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《机械科学研究总院》 2019年
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增材制造用18Ni300粉末的紧耦合气雾化制备技术研究

王博亚  
【摘要】:紧耦合气雾化技术能够制备粒度小、球形度高、流动性好的金属粉末,经过长时间发展,该技术已经成为大规模制备粉末,尤其是增材制造用金属与合金粉末的重要技术。然而,由于缺乏对紧耦合气雾化流场机理的揭示以及缺乏雾化工艺参数对粉末特性影响规律的系统研究,导致当前紧耦合气雾化制粉技术存在细粉收得率低、雾化过程稳定性差等常见问题。基于上述原因,本文首先采用“Ansys Fluent”软件对雾化流场进行数值模拟,揭示紧耦合气雾化流场的基本特征,指导雾化器结构设计及工艺参数优化,随后选取金属增材制造领域应用前景较大的18Ni300模具钢作为研究对象,结合实验研究不同雾化器结构对雾化过程稳定性的影响及雾化工艺参数、雾化介质对18Ni300金属粉末特性的影响规律。研究结果如下:紧耦合气雾化典型流场内有倒锥形回流区,回流区顶端气体滞留点处气流速度为零,回流区外侧有桶状激波,桶状激波相交形成弓状正激波,即马赫碟。结构参数环缝间隙和工艺参数雾化压力对雾化流场影响显著,当环缝间隙为1.2 mm、雾化压力为4.5 MPa时回流区范围最大,且流场中最大气流速度为671 m/s,最低温度为74 K,最大马赫数为4.66。参考模拟结果,设计环缝间隙为1.2 mm的雾化器,采用实验测试雾化器的抽吸压力,结果显示雾化器的抽吸压力值随雾化压力的增加先减小后增大。内套切向进气雾化器的抽吸压力随压力的变化趋势比垂直进气雾化器平缓,即雾化流场更稳定。另一方面,导液管的改进降低了气雾化过程中“金属瘤”的出现次数,提高了紧耦合气雾化过程的稳定性。改进后的雾化器能够进行稳定雾化。随着气雾化压力及金属熔体过热度的增大,18Ni300金属粉末体积中位径x_(50)、粒度分布宽度先减小后增大,15-53μm粉末收得率、平均球形度、松装密度、流动性先增大后减小。在雾化压力4.5 MPa,金属熔体过热度为255 K时x_(50)达到最小值,粒度分布宽度最小,收得率最高,平均球形度、松装密度和流动性最好。雾化压力实验结果与数值模拟预测结果相符。氮气雾化所得金属粉末体积中位径x_(50)、粒度分布宽度比氩气雾化所得金属粉末小,且氮气雾化粉末15-53μm粉末收得率高,球形度、松装密度好。两种雾化介质制备粉末氧元素含量相差较小,但氩气雾化制备粉末氮元素含量远低于氮气雾化制备粉末。
【学位授予单位】:机械科学研究总院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TF123.2

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