形输气管(3)输送氩气；

氩气流自上位环形输气管(1)的上位出气孔吹向斜下方，形成第1圆台表面气幕；氩气流自下位环形输气管(3)的下位出气孔吹向斜上方，形成第2圆台表面气幕；

第1圆台表面气幕和第2圆台表面气幕在某一个高度位置相遇，多点相互撞击，撞击点沿一个圆周排列；由于每一个撞击点的正上方均放置一个合金棒，因此，合金棒熔化成的液态滴落位置正好是两股气流相互撞击的位置，熔化的液滴在此位置被雾化成细粉末。

本发明提供的环形排布对撞式气流雾化钛合金粉末制取设备具有以下优点：

本发明提供的环形排布对撞式气流雾化钛合金粉末制取设备及制取方法，可大幅度提高钛合金粉末细颗粒的收得率，降低损耗，提高利润率，可作为未来钛合金注射成型及各种方式增材制造成形的粉末原料制取设备。

附图说明

图1为现有技术提供的钛合金粉末制取设备的结构示意图；

图2为本发明提供的环形排布对撞式气流雾化钛合金粉末制取设备的结构示意图；

图3为本发明提供的环形排布对撞式气流雾化钛合金粉末制取设备的结构简图。

其中：1-上位环形输气管；2-上位出气孔；3-下位环形输气管；4-下位出气孔；5-上位环形输气管气流方向；6-下位环形输气管气流方向；7-上下气流对撞圆形边；8-上下气流对撞后走向圆形边界，即：粉末形成后走向；9-上气幕；10-下气幕；11-合金棒；12-合金液流；13-雾化粉末；14-喷气环；15-喷气孔；16-氩气流；17-气流汇聚点；18-液滴被打散成粉末。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种环形排布对撞式气流雾化钛合金粉末制取设备及制取方法，主体思想是：改变传统的单喷气环结构，增加底部对吹喷气环，使原来单喷气环结构喷出的倒锥形气幕变为上下两个气幕相撞击的情形，撞击区域为一个圆环，参考图2-图3，环形排布对撞式气流雾化钛合金粉末制取设备为：在炉体上方布置上位环形输气管1，上位环形输气管1的表面均匀排列上位出气孔2，各个上位出气孔2的出气方向为斜向下方向，用于将上位环形输气管内的氩气流吹向斜下方，并形成第1圆台表面的气幕；在炉体下方布置下位环形输气管3，下位环形输气管3的表面均匀排列下位出气孔4，下位出气孔4的出气方向为斜向上方向，用于将下位环形输气管内的氩气流吹向斜上方，并形成第2圆台表面的气幕；

上位出气孔2的出气方向与下位出气孔4的出气方向在某一个高度位置相交，因此，第1圆台表面的气幕与第2圆台表面的气幕相交，形成相互撞击，由于两股气流的压力与流速不同，在相遇位置两股气流撞击后，产生一个合气流矢量，方向和强度由两股气流各自的强度和方向所决定。基本上两股气流撞击点沿一个圆周排列，撞击后的气流则形成一个新的圆台气幕，吹向炉壁。

图2的结构可以简化成图3的形式，因此，可以在图3所示的几个位置布置多个合金棒，合金棒布置点在同一个圆周上，并且为均布。合金棒熔化成液态滴落的位置正好是上下两股气流相互撞击的位置，熔化的液滴在此位置被雾化成粉末。

结合图2和图3，所描述的吹气与合金棒安放方式具体由以下几个参数构成：

(1)环形输气管的直径由炉壁外径大小与合金棒的数量决定，上位环形输气管1的直径变化范围为100mm～700mm；下位环形输气管3的直径变化范围为50mm～300mm。

(2)上位环形输气管和下位环形输气管中气体的压力变化范围：10～60MPa。

(3)上位环形输气管和下位环形输气管所开设的出气孔个数根据输气管的直径与合金棒的个数确定，变化范围为10～300个。

(4)上位环形输气管1和下位环形输气管3的内径均可调节，变化范围为：20～80mm。

(5)上位环形输气管1和下位环形输气管3所开设的出气孔的形状为圆形或椭圆形，孔直径范围：5～20mm。

(6)上位环形输气管1输出气幕与垂直方向的夹角变化范围为：-30°～30°。

(7)下位环形输气管3输出气幕与水平方向的夹角变化范围为-45°～45°。

(8)上位环形输气管1输出气幕与下位环形输气管输出气幕的夹角范围：30°～150°。

(9)合金棒均布个数为3～15根；

(10)合金棒的直径范围为：10～80mm。

本发明提供的一种环形排布对撞式气流雾化钛合金粉末制取设备，具有以下优点：

(1)同时可进行多根合金棒的熔化和雾化过程，提高了雾化效率，增加了产量；

(2)采用上下两个环形输气管产生气幕对撞的方式，加强了雾化的冲击强度，增加了细粉收得率；

(3)将雾化气体由单一的撞击点分解为多个撞击点，由多个方向撞击转化为两个方向撞击，避免了多点撞击产生的能量消耗，节约气体的整体用量；

(4)多点撞击多处液滴，造成腔内温度提升，可避免过度极冷导致的细粉率降低现象。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。