PDF《电极感应熔化气雾化制粉技术中非限制式喷嘴雾化过程模拟》

100 ?m 左右, 该实验结果与模拟得到 的粉末直径 D50 =

100 ?m 大小一致, 进一步验证了模拟数据的合理性. 该方法也适用于非限制式喷嘴里, 其 他金属或合金的雾化过的模拟研究. 关键词: 电极感应熔化气雾化, 主雾化和二次雾化, 高温合金, 粒度分布 PACS: 02.60.Cb, 41.20.Gz, 61.66.Dk, 81.20.Ev DOI: 10.7498/aps.67.20180584

1 引言金属粉末的广泛应用促进了粉末制备技术的 快速发展, 尤其是在3D打印、 粉末冶金和热喷涂技 术领域, 对金属粉末的需求和要求越来越高 [1?4] . 金属粉末的生产方法主要有化学、 机械和物理方 法[5] . 其中, 物理方法中的气雾化法 [4,6,7] , 由于具 有生产成本低、 生产效率高、 粉末质量高、 可控性 好以及具备大规模生产的潜力等诸多优点, 被广泛 应用于实际生产中. 在气雾化制粉技术中, 绝大部 分工艺在金属熔化过程中直接接触坩埚、 导流嘴等 耐火材料, 会在金属粉末中不可避免地带来非金属 夹杂物. 这些非金属夹杂物往往会对高性能的部件 (如粉末高温合金部件) 带来致命的影响 [8] . 电极 感应熔化气雾化 (electrode induction melting gas atomization, EIGA) 制粉是一种不引入非金属夹 杂物的超洁净气体雾化制粉技术, 兼具气雾化生产 效率高、 产量大、 粉末粒径细小等特点 [9?12] , 其雾 化过程是通过超高频感应线圈加热合金棒材, 形成 直径大小连续可控的合金液流, 合金液流在非限制 式喷嘴 (无陶瓷导流管) 的作用下, 被高压高速气体 破碎雾化, 从而制得超洁净的合金粉末. 在EIGA 制粉技术中, 合金的整个熔化过程不接触坩埚以及 导流嘴等耐火材料, 主要依靠超高频感应熔化来 控制 [13] . 不使用导流嘴而是通过使用非限制式喷 嘴来实现制粉, 因此, 非限制式喷嘴的设计制造是 ? 通信作者. E-mail: xmdsg@ustb.edu.cn ? 通信作者. E-mail: ccge@mater.ustb.edu.cn ?

2018 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 170201-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 67, No.

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170201 EIGA法超洁净制粉技术的关键核心技术之一. 根据喷嘴是否存在陶瓷导流管, 目前工业上广 泛使用的气雾化喷嘴分为限制式雾化喷嘴和非限 制式雾化喷嘴 [14,15] . 由于限制式喷嘴具有生产效 率高、 生产粉末颗粒细小等优点, 因此关于气雾化 研究的绝大部分工作都集中在限制式喷嘴上, 生产 企业目前使用最多的也是限制式喷嘴 [16?18] , 而关 于非限制式喷嘴的研究报道偏少. 气雾化的过程 是一个非常复杂的过程, 高速气体在极短时间内对 高温流体进行冲击破碎, 常规的实验手段很难对整 个破碎过程进行表征, 也很难再现冲击破碎的复杂 物理过程. 数值模拟可以实现对气体轨迹、 金属熔 体的破碎等过程的可视化重现, 因此关于气雾化喷 嘴的设计优化工作, 大部分采用数值模拟来进行. 如: 关于限制式喷嘴雾化过程与雾化机理的研究, 文献 [14, 19―21] 都通过仿真的方法对限制式喷嘴 的应用和性能进行了广泛的研究. 在气雾化过程中, 雾化过程主要由初次雾化 和二次雾化组成 [18] . 目前, 对气体雾化过程的数 值模拟主要采用欧拉-欧拉模型的VOF (volume of ?uid) 方法 [22?24] 与欧拉 -拉格朗日 DPM (discrete phase model) 离散相模拟方法 [25,26] , 但是由于气 雾化制备的金属粉末粒度较小 (大部分粉末粒度 <