超声驻波阵列雾化熔融金属进行微粉制备的装置及方法

1.本发明属于金属雾化微粉制备领域，具体涉及一种超声驻波阵列雾化熔融金属进行微粉制备的装置及方法。


背景技术：

2.超声驻波雾化采用两个超声换能器发射极相对布置，相对发射的两组超声波形成驻波场，使流入其中的液体进行破碎，无气体的大量消耗，在粉末制备领域具有很好的应用前景。
3.现有技术中有采用一对超声换能器发射极相对发射超声波，圆柱形液流进入超声驻波场波节位置，产生变形并在变扁的裙边破碎成液滴，液体在表面张力作用下形成球形，冷却后形成金属粉末。
4.由于流入驻波声场中的圆柱形液流产生变形、破碎、雾化需要消耗大量声场能量，且超声波在气体介质中传播已经进行了耗散，使得超声驻波场雾化的能量利用率大大降低，因此单一的超声驻波场进行液流雾化成粉的效率较低，需要较小直径的液流及较小的质量流量才能取得较好的雾化制粉效果。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种超声驻波阵列雾化熔融金属进行微粉制备的装置及方法，以解决现有技术中由于超声驻波场雾化的能量利用率低导致的粉末雾化不完全，雾化效率低等问题。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
7.超声驻波阵列雾化熔融金属进行微粉制备的装置，包括超声波电源、高温熔炉、出料输送管、气体屏障幕喷嘴、粉末收集箱、雾化密封室、惰性气体气瓶、雾化密封室气压控制系统及两组超声换能器；所述两组超声换能器均水平密封穿过雾化密封室的侧壁设置在雾化密封室内，所述高温熔炉固定在雾化密封室内的顶盖上，高温熔炉的顶端与设置在雾化密封室顶盖上的熔炉进料口连通，高温熔炉的底部设有出料输送管，所述粉末收集箱设置在雾化密封室内的底部，并位于出料输送管的下方，所述雾化密封室依次与雾化密封室气压控制系统及惰性气体气瓶连接，所述气体屏障幕喷嘴也依次与雾化密封室气压控制系统及惰性气体气瓶连接，所述超声波电源与两组超声换能器电连接；
8.每组超声换能器均包括主超声换能器和多个辅助超声换能器，两组超声换能器的主超声换能器相对设置，每组超声换能器的多个辅助超声换能器以所述主超声换能器为中心呈圆周阵列设置，两组超声换能器的多个辅助超声换能器一一对应设置，每组超声换能器的主超声换能器的工具头端部与出料输送管之间设置有气体屏障幕喷嘴。
9.利用超声驻波阵列雾化熔融金属进行微粉制备的装置实现超声驻波阵列雾化熔融金属进行微粉制备的方法，所述方法包括以下步骤：
10.步骤一；先对高温熔炉、进料输送管、主超声换能器的工具头以及辅助超声换能器
的工具头进行清洗，对待雾化的固体金属原料进行清洁处理，去除杂质和表面氧化物；
11.步骤二；将清洁处理后的固体金属原料放入高温熔炉内进行熔炼，熔炼温度高于金属熔点50-100℃；
12.步骤三；通过雾化密封室气压控制系统控制惰性气体气瓶对雾化密封室内充气，使雾化密封室内气压达到熔融金属雾化所需的环境气压值；
13.步骤四；打开气体屏障幕喷嘴，打开超声波电源的开关，使得两组超声换能器的主超声换能器的工具头以及辅助超声换能器的工具头的发射极产生超声波，在相对设置的两个主超声换能器的工具头的发射极之间以及一一对应设置的辅助超声换能器的工具头的发射极之间形成超声驻波场；
14.步骤五；利用压差控制从出料输送管流出的液流流量，使熔融金属液流流入超声驻波场压力节点处，由主超声换能器产生的驻波场提供的能量使得熔融金属液流进一步压扁后发生破碎，在熔融金属液流变扁的裙边处由辅助超声换能器形成的超声驻波场对熔融金属液流进一步雾化形成小液滴，小液滴在飞行过程中凝固成粉末，完成雾化过程，雾化产生的金属粉末用粉末收集箱进行收集。
15.本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提供的超声驻波阵列雾化熔融金属进行微粉制备的装置及方法将使得现有制粉技术实施过程中能量利用率、球形度、粒度可控度、粒度范围得到优化，且达到制粉过程中的抗污染抗氧化性大大提高的效果。本发明具有能量利用率高，粉末雾化完全，雾化效率高等特点。
附图说明
16.图1为本发明的超声驻波阵列雾化熔融金属进行微粉制备的装置的主视结构示意图；
17.图2为两组超声换能器布置的结构示意图；
18.图3为图2的左视图；
19.图4为出料输送管的中心孔为圆柱形孔的结构示意图；
20.图5为出料输送管的中心孔为扁形孔的结构示意图。
21.上述附图中涉及的部件名称及标号如下：
22.1-超声波电源、2-超声换能器、2a-主超声换能器、2b-辅助超声换能器、3-高温熔炉、4-熔炉进料口、5-出料输送管、51-圆柱形孔、52-扁形孔、6-气体屏障幕喷嘴、7-粉末收集箱、8-雾化密封室、9-惰性气体气瓶、10-雾化密封室气压控制系统、12-熔融金属液流。
具体实施方式
23.具体实施方式一：如图1-图3所示，本实施方式披露了一种超声驻波阵列雾化熔融金属进行微粉制备的装置，包括超声波电源1、高温熔炉3、出料输送管5、气体屏障幕喷嘴6、粉末收集箱7、雾化密封室8、惰性气体气瓶9、雾化密封室气压控制系统10及两组超声换能器2；所述两组超声换能器2均水平密封穿过雾化密封室8的侧壁设置在雾化密封室8内，所述高温熔炉3固定在雾化密封室8内的顶盖上(雾化密封室8包括顶盖及与顶盖密封连接的腔室)，高温熔炉3的顶端与设置在雾化密封室8顶盖上的熔炉进料口4连通，高温熔炉3的底部设有出料输送管5，所述粉末收集箱7设置在雾化密封室8内的底部，并位于出料输送管5
的下方，所述雾化密封室8依次与雾化密封室气压控制系统10及惰性气体气瓶9连接(雾化密封室气压控制系统10用于控制雾化密封室8内的气体压力)，所述气体屏障幕喷嘴6也依次与雾化密封室气压控制系统10及惰性气体气瓶9连接，所述超声波电源1(输出稳定连续可调的电信号)与两组超声换能器2电连接，
24.每组超声换能器2均包括主超声换能器2a和多个辅助超声换能器2b，两组超声换能器2的主超声换能器2a相对设置，每组超声换能器2的多个辅助超声换能器2b以所述主超声换能器2a为中心呈圆周阵列设置(即圆周均布设置)，两组超声换能器2的多个辅助超声换能器2b一一对应设置，每组超声换能器2的主超声换能器2a的工具头端部与出料输送管5之间设置有气体屏障幕喷嘴6(可防止雾化粉末附着在主超声换能器2a的工具头表面)。
25.具体实施方式二：如图1-图3所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述两组超声换能器2的主超声换能器2a位于出料输送管5下方，两组超声换能器2的主超声换能器2a的轴线与出料输送管5的轴线相交(两组超声换能器2产生的超声驻波用以对出料输送管5流出的熔融金属液流12进行压扁形成扁片，并在边缘处产生破碎)。
26.具体实施方式三：如图1、图2所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述两组超声换能器2的每两个一一对应的辅助超声换能器2b的安装轴线与被所述主超声换能器2a产生的声场所压扁的熔融金属液流12的边缘相交(进一步对熔融金属液流12的边缘施以声压，使其更进一步雾化成微小液滴)。
27.具体实施方式四：如图1-图3所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述两组超声换能器2的主超声换能器2a产生的主超声波频率均为20khz(为较低频率。大振幅，振幅能达到50微米及以上，用以对熔融金属液流12进行初步压成扁形，并在熔融金属液流12的边缘处产生破碎)；两组超声换能器2的辅助超声换能器2b产生的辅助超声波频率均高于20khz(为较高频率，频率一般能达到30-80khz，用以对金属熔融液流12的扁片边缘处进行进一步雾化获取微细液滴)。
28.具体实施方式五：如图1、图2、图4及图5所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述出料输送管5的中心孔采用扁形孔52，使产生的熔融金属液流12初始状态即为扁形液流(出料输送管5的中心孔通常采用圆柱形孔51，将圆柱形孔51设计为扁形孔52，熔融金属液流12形成扁形液流进入超声驻波场进行雾化，以进一步提升雾化效果，提高超声波雾化效率)。
29.具体实施方式六：如图1-图3所示，本实施方式是一种利用具体实施方式一至五中任一具体实施方式所述的装置实现超声驻波阵列雾化熔融金属进行微粉制备的方法，所述方法包括以下步骤：
30.步骤一；先对高温熔炉3、进料输送管5、主超声换能器2a的工具头以及辅助超声换能器2b的工具头进行清洗(用擦拭等方法，去除工具头表面杂质)，对待雾化的固体金属原料进行清洁处理(采用机械方式清洁处理)，去除杂质和表面氧化物；
31.步骤二；将清洁处理后的固体金属原料放入高温熔炉3内进行熔炼，熔炼温度高于金属熔点50-100℃；
32.步骤三；通过雾化密封室气压控制系统10控制惰性气体气瓶9对雾化密封室8内充气，使雾化密封室8内气压达到熔融金属雾化所需的环境气压值(5-10bar)；
33.步骤四；打开气体屏障幕喷嘴6，打开超声波电源1的开关，使得两组超声换能器2
的主超声换能器2a的工具头以及辅助超声换能器2b的工具头的发射极产生超声波，在相对设置的两个主超声换能器2a的工具头的发射极之间以及一一对应设置的辅助超声换能器2b的工具头的发射极之间形成超声驻波场；
34.步骤五；利用压差控制从出料输送管5流出的液流流量，使熔融金属液流12流入超声驻波场压力节点处，由主超声换能器2a产生的驻波场提供的能量使得熔融金属液流12进一步压扁后发生破碎，在熔融金属液流12变扁的裙边处由辅助超声换能器2b形成的超声驻波场对熔融金属液流12进一步雾化形成小液滴，小液滴在飞行过程中凝固成粉末，完成雾化过程，雾化产生的金属粉末用粉末收集箱7进行收集。
35.由超声波电源1、两组超声换能器2的主超声换能器2a以及辅助超声换能器2b组合构成超声驻波发生装置；
36.由高温熔炉3、熔炉进料口4及出料输送管5组合构成进料装置；所述出料输送管5的中心孔为扁形孔52。
37.由气体屏障幕喷嘴6及粉末收集箱7组合构成粉末收集装置；
38.由雾化密封室8、惰性气体气瓶9及雾化密封室气压控制系统10构成密封及气体填充装置。惰性气体气瓶9一般充入的是氮气。
39.超声波电源1输出一组功率稳定连续可调，同时控制两组电学特性和声学特性相同的超声换能器2，超声波电源1输出另一组功率同时控制电学特性和声学特性相同的两组超声换能器2的主超声换能器2a，两组超声换能器2均为压电陶瓷换能器或磁致伸缩换能器。
40.出料输送管5位于两组超声换能器2之间的中间位置的正上方，将高温熔炉3内的熔融金属液流12引入到两组超声换能器2产生的驻波场中。
41.雾化金属粉末的粒度分布及尺寸大小，可由主超声波频率及振幅、辅助超声波频率及振幅、环境背压、超声波辐射面距离、主超声换能器2a的工具头以及辅助超声换能器2b的工具头形状及尺寸来控制。
42.以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围，并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种超声驻波阵列雾化熔融金属进行微粉制备的装置，包括超声波电源(1)、高温熔炉(3)、出料输送管(5)、气体屏障幕喷嘴(6)、粉末收集箱(7)、雾化密封室(8)、惰性气体气瓶(9)、雾化密封室气压控制系统(10)及两组超声换能器(2)；所述两组超声换能器(2)均水平密封穿过雾化密封室(8)的侧壁设置在雾化密封室(8)内，所述高温熔炉(3)固定在雾化密封室(8)内的顶盖上，高温熔炉(3)的顶端与设置在雾化密封室(8)顶盖上的熔炉进料口(4)连通，高温熔炉(3)的底部设有出料输送管(5)，所述粉末收集箱(7)设置在雾化密封室(8)内的底部，并位于出料输送管(5)的下方，所述雾化密封室(8)依次与雾化密封室气压控制系统(10)及惰性气体气瓶(9)连接，所述气体屏障幕喷嘴(6)也依次与雾化密封室气压控制系统(10)及惰性气体气瓶(9)连接，所述超声波电源(1)与两组超声换能器(2)电连接，其特征在于：每组超声换能器(2)均包括主超声换能器(2a)和多个辅助超声换能器(2b)，两组超声换能器(2)的主超声换能器(2a)相对设置，每组超声换能器(2)的多个辅助超声换能器(2b)以所述主超声换能器(2a)为中心呈圆周阵列设置，两组超声换能器(2)的多个辅助超声换能器(2b)一一对应设置，每组超声换能器(2)的主超声换能器(2a)的工具头端部与出料输送管(5)之间设置有气体屏障幕喷嘴(6)。2.根据权利要求1所述的超声驻波阵列雾化熔融金属进行微粉制备的装置，其特征在于：所述两组超声换能器(2)的主超声换能器(2a)位于出料输送管(5)下方，两组超声换能器(2)的主超声换能器(2a)的轴线与出料输送管(5)的轴线相交。3.根据权利要求1所述的超声驻波阵列雾化熔融金属进行微粉制备的装置，其特征在于：所述两组超声换能器(2)的每两个一一对应的辅助超声换能器(2b)的安装轴线与被所述主超声换能器(2a)产生的声场所压扁的熔融金属液流(12)的边缘相交。4.根据权利要求1所述的超声驻波阵列雾化熔融金属进行微粉制备的装置，其特征在于：所述两组超声换能器(2)的主超声换能器(2a)产生的主超声波频率均为20khz；两组超声换能器(2)的辅助超声换能器(2b)产生的辅助超声波频率均高于20khz。5.根据权利要求1所述的超声驻波阵列雾化熔融金属进行微粉制备的装置，其特征在于：所述出料输送管(5)的中心孔采用扁形孔(52)，使产生的熔融金属液流(12)初始状态即为扁形液流。6.一种利用权利要求1至5中任一权利要求所述的装置实现超声驻波阵列雾化熔融金属进行微粉制备的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一；先对高温熔炉(3)、进料输送管(5)、主超声换能器(2a)的工具头以及辅助超声换能器(2b)的工具头进行清洗，对待雾化的固体金属原料进行清洁处理，去除杂质和表面氧化物；步骤二；将清洁处理后的固体金属原料放入高温熔炉(3)内进行熔炼，熔炼温度高于金属熔点50-100℃；步骤三；通过雾化密封室气压控制系统(10)控制惰性气体气瓶(9)对雾化密封室(8)内充气，使雾化密封室(8)内气压达到熔融金属雾化所需的环境气压值；步骤四；打开气体屏障幕喷嘴(6)，打开超声波电源(1)的开关，使得两组超声换能器(2)的主超声换能器(2a)的工具头以及辅助超声换能器(2b)的工具头的发射极产生超声波，在相对设置的两个主超声换能器(2a)的工具头的发射极之间以及一一对应设置的辅助
超声换能器(2b)的工具头的发射极之间形成超声驻波场；步骤五；利用压差控制从出料输送管(5)流出的液流流量，使熔融金属液流(12)流入超声驻波场压力节点处，由主超声换能器(2a)产生的驻波场提供的能量使得熔融金属液流(12)进一步压扁后发生破碎，在熔融金属液流(12)变扁的裙边处由辅助超声换能器(2b)形成的超声驻波场对熔融金属液流(12)进一步雾化形成小液滴，小液滴在飞行过程中凝固成粉末，完成雾化过程，雾化产生的金属粉末用粉末收集箱(7)进行收集。

技术总结
超声驻波阵列雾化熔融金属进行微粉制备的装置及方法，属于金属雾化微粉制备领域。两组超声换能器密封穿过雾化密封室的侧壁，高温熔炉固定在雾化密封室内的顶盖上，高温熔炉与设置在顶盖上的熔炉进料口连通，高温熔炉的底部设有出料输送管，粉末收集箱设置在出料输送管的下方，雾化密封室与雾化密封室气压控制系统及惰性气体气瓶连接，超声波电源与两组超声换能器电连接，每组超声换能器均包括主超声换能器和多个辅助超声换能器，两个主超声换能器相对设置，每组超声换能器的多个辅助超声换能器呈圆周阵列设置，两组超声换能器的多个辅助超声换能器一一对应设置，每组超声换能器与出料输送管之间设置有气体屏障幕喷嘴。本发明用于熔融金属微粉制备。于熔融金属微粉制备。于熔融金属微粉制备。


技术研发人员：高胜东 董国军 郭思琪 肖金锋 周健 王洪淼
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2021.11.22
技术公布日：2022/3/7