激光熔覆专用合金粉末雾化喷嘴的设计及其实验研究

论文摘要

激光熔覆技术是一门新型的材料加工和表面改性技术,熔覆材料则是激光熔覆技术的关键技术之一。目前激光熔覆材料大多数是Fe基、Ni基和Co基三大系列合金粉末,激光熔覆技术除了对材料的配比和体系有要求之外,还对材料粒度范围及流动性都有特定的要求。目前世界上大多数合金粉末都是由气雾化制得,而雾化喷嘴是雾化装置中的核心部件,故设计一种结构简单,雾化效率高,能制备出符合激光熔覆要求合金粉末的气雾化喷嘴是关键课题。为了制备适合激光熔覆的球形合金粉末,针对传统雾化喷嘴效率不高,粉末球形度不高且易堵嘴的情况,设计出一种气流出口处为Laval型,带有辅助风孔和导液管的气雾化喷嘴。用FLUENT对喷嘴出口处气流进行仿真,用U型水压力计在喷嘴中心线上进行气压分布测量。对不同导液管长度的和不同结构的喷嘴进行雾化实验,得出最佳结构参数,用扫描电镜和霍尔流量计对粉末进行分析,最后对制备粉末进行激光熔覆实验。实验得到以下结论：1.与传统喷嘴相比,设计喷嘴能在出口处产生超音速气流,在设计喷嘴中加入防粘环、辅助风孔等后,使雾化过程安全稳定；2.设计喷嘴中导液管长度为30mm时能取得最好的综合性能,与实验室原喷嘴相比,自行设计的雾化喷嘴能使雾化效率提高3倍左右,制出的合金粉末球形度更好,而且有更好的流动性和松装比,合金粉末流动性从24.3s/50g减小到17.2s/50g,而松装比从3.91g/cm3增加到4.25g/cm3；3.在45钢基体上进行激光熔覆合金粉末的实验,发现熔覆层细密、均匀,具有良好的综合性能,且无裂纹、气孔等缺陷,满足激光熔覆要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 激光熔覆的方法和材料
• 1.3 雾化法工艺及机理研究
• 1.3.1 气雾化工艺的研究进展
• 1.3.2 雾化过程分析
• 1.4 课题研究目的、内容及技术路线
• 1.4.1 研究目的与内容
• 1.4.2 课题技术路线
• 第2章 气雾化喷嘴设计的理论基础
• 2.1 影响气雾化过程的物理因素
• 2.2 气雾化过程参数的理论分析
• 2.2.1 气体出口速度
• 2.2.2 金属熔体质量流率
• 2.3 本章小结
• 第3章 气雾化喷嘴的设计
• 3.1 气雾化喷嘴结构设计
• 3.2 超音速喷口设计
• 3.2.1 超音速气雾化的理论分析
• 3.2.2 Laval喷口设计
• 3.2.3 超音速喷口的气流仿真
• 3.3 防粘环的设计
• 3.4 辅助风孔的设计
• 3.5 导液管的设计
• 3.5.1 不同导液管长度下的气流模拟
• 3.5.2 导液管长度设计
• 3.6 本章小结
• 第4章 气雾化装置简介及雾化结构参数实验研究
• 4.1 气雾化装置简介
• 4.1.1 中频熔炼炉
• 4.1.2 中间漏包及中间漏包加热炉
• 4.1.3 气雾化气源及粉末收集装置
• 4.2 实验合金成分设计及雾化工艺
• 4.2.1 合金成分设计及配料
• 4.2.2 合金熔炼雾化工艺
• 4.3 导液管长度对粉末粒度及形貌影响
• 4.3.1 导液管长度对气雾化过程的影响
• 4.3.2 导液管长度对粉末粒度的影响
• 4.3.3 导液管长度对粉末形貌的影响
• 4.4 不同喷嘴对粉末粒度及形貌影响
• 4.4.1 不同喷嘴对气雾化过程的影响
• 4.4.2 不同喷嘴对粉末粒度的影响
• 4.4.3 不同喷嘴对粉末形貌的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 气雾化粉末性能研究
• 5.1 粉末流动性、松装比检测
• 5.2 粉末成分测定及分析
• 5.3 激光熔覆实验
• 5.3.1 激光熔覆实验材料、设备及工艺
• 5.3.2 熔覆层分析
• 5.3.3 硬度测试
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果