#% 喷 嘴 结 构 对 气 雾 化 激 光 熔 覆 专 用 合 金 粉 末 的 影 响 :: :-(0. 郭 士 锐 姚 建 华 陈 智 君 楼 程 华 吴 涵 锋 浙 江 工 业 大 学 特 种 装 备 制 造 与 先 进 加 工 技 术 教 育 部 重 点 实 验 室 杭 州 %% 浙 江 工 业 大 学 激 光 加 工 技 术 工 程 研 究 中 心 杭 州 %% + C+! -BA7 + -( B( /002 ( 3(00A7(203(0 B(:%%-@-(3(0 ((A7(203(0B(:%%- 摘 要 针 对 气 雾 化 制 备 激 光 熔 覆 专 用 粉 末 的 问 题 调 整 粉 末 材 料 配 比 采 用 改 进 后 的 超 音 速 气 雾 化 喷 嘴 对 比 原 喷 嘴 进 行 气 雾 化 制 取 激 光 熔 覆 专 用 镍 基 合 金 粉 末 的 实 验 结 果 表 明 喷 嘴 是 影 响 雾 化 粉 末 的 重 要 因 素 随 着 喷 嘴 结 构 的 改 进 粉 末 的 平 均 粒 度 越 小 体 积 四 次 矩 平 均 径 和 平 均 直 径 越 小 即 颗 粒 越 细 与 此 同 时 粉 末 的 流 动 性 更 好 松 装 比 更 大 粉 末 的 有 效 雾 化 率 高 符 合 激 光 熔 覆 的 要 求 关 键 词 激 光 熔 覆 气 雾 化 镍 基 粉 末 喷 嘴 粒 径 %466744%%84%4%94%% 中 图 分 类 号 3#46638%4 文 献 标 识 码 文 章 编 号 %%8%%9%%#%% (.(0(: 7.(:::D..(02::43.(:(::(:4 2::2 4.:4..2 0(0:0. (4!((:.::: 激 光 熔 覆 技 术 可 以 显 著 提 高 金 属 材 料 的 表 面 耐 磨 耐 蚀 耐 高 温 抗 氧 化 等 性 能 它 是 一 种 经 济 效 益 较 高 的 表 面 改 性 技 术 可 以 大 幅 度 降 低 材 料 成 本 并 节 约 贵 重 稀 有 金 属 材 料 具 有 非 常 广 阔 的 工 程 应 用 前 景 激 光 熔 覆 是 一 个 复 杂 的 物 理 化 学 冶 金 过 程 是 一 种 对 裂 纹 敏 感 的 工 艺 在 考 察 各 因 素 对 激 光 熔 覆 层 裂 纹 敏 感 性 的 影 响 时 发 现 熔 覆 材 料 的 影 响 排 在 首 9 位 激 光 熔 覆 材 料 所 用 的 粉 末 体 系 一 直 都 是 沿 用 热 喷 涂 粉 末 热 喷 涂 合 金 由 于 元 素 含 量 等 问 题 由 于 在 激 光 熔 覆 时 激 光 熔 池 寿 命 短 低 熔 点 的 硼 硅 酸 盐 往 往 来 不 及 浮 到 熔 池 表 面 而 残 留 在 涂 层 内 在 冷 却 过 程 中 形 成 液 态 薄 膜 加 剧 涂 层 的 开 裂 所 以 说 热 喷 涂 粉 末 用 于 9% 激 光 熔 覆 是 不 科 学 的 气 体 雾 化 技 术 是 生 产 合 金 粉 末 的 主 要 方 法 雾 化 粉 末 具 有 球 形 度 高 粉 末 粒 度 可 控 氧 含 量 低 以 及 适 应 生 产 多 种 金 属 合 金 粉 末 的 优 点 已 成 为 特 种 合 金 粉 末 制 备 技 术 的 主 要 发 展 方 向 但 是 气 雾 化 制 取 适 于 激 光 熔 覆 专 用 粉 末 的 粒 径 范 围 等 参 数 的 研 究 却 很 少 有 人 涉 及 过 因 此 本 工 作 选 用 实 验 室 粉 末 配 比 体 系 利 用 气 雾 化 制 取 激 光 熔 覆 粉 末 研 究 喷 嘴 结 构 对 粉 末 粒
! 喷嘴结构对气雾化激光熔覆专用合金粉末的影响 : 径范围的影响!目的是制备有合适的粒度%球形度高与 嘴 是 自 由 落 体 式 喷 嘴!喷 嘴 中 无 导 液 管!喷 嘴 雾 化 角 流动性好%松装比大的激光熔覆专用粉末 度 为 <; b 改 进 后 喷 嘴 为 限 制 式 超 音 速 喷 嘴!采 用 IP 型 出 口!缝 隙 为 7R //!超 音 速 雾 化 气 体 从 环 缝处 喷 出 另 外 改 进 后 的 喷 嘴 加 入 了 陶 瓷 导 液 管! 实验 导 液 管 末 端 直 径 ;//#和 辅 助 风 孔 通 孔 直 径 6! 实验设备 分别在实验室原有喷嘴 与 自 行 改 进 设 计 的 超 音 7 ^//#!气 体 可 通 过 通 孔 向 下 流 动!维 持 喷 嘴 出 口 附 近 气 压 平 衡!减 少 紊 流 作 用!使 超 音 速 喷 嘴 的 增 压 速 限 制 式 雾 化 喷 嘴 和 雾 化 装 置 上!采 用 垂 直 向 下 喷 和吸动现象导致雾化不充分的问题得到解决改 进 粉的方法制备镍基合金粉末本实验原喷嘴及 改 进 后 喷 嘴 雾 化 角 度 为 << b!解 决 了 原 有 喷 嘴 在 制 粉 中 由 后 的 喷 嘴 结 构 如 图 : 所 示!它 们 的 主 要 区 别 为 原 喷 于高气压堵嘴的问题 图 :! 雾化喷嘴示意图! #原雾化喷嘴 J#改进后的喷嘴 :!9#./ #% 0 %/ +@+%! # % + +% J#,P %N,+% @R @ 6! 实验材料 自开展激光熔覆 技 术 研 究 以 来!最 先 选 用 的 熔 覆 6 7! 雾化实验 为了研究喷嘴参 数 对 雾 化 粉 末 的 影 响!在 工 艺 参 材料就是铁基%钴 基 和 镍 基 自 熔 性 合 金 粉 末 镍 基 自 数一定的条件下!分 别 用 原 有 喷 嘴 与 改 进 后 的 喷 嘴 进 熔性合金粉末以其良好的润湿性%耐蚀性%高温自润滑 行气雾化实验首先称取经过配比且质量一定的镍基 作用和适中的价格在 激 光 熔 覆 材 料 中 研 究 最 多%应 用 合金!配成炉料放入中频感应炉中!电炉的温度用热电 最广 :6 因此!本实验选取镍基自熔 性 合 金 材 料 作 为 偶测量!经过 6. 的熔 化 升 温!当 合 金 完 全 熔 融 且 恒 定 在过热度 :7`!雾化压力 稳 定 在 W!] 时!进 行 气 雾 气雾化制备激光熔覆专用粉末的首选材料 由于激光熔覆材料的粉末体系沿用热喷涂粉末是 化实验实验采用氮气雾化法制备粉末微观观察主 不科学的!现有的解 决 办 法 之 一 是 在 通 用 的 热 喷 涂 粉 要是通过 39!? ;:7 型扫描电 镜 来 观 察 粉 末 的 表 面 光 末基础上调整成分!在保证使用性能的要求下!尽量降 滑度%球形度用霍尔 流 量 计 与 松 装 密 度 仪 分 别 测 量 低 8! 9! E 的 含 量!减 少 熔 覆 层 及 基 材 表 面 过 渡 层 中 粉末的流动性与松装比 产生裂纹的 可 能 性 V 鉴 于 此!本 实 验 将 使 用 自 行 研 制的镍基自熔性合金 材 料 的 配 比!用 于 气 雾 化 制 取 激! 结果与讨论 光熔覆专用粉末其材料成分如表 : 所示 6! 喷嘴结构对粉末粒度的影响 将各喷嘴 所 生 产 的 :Z@ 镍 基 粉 末 分 别 利 用 7! 表! 合金材料化学成分#质量分数%E :77! :<7! S67! 77 目 系 列 标 准 筛 对 雾 化 粉 末 进 行 筛 分!得 出 筛 分 结 果!如 图 6 所 示 图 6 是 质 量 频 率?颗 QJ :!E./ # # %/N% & %+% 0 %H/ / & &0 # %+(\ # E!+ 8 2 - E > 粒直径曲线!其中横轴为颗粒直径!纵轴为任意尺寸范 7R 7R :R 6 SR T :; 8 围单位尺寸的质量百分率!也即
# %& & 式 中 & 为 此 尺 寸 范 围 粉 末 的 平 均 直 径 为 此 尺 寸 范 围 粉 末 的 质 量 & 为 粒 径 最 大 值 与 最 小 值 的 差 值 为 粉 末 的 总 质 量 图 所 示 是 镍 基 合 金 粉 末 筛 下 累 积 百 分 数 对 粉 末 粒 径 对 数 的 圆 滑 曲 线 其 中 横 轴 为 对 数 坐 标 纵 轴 为 概 率 坐 标 图 不 同 喷 嘴 下 镍 基 粉 末 的 频 率 曲 线 (402.0:: 金 粉 末 粒 径 依 次 减 小 用 平 均 粒 度 大 小 即 中 位 径 体 积 四 次 矩 平 均 径 和 平 均 直 径 来 表 示 颗 粒 的 粗 细 中 位 径 是 筛 下 累 积 质 量 分 数 为 #% 相 对 应 的 颗 粒 直 径 和 的 值 可 通 过 公 式 计 算 公 式 中 对 粉 末 中 的 粗 颗 粒 比 较 敏 感 为 为 表 面 积 体 积 平 均 径 对 粉 末 的 细 颗 粒 比 较 敏 感 对 粉 末 作 一 个 全 面 的 评 估 可 采 用 这 两 个 参 数 和 为 粉 末 的 质 量 为 筛 取 粉 末 各 粒 度 范 围 的 平 均 直 径 其 表 达 式 为 %%% %%% 原 喷 嘴 与 改 进 后 喷 嘴 所 制 得 的 粉 末 的 结 果 分 别 列 于 表 中 从 表 明 显 看 出 随 着 喷 嘴 结 构 的 改 进 和 的 值 均 减 小 即 镍 基 合 金 粉 末 颗 粒 越 细 通 过 对 比 相 同 工 艺 参 数 下 不 同 喷 嘴 所 制 的 粉 末 发 现 改 进 后 的 喷 嘴 在 激 光 熔 覆 适 用 粉 末 粒 度 范 围 内 %;% 目 # 的 粉 末 收 得 率 提 高 其 原 因 是 熔 体 在 限 制 式 喷 嘴 流 出 前 通 过 导 液 管 而 受 气 流 紊 流 的 影 响 较 少 并 且 流 出 后 与 气 体 碰 撞 的 距 离 缩 短 熔 体 流 出 导 液 管 就 被 气 体 冲 击 雾 化 大 大 降 低 了 气 体 的 能 量 损 耗 因 此 气 体 的 能 量 转 换 效 率 得 到 提 高 熔 融 的 金 属 也 越 容 易 破 碎 表 不 同 喷 嘴 下 镍 基 粉 末 颗 粒 尺 寸 图 不 同 喷 嘴 筛 下 累 积 百 分 率 对 粒 径 的 曲 线 (4-22.0:: 在 图 中 都 出 现 两 条 具 有 个 峰 的 曲 线 符 合 气 雾 化 制 取 粉 末 两 次 破 碎 的 机 理 从 图 容 易 看 出 改 进 后 喷 嘴 制 得 的 粉 末 频 率 峰 值 大 于 原 喷 嘴 制 得 的 粉 末 频 率 说 明 改 进 后 喷 嘴 的 两 次 破 碎 的 雾 化 效 率 都 明 显 大 于 原 喷 嘴 同 时 在 粉 末 颗 粒 直 径 小 于 %% 时 改 进 后 喷 嘴 在 相 同 颗 粒 下 对 应 质 量 分 数 也 大 于 原 喷 嘴 说 明 改 进 后 的 喷 嘴 所 制 得 的 粉 末 更 细 从 图 可 以 看 出 粉 末 颗 粒 粒 度 的 分 布 基 本 上 呈 直 线 这 说 明 颗 粒 粒 度 的 分 布 服 从 对 数 正 态 分 布 规 律 同 气 雾 法 制 备 粉 末 的 一 般 规 律 相 符 合 同 时 由 图 易 看 出 当 喷 嘴 结 构 改 变 后 相 同 筛 下 累 积 百 分 数 所 对 应 的 颗 粒 直 径 依 次 增 大 这 表 明 随 着 雾 化 喷 嘴 结 构 的 改 变 镍 基 合 3:.0 :: :: +(:: 964 4# #84 2:: 4%% %846 49# 粉 末 微 观 分 析 分 别 选 取 原 有 喷 嘴 与 和 改 进 后 的 喷 嘴 所 制 取 的 %;% 目 镍 基 粉 末 在 扫 描 电 镜 下 放 大 %% 倍 由 图 可 以 看 出 喷 嘴 在 改 进 之 前 粉 末 只 是 近 球 形 有 异 形 粉 末 的 出 现 但 是 在 喷 嘴 改 进 之 后 如 图 所 示 粉 末 几 乎 全 呈 规 则 的 球 形 其 原 因 是 改 进 后 的 喷 嘴 雾 化 过 程 更 稳 定 雾 化 介 质 进 入 雾 化 器 集 流 腔 然 后 绕 集 流 腔 壁 高 速 旋 转 在 喷 嘴 出 口 处 通 过 2 喷 嘴 雾 化 介 质 的 速 度 超 过 音 速 压 力 大 大 降 低 形 成 负 压 熔 化 炉 内 的 液 态 金 属 通 过 导 液 管 被 吸 入 雾 化 室 与 高 速 气 流 撞 击 而 被 粉 碎 成 小 液 滴 同 时 超 音 速 流 动 的 气 体 产 生 的 激 波 对 吸 入 的 液 态 金 属 流 也 有 粉 碎 作 用 从 而 产 生 的 粉 末 球 形 度 比 较 高 由 于 喷 嘴 内 部 增 加
喷 嘴 结 构 对 气 雾 化 激 光 熔 覆 专 用 合 金 粉 末 的 影 响 # 图 镍 基 粉 末 形 貌 原 喷 嘴 所 制 粉 末 改 进 喷 嘴 所 制 粉 末 (4(0.(::2:: 导 液 管 气 体 作 用 在 熔 体 上 的 能 量 更 多 加 强 了 雾 化 气 流 和 金 属 液 流 的 动 力 交 互 作 用 使 得 雾 化 效 果 更 好 从 而 粉 末 的 形 状 更 均 匀 更 规 则 % 流 动 性 及 松 装 比 用 霍 尔 流 量 计 来 分 别 测 量 # 次 #%(%;% 目 的 原 喷 嘴 和 改 进 后 喷 嘴 所 制 粉 末 全 部 流 失 所 需 的 时 间 取 平 均 值 另 用 松 装 密 度 仪 分 别 测 量 每 个 参 数 下 制 得 粉 末 的 松 装 比 # 次 取 平 均 值 测 试 结 果 如 表 所 示 表 % 不 同 喷 嘴 下 的 粉 末 测 定 33.0::.0 0 :: ( ( +(:: 4 46 2:: 94 4# 激 光 熔 覆 合 金 粉 末 要 求 流 动 性 好 松 装 比 大 从 表 中 可 以 看 出 随 着 喷 嘴 结 构 的 改 进 粉 末 有 更 好 的 流 动 性 松 装 比 也 更 大 % 结 论 喷 嘴 结 构 是 影 响 雾 化 粉 末 的 重 要 因 素 雾 化 喷 嘴 结 构 的 改 进 粉 末 的 粒 度 分 布 有 较 大 的 变 化 适 合 激 光 熔 覆 粒 度 分 布 内 的 粉 末 收 得 率 增 大 即 雾 化 效 率 提 高 通 过 喷 嘴 结 构 的 改 进 所 制 得 的 适 于 激 光 熔 覆 粉 末 具 有 球 形 度 高 流 动 性 好 和 松 装 比 大 等 优 点 满 足 激 光 熔 覆 专 用 粉 末 的 要 求 参 考 文 献 徐 滨 士 刘 世 参 4 表 面 工 程 新 技 术 4 北 京 国 防 工 业 出 版 社 %%4%84 程 广 萍 何 宜 柱 4 激 光 熔 覆 镍 基 合 金 与 铝 反 应 合 成 金 属 间 化 合 物 覆 层 的 研 究!4 材 料 工 程 %%64 -B ((B C:4( 0(0:. 0!4!((%%64!@!-B@&@4 (&-&--!4 -(3(0%%%%4 C+!/+/+ AB?4 ((.:0!4 ((0%% 9%4 #@3400( (!4-(3(0%%6 %%94?(AB.3(4-0!4 -(3(0%%9#4 9 李 春 彦 张 松 康 煜 平 等 4 综 述 激 光 熔 覆 材 料 的 若 干 问 题!4 激 光 杂 志 %%#64-0AB (/ C(4-0(!4!%% #64 8 董 世 运 马 运 哲 徐 滨 士 等 4 激 光 熔 覆 材 料 研 究 现 状!4 材 料 导 报 %%%#64 +0 C:,&4- (!4@2.%%% #64 6 赵 栋 4 镍 基 合 金 激 光 熔 覆 技 术 若 干 问 题 研 究 4 郑 州 郑 州 大 学 %%4 % 吴 健 4 影 响 激 光 熔 覆 层 品 质 的 主 要 因 素 分 析!4 机 械 制 造 及 自 动 化 %%##4!430(0 (0:(!4 &( %%##4 + + 4:.!4.@666##94 娄 德 元 贺 春 林 陈 江 等 4 激 光 熔 覆 镍 钴 基 涂 层 性 能 比 较 研 究!4 热 加 工 工 艺 %%68##4 + 0B--B!(40 (0(!4 B (3(0%%68##4 下 转 第 % 页
% 2!4%%84 (2!4-%%6 魏 云 鹤 主 沉 浮 于 萍 等 4 暂 态 线 性 极 化 技 术 研 究 与 2 的 耐 蚀 性 能!4 材 料 工 程 %%9964 C BAB -C 40 A2(. (2:!4!( (%%9964 #-BH@A -/@ B-B@ 4-0A(0!4-%%#9964 /+3 3!@ 3 3& /4B A(D 4 #%&6664 9 +@+3+ CB+ /B@ /4D A( 0 (2: 0!43%%894 83+ /B-B42: 0.( A!4368##694 6B+ BB@ /+/+ 342 A((2:0:2( D!4366696 94 % 孔 纲 刘 仁 彬 车 淳 山 等 4 锌 浴 温 度 对 %46 活 性 钢 热 浸 镀 锌 层 组 织 的 影 响!4 材 料 工 程 %%884 /+ @&-B-4: (2:%462!4!((%%884 33 B@ /B & (0 A(A(0(!4-(3(0%%%#9#98 ###4 # +@+3+ C-33B 4-: 0(B (2(!4!669966% 64 庞 建 超 马 瑞 娜 温 鸣 等 4 钢 丝 单 镀 合 金 耐 蚀 性 能 研 究!4 河 北 工 业 大 学 学 报 %%#988%4!- @ 40 0(.(.!4!B203(0%%#98 8%4 9 宋 人 英 王 兴 杰 唐 宝 骧 等 4@ 对 锌 基 合 金 镀 层 耐 腐 蚀 性 能 的 影 响!4 中 国 稀 土 学 报 66#84 8 3 3@+ 4-( ( (2:(!4- (3(0%%#9984 6/&&@ @B@+3@4 32(( (2:(!430 %%6%9#4 %B+@3 @-@!@4(0 0( (2:((2(!43 0%%8684 3 C @430 (0A -- 3664#4 苏 旭 平 李 智 尹 付 成 等 4 热 浸 镀 中 硅 反 应 性 研 究!4 金 属 学 报 %%89894,AC-4020 (2:(!4 (%%898 94 #84 @ 3/ 4A0.. (!43@ %%96984 &@C-/@ 4A(0(0 04&( 20%%#4 -B@A -B@ -/@ B4-2A( 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 #9%#%69%#%% 收 稿 日 期 %%% 修 订 日 期 %% 作 者 简 介 童 晨 68 男 硕 士 研 究 生 主 要 从 事 材 料 热 力 学 及 材 料 表 面 改 性 研 究 0(4 通 讯 作 者 苏 旭 平 6 男 教 授 博 士 生 导 师 主 要 从 事 材 料 热 力 学 及 材 料 表 面 改 性 研 究 联 系 地 址 江 苏 省 常 州 市 常 州 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院 D(:44 上 接 第 # 页 基 金 项 目 国 家 国 际 科 技 合 作 项 目 %@%% 浙 江 省 公 益 技 术 应 400. 用 研 究 国 际 科 技 合 作 项 目 %-%% 0(:!4. 收 稿 日 期 %%#% 修 订 日 期 (066%##4 %%6# 作 者 简 介 郭 士 锐 68 男 博 士 研 究 生 主 要 从 事 激 光 加 工 技 术 研 4::.!43 究!.(066%4 7%4 # 唐 英 杨 杰 4 激 光 熔 覆 镍 基 粉 末 涂 层 的 研 究!4 热 加 工 工 艺 通 讯 作 者 姚 建 华 6# 男 教 授 博 士 生 导 师 主 要 从 事 激 光 加 工 技 术 研 究 联 系 地 址 浙 江 省 杭 州 市 潮 王 路 %%4 8 号 浙 江 工 业 大 学 激 光 加 工 技 术 工 程 研 究 中 心 3 C(C!40(0 %%:744.(!4B (3(0%% 4