气体雾化制粉工艺中基于气体整流的卫星粉控制技术

金属熔体气体雾化法是制备增材制造专用金属粉末的重要方法。然而,气体雾化工艺制得的粉末中通常混有大量卫星粉,对金属增材制造工艺产生不利影响。本文通过施加辅助气流并采用阶梯状雾化室结构等气体整流措施抑制回流区中的粉尘回旋,进而控制卫星粉的形成。利用计算流体力学软件ANSYS Fluent进行数值模拟,研究施加辅助气流或采用阶梯状雾化室结构时,雾化室内宏观流场特征以及颗粒运动轨迹的变化规律。结果表明,在雾化室顶部距雾化室中心R/2(R为雾化室半径)处施加辅雾比(辅助气流与雾化气流的流量比)大于0.8的辅助气流时能够有效抑制回流区中的粉尘回旋;采用阶梯宽为300 mm、高为575～600 mm的雾化室结构能够有效抑制回流区中的粉尘回旋。根据数值模拟结果,采用气体整流措施制备TC4钛合金粉末,并检测粉末的粒径分布、球形度、赘生物指数等指标,发现与不采用气体整流措施制备的粉末相比,赘生物指数降低约45%。     

基于回流区特性的气雾化喷嘴设计及流场结构模拟

本文设计了一种laval喷管结构雾化器,并利用CFD软件模拟研究了雾化气压P、雾化气体温度T、气体喷口孔心距D、气体喷射角度α以及导流管伸出长度d五大因素对流场结构的影响。结果表明:laval喷管雾化流场结构与狭缝喷嘴不同,气流喷出后不发生膨胀,不形成闭涡结构;随着P的增大,流场速度增加,区域扩大,回流区静态压力Ps不随P变化而变化;增加气体温度T可以提升流场速度和流场温度;气体喷口孔心距D会影响回流区压力和流场速度;增大气体喷射角度α可以提升流场速度,同时会导致回流区压力升高;随着导流管伸出长度d的增加,回流区静压先下降后升高。     

气体雾化制粉技术研究综述

气体雾化法制备的金属粉末具有粒度细小、球形度好、纯净度高的特点。近年来,随着3D打印技术的发展,气体雾化制粉技术受到广泛关注。总结了目前国内外对气体雾化制粉技术的研究进展,主要包括雾化工艺参数对粉末特性的影响以及气体雾化制粉过程中单相气体流场结构、高温熔体初次破碎过程和熔滴二次破碎过程的模拟仿真。     

气体雾化技术制备金属粉末研究综述

气体雾化技术已经成为生产高性能金属及合金粉末的主要方法,其中金属熔体的破碎机理和雾化工艺参数对所得粉体的性能有重要影响.为此,本文详细的综述了气雾化过程中金属熔体的破碎机理和影响粉体性能的因素,以期为气雾化技术的研究开发等提供一定的借鉴.     

雾化参数对H70黄铜粉粒度分布的影响

从气体动力学和流体力学分析了雾化气体压力、金属熔体温度和导液管内径对H70黄铜雾化粉末粒度分布的影响。结果表明：适当地提高气体压力和金属熔体温度或者减小导液管内径，均能使雾化粉末细粉量增加。当雾化气体压力为1．3MPa，金属熔体温度为1160℃，导液管内径为3．5mm时，所制得粉末的粒度分布最理想。     

紧耦合气雾化流场结构突变过程的数值模拟

紧耦合气雾化制粉过程中,当雾化气压超过某一临界值时,直管环缝型喷嘴的气雾化流场结构存在"开涡—闭涡"突变现象,雾化效果随之发生显著改变。该文采用数值模拟方法研究紧耦合喷嘴气体流场中开涡和闭涡结构特征及其突变行为,以及雾化介质类型和喷嘴几何结构参数(喷射顶角、导液管伸出长度和末端直径、环缝宽度)对临界雾化压力Pc的影响。结果表明:当雾化压力P略高于Pc时,马赫盘迅速截断回流区,流场结构由开涡向闭涡突变,并引起喷嘴熔体出口下方抽吸压力Pa骤降,突变前后抽吸压力差ΔPa约为30 kPa;雾化介质类型和喷嘴主要几何结构参数对Pc有显著影响,但对ΔPa无明显影响。     

一种雾化喷嘴的气体流动场特性及其影响因素

许多研究认为，雾化气体流动场的特性将影响熔融金属的破碎方式及液态颗粒尺寸和质量的分布，是决定产品显微组织与冶金质量的重要因素之一。该特性在很大程度上依赖于雾化喷嘴的结构，同时也跟工艺因素有关。本试验在不同的雾化状态下测量了导液管末端的压力值，雾化气体锥内轴向和径向的气流速度等，从而确认试验喷嘴的气体流动场特性及其影响因素。     

气体压力对雾化颗粒大小的影响

文章研究了气体压力大小在雾化粉末工艺过程中的影响。结果表明,在限制式的喷嘴结构中,当熔体温度、气流喷射角度确定的条件下,气体压力较小,雾化颗粒不能形成,熔体会在导管中凝固或形成倒锥形的粘结块;随着气体压力的增加,粉末球化程度增大,平均颗粒减小。     

电极感应熔化气雾化法制备高温合金粉末中非限制式喷嘴的结构优化设计

采用电极感应熔化气雾化制粉法（electrode induction gas atomization,EIGA）制备粉末过程中,非限制式喷嘴的结构设计直接决定气雾化粉末的质量;非限制式喷嘴结构中不合理的喷射角度常常会引起反喷、片状粉、细粉收率低等问题,严重影响粉末的生产效率和质量。采用商业计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）软件Fluent,以自主设计的第三代EIGA制备高温合金粉末装置中非限制式喷嘴为研究对象进行数值模拟建模,对带有气体回流区的非限制式喷嘴在熔体初次雾化过程中,喷射角度对反喷现象的影响以及反喷产生的机理进行了研究。结果表明,非限制式喷嘴射流角度过大时,熔体液滴会出现明显反喷现象;当非限制式喷嘴射流角度过小时,熔体液流雾化前过热度不足,生产的粉末球形度较差。因此,在优化设计非限制式喷嘴时,要应尽量控制气体回流区位置低于非限制式喷嘴熔体入口位置,保证合金熔体的过热度,同时防止反喷等现象。     

不同雾化压力下GH3536合金粉末制备和气雾化过程模拟

使用真空感应熔炼气体雾化方法，在不同雾化压力(7、8、9 MPa)下制备了球形GH3536合金粉末。通过使用多相流模型和离散相模型对喷嘴下方区域进行了数值模拟，再现了不同雾化气压下的一次雾化和二次雾化过程。实验和模拟的结果表明：回流区的气体速度和滞止压力随雾化气压的提高而增加，雾化气压的增加使粉末粒度不断减小，模拟结果与实验结果吻合，验证了雾化模型的可靠性。提高雾化气压可提高细粉收得率，但颗粒尺寸的减小和颗粒形貌的改变会对粉末的流动性能造成直接影响，在雾化压力8 MPa下制备的粉末具有最佳的流动性和松装密度，分别为14.34 (s·50g^-1)和4.728 g·cm^-3。     

金属粉末气雾化技术研究新进展

气雾化制粉技术因粉末球形度高、气体杂质含量低等优点已经成为现在一种重要的粉末制备方法。雾化过程可粗略分为破碎和凝固两部分,涉及传热,物质交换以及多相流相互耦合等复杂现象。目前,人们对与雾化机理以及工艺参数的控制方法没有系统认识,制约了气雾化技术快速发展和工业化生产。本文简述了气雾化制粉中合金熔体的破碎行为机理,总结了最近几年关于气体流场结构、雾化工艺参数优化和计算流体力学在气雾化技术中的研究新进展,并且介绍了一些新技术在气雾化研究中的应用。     

导流管长度和雾化压力对气体回流影响的数值模拟及实验研究

金属3D打印专用球形粉末普遍采用气雾化法制备,无坩埚电极感应气雾化技术（EIGA）制备的金属粉末具有氧增量低、细粉收得率较高、球形度高、流动性好等优点。实验对雾化喷嘴导流管底端的气流场进行了数值模拟,研究导流管长度和雾化压力对气体回流的影响,并通过雾化实验对模拟结果进行了验证。结果表明：导流管长度存在一临界值,当长度低于临界值时,雾化喷嘴环缝外侧气体的流速高于内侧气体的流速,气体易回流进入导流管内部,导致较多缺陷粉产生;长度高于临界值时,环缝内侧气体的流速高于外侧气体的流速,气体回流现象消失,缺陷粉数量大幅减少。雾化压力主要影响粉末的粒径,雾化压力越大,粉末粒径越小。     

紧耦合雾化制备Fe-13%Cr-3%W高温合金粉末

采用紧耦合气体雾化法制备Fe-13%Cr-3%W高温合金粉末,研究雾化气体压力和熔体过热度对粉末粒度及形貌的影响.结果表明,增加雾化气体压力和熔体过热度可以降低粉末的中位径,小于45 μm和小于20 μm粉末的收得率明显增加.粉末形貌均为球形,存在卫星结构粉末及不规则状粉末,雾化气体压力和过热度对形貌的影响不大.还分析了雾化参数对雾化过程及粉末粒度的影响机理.     

雾化气体和熔滴速度的研究

从理论与实验两方面研究了雾化气体流速场和雾化熵滴与气体流场的交互作用,建阙雾化气体和熔滴流速的数学模型,探讨了雾化熵滴对雾化气体流速的影响。     

金属雾化过程中气体流场动力学行为

利用流体动力学软件计算了喷射成形雾化室内气体的流场状态，分析了不同导液管出口长度对气体流动的影响，结果表明：雾化室内气体流速随轴向和轻向的位置变化而发生变化，距导液管出口处距离越远，气体速度越低，对于本文选用雾化器，当导液管出头长度小于1mm时，导液管内气体逆流，会造成金属反喷，导液管出口长度大于1mm时，导液管内气体向下流，产生对液态金属的抽吸作用，有利于喷射。     

气体雾化法钛粉末制造技术

气体雾化法制造金属粉末的方法一般是在坩埚内将原料熔化,通过坩埚底部的喷嘴将产生的熔波用高速气体喷射,使金属液成喷雾状,冷凝后生成金属粉末.关于钛的气体雾化法,住友·Sitix公司研究了感应熔融气体雾化(IPA)法,即在熔化棒状材料时,不使用坩埚,而是直接用高频感应线圈进行加热,使熔液滴流;将这种熔液流用高速的氩气喷射产生粉末.生产纯钛粉的棒状材料,使用致密的海绵钛来制造;由于原料的连续供应和连续熔炼、氩气的重复循环使用和最佳的喷雾状态,使得用气体雾化法最初就能够批量生产高质量、低价格的钛粉末.研究人员把这种粉末称之为低氧钛粉末(TILOP),它使住友公司的粉末产品增加了新的品种.     

增材制造用气雾化制粉工艺数值模拟及机理分析

本文采用计算流体力学的数值模拟计算手段,结合实际工业生产数据,分析了雾化气体温度和压强对气雾化工艺过程中超音速流场分布的影响,以及其对最终金属粉末细粉收得率的综合作用.研究结果表明,随着气体温度增加,雾化区域平均温度升高,雾化区域平均气流速度增加,理论上更容易制备细粉;另外,随着雾化气体压强的增加,温度升高促进细粉收得...     

耦合压力-气体雾化工艺制备微细球形铝合金粉末

介绍了一种耦合压力-气体雾化金属粉末制备工艺。在该工艺中,熔体在正压驱动下可以通过出口孔径较小的导流嘴,形成低维度的熔体射流,提高了粉末的细粉收得率。采用该工艺制备了AlSi10Mg合金粉末,雾化气压(2.0±0.3) MPa,在熔体上方施加正压(0.3±0.05)×10~5 Pa,选取导流嘴出口孔径2 mm,粒径53μm以下粉末的收得率达到40%;与市场上现有的国产及进口AlSi10Mg合金粉末相比,该工艺制备的粉末球形度较高,表面光滑,卫星粉较少;以该工艺生产的AlSi10Mg合金粉末为原料,制备的选取激光熔化成型件的室温拉伸性能优于进口粉末。该工艺能够解决高粘性熔体导流时可能发生的导流嘴堵塞问题。采用该工艺制备了含硅量18%～20%(质量分数)、含铁量5%～6%的改进2009铝合金粉末,在熔体上方施加正压驱动(0.4±0.05)×10~5 Pa,高粘性的铝合金熔体在熔化温度850℃时可以顺利通过出口孔径为4～2 mm的导流嘴;采用雾化气压(2.0±0.3) MPa,随着导流嘴出口孔径的减小,粉末的收得率(100μm以下)增加,粒度分布变窄,体积中值粒径降低;选取导流嘴出口孔径2 mm,粉末的收得率(100μm以下)达到80%,体积中值粒径(d_(50,3))约为55μm。     

喷射成形雾化器结构对流场的影响

采用美国商用流体力学软件(CFD)模拟了喷射成形雾化腔内气体流动状态,分析了四种不同雾化器喷管结构的流场特点。结果表明:在一定的压力和尺寸条件下,汇聚喷管结构的高速射流区域比汇聚发散结构喷管大,对气体加速作用较好;导流管末端气流速度影响抽吸气体流率,从而影响引流效果;和汇聚发散结构相比汇聚结构喷管更适合用于双层雾化器引流结构。     

平焰燃烧湍流场的冷热态比较

 应用粒子成像测速技术(PIV)对平焰燃烧湍流场及其对应的冷态流场进行了测量,对热态流场与相应冷态流场进行了对比分析。结果表明,与冷态流场相比,燃烧状况下流场的回流区宽度增加,回流速度明显增大;附壁射流区厚度变薄,附壁射流区内的径向速度持续增加。实验表明,在湍流燃烧中冷态流场模拟与实际燃烧过程的流动存在较大差异。由于燃烧使气体温度升高体积膨胀产生的推力对流场有很大影响,是不能忽略的。