基于相似理论的气雾化制粉工艺参数制定方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于相似理论的气雾化制粉工艺参数制定方法和系统，包括：步骤1：获取气雾化旧材料物理性质参数

【技术实现步骤摘要】
基于相似理论的气雾化制粉工艺参数制定方法和系统


[0001]本专利技术涉及气雾化粉末生产
，具体地，涉及一种基于相似理论的气雾化制粉工艺参数制定方法和系统
。

技术介绍

[0002]粉体材料作为一种多种生产制造工艺所需要的重要耗材，主要用于粉末冶金，增材制造等制造领域，特别是随着增材制造工艺的日益成熟，对于新粉体材料的需求日益增加
。
以金属粉末为代表，主要的制备工艺为气雾化制粉工艺，包括真空熔炼气雾化制粉工艺，等离子气雾化工艺，电致感应气雾化
、
旋转电极气雾化工艺，以及水雾化工艺，由于其高效且低成本的优势，已经广泛应用于各种材料的粉末制备，其制备的粉末球形度高，氧化小，被广泛的应用于增材制造工艺，包括激光粉末床成型，直接能量沉积等增材制造工艺
。
但是目前制备的金属粉末材料体系众多，并且不同的材料具有不同的物理性质，当面对一种新的材料，往往需要大量工艺试错的方法得到合适的工艺参数，大大提高了制粉的成本
。
[0003]随着增材制造技术的发展，粉末作为一种其制造过程的重要原材料，被广泛应用于各种增材制造工艺中
。
目前，粉末的制备工艺有很多种，包括气雾化制粉工艺，旋转电极雾化制粉工艺，和等离子气雾化制粉工艺等，其制粉的原理基本都是采用高速气体等介质与过热的金属液体交互作用产生金属粉末
。
这些工艺过程都是受流体的运动学
、
动力学以及热力学的规律所控制
。
满足连续介质假说的流体，都可以用
NS
方程组来描述，针对不同的流体力学问题，即初始条件和边界条件不同
。
而相似理论作为流体力学常用的方法，可以简化流体力学问题，从而可以对流体力学的本质机理进行研究归纳，通常有几何相似，运动相似，动力相似和热力相似
。
对于制粉问题来说，因为制粉设备的不变，即可以等同于几何相似
。
建立在几何相似的基础上，运动学相似的系统，必定动力学相似，这样流体在高速气体或介质的作用的破碎动力学必然相似，从而制备的粉末粒径分布必然相差不大，而粒径正是影响得粉率的重要标准
。
而热力学相似，可以决定粉末的凝固过程，从而进一步决定粉末最终成形的形貌，而控制这些相似的基本参数，就是通过
NS
方程组，无量纲化得到的一系列无量纲数，通过调整工艺参数使得这些无量纲数尽量保持相等，则新材料的气雾化制粉工艺得到确定
。
[0004]在雾化制粉工艺过程中，对于一种新材料的制粉工艺的参数确定，都是通过工艺试错方法得到其得粉率的多少来判断其最佳工艺参数，面对新的制粉材料时，往往需要重复这个过程，成本是极高的，所以寻找一种科学而行之有效的雾化制粉工艺参数制定方法具有重要的生产意义
。
[0005]专利文献
CN113020611A(
申请号：
CN202110255244.4)
公开了一种基于气雾化制粉工艺元素烧损的金属粉末制造方法，包括以下步骤：根据设备结构参数
、
材料参数和工艺参数建立气雾化工艺过程有限元模型，获得气雾化制粉工艺过程金属液温度场和压力场历史信息，得到烧损元素的类型和含量，按新的元素配比更新材料参数，重复前述步骤，直到得到金属材料最佳元素配比，即元素烧损后，金属材料中各元素含量在目标金属材料的各元
素含量区间内；在金属材料熔炼阶段，按照最佳元素配比进行熔炼，即在金属材料熔炼阶段，得到含有过量烧损元素的金属材料，得到满足设计要求的金属粉末
。
然而该专利无法解决目前存在的技术问题，也无法满足本专利技术的需求
。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于相似理论的气雾化制粉工艺参数制定方法和系统
。
[0007]根据本专利技术提供的基于相似理论的气雾化制粉工艺参数制定方法，包括：
[0008]步骤1：获取气雾化旧材料物理性质参数
、
气雾化气体的物理性质参数和气雾化旧材料优化的工艺参数；
[0009]步骤2：根据设备结构参数
、
材料参数和以及制备气雾化制粉旧材料优化的工艺参数，建立气雾化工艺过程流场物理模型并采取实验方法，获得气雾化制粉工艺过程气体流场信息；
[0010]步骤3：基于相似理论，以气雾化制粉材料为研究对象，建立
NS
方程组，得出与气雾化制粉工艺相关的无量纲数；
[0011]步骤4：获取气雾化制粉工艺新材料的物理性质参数，结合无量纲数，得出所需气雾化流场所需的初始物理场条件；
[0012]步骤5：更改气雾化工艺过程流场物理模型的工艺参数，使得物理场分布与步骤4所需的条件一致，从而得到新材料的气雾化制粉工艺参数
。
[0013]优选的，气雾化旧材料物理性质参数，包括材料的密度
、
粘度
、
表面张力
、
比热容和热导率；
[0014]气雾化气体的物理性质参数，包括密度
、
比热容
、
比热比和热导率；
[0015]气雾化旧材料优化的工艺参数，包括气体压力
、
气体类型
、
制粉材料过热度和制粉材料流速；
[0016]与气雾化制粉工艺相关的无量纲数，包括动力学与运动学参数：雷诺数
、
韦伯数和气液动量比；热力学参数：普朗特数和埃克特数
。
[0017]优选的，气雾化制粉工艺，包括真空熔炼气雾化制粉工艺
、
等离子气雾化工艺
、
电致感应气雾化
、
旋转电极气雾化工艺，以及水雾化工艺；
[0018]获取制粉材料的手段通过实验
、
数据库，或材料计算学途径获得；
[0019]流场物理模型，不局限于有限元物理模型，包括其他流体计算模型和经验模型，包括粒子玻尔兹曼方法和经验公式；
[0020]实验方法包括利用各种传感器获得的流场数据，以及
PIV
示踪粒子法，纹影方法流体实验获得
。
[0021]优选的，以气雾化制粉材料为研究对象，建立
NS
方程组，包括流体力学经典的连续性方程，动量方程，能量方程以及其变形方程，如下方程所示：
[0022][0023][0024][0025]其中，
u
为液体流速，
ρ
l
为液体密度，
g
为重力加速度，
p
为液体表面所受的压力，
μ
为液体粘度，
σ
为液体表面张力，
τ
为液面曲率，
c
为液体的比热容，
T
为液体温度，
t
为时间，
k
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于相似理论的气雾化制粉工艺参数制定方法，其特征在于，包括：步骤1：获取气雾化旧材料物理性质参数
、
气雾化气体的物理性质参数和气雾化旧材料优化的工艺参数；步骤2：根据设备结构参数
、
材料参数和以及制备气雾化制粉旧材料优化的工艺参数，建立气雾化工艺过程流场物理模型并采取实验方法，获得气雾化制粉工艺过程气体流场信息；步骤3：基于相似理论，以气雾化制粉材料为研究对象，建立
NS
方程组，得出与气雾化制粉工艺相关的无量纲数；步骤4：获取气雾化制粉工艺新材料的物理性质参数，结合无量纲数，得出所需气雾化流场所需的初始物理场条件；步骤5：更改气雾化工艺过程流场物理模型的工艺参数，使得物理场分布与步骤4所需的条件一致，从而得到新材料的气雾化制粉工艺参数
。2.
根据权利要求1所述的基于相似理论的气雾化制粉工艺参数制定方法，其特征在于，气雾化旧材料物理性质参数，包括材料的密度
、
粘度
、
表面张力
、
比热容和热导率；气雾化气体的物理性质参数，包括密度
、
比热容
、
比热比和热导率；气雾化旧材料优化的工艺参数，包括气体压力
、
气体类型
、
制粉材料过热度和制粉材料流速；与气雾化制粉工艺相关的无量纲数，包括动力学与运动学参数：雷诺数
、
韦伯数和气液动量比；热力学参数：普朗特数和埃克特数
。3.
根据权利要求1所述的基于相似理论的气雾化制粉工艺参数制定方法，其特征在于，气雾化制粉工艺，包括真空熔炼气雾化制粉工艺
、
等离子气雾化工艺
、
电致感应气雾化
、
旋转电极气雾化工艺，以及水雾化工艺；获取制粉材料的手段通过实验
、
数据库，或材料计算学途径获得；流场物理模型，不局限于有限元物理模型，包括其他流体计算模型和经验模型，包括粒子玻尔兹曼方法和经验公式；实验方法包括利用各种传感器获得的流场数据，以及
PIV
示踪粒子法，纹影方法流体实验获得
。4.
根据权利要求1所述的基于相似理论的气雾化制粉工艺参数制定方法，其特征在于，以气雾化制粉材料为研究对象，建立
NS
方程组，包括流体力学经典的连续性方程，动量方程，能量方程以及其变形方程，如下方程所示：程，能量方程以及其变形方程，如下方程所示：程，能量方程以及其变形方程，如下方程所示：其中，
u
为液体流速，
ρ
l
为液体密度，
g
为重力加速度，
p
为液体表面所受的压力，
μ
为液体粘度，
σ
为液体表面张力，
τ
为液面曲率，
c
为液体的比热容，
T
为液体温度，
t
为时间，
k
为热导率，
ψ
为粘性耗散功
。5.
根据权利要求1所述的基于相似理论的气雾化制粉工艺参数制定方法，其特征在于，
气雾化制粉工艺所涉及的无量纲数，还包括气液管道直径比；制粉材料包括钛合金
、
铝合金
、
镁合金
、
复合材料
、
黑色金属材料以及非金属材料
。6.
一种基于相似理论的气雾化制粉工艺参数制定系统，其特征在于，包括：模块
...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗升，王洪泽，吴一，欧阳昱，朱昌隆，唐梓珏，母杰瑞，王浩伟，
申请(专利权)人：上海交通大学安徽淮北陶铝新材料研究院，
类型：发明
国别省市：