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气体雾化过程中涉及颗粒形貌和空心颗粒形成的金属液滴变形和破碎数值模拟

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2024年第7期34卷 2074-2094页

作者：汪鹏黎兴刚周香林陈志培王淼辉甘萍任晓娜余志勇北京科技大学新金属材料国家重点实验北京100083 中机新材料研究院(郑州)有限公司郑州450001 南方科技大学材料科学与工程系深圳518055 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 中国联合重型燃气轮机技术有限公司北京100016

采用考虑液滴冷却和凝固的流体体积(VOF)方法模拟金属液滴在气体雾化过程中的变形和破碎。建立典型粉末形貌和液滴破碎行为之间的相关性,以指导球形粉末颗粒的制备。结果显示,当增加液滴的气动力与黏性力的比值时,球形颗粒的形成得到加... 详细信息

采用考虑液滴冷却和凝固的流体体积(VOF)方法模拟金属液滴在气体雾化过程中的变形和破碎。建立典型粉末形貌和液滴破碎行为之间的相关性,以指导球形粉末颗粒的制备。结果显示,当增加液滴的气动力与黏性力的比值时,球形颗粒的形成得到加强;然而,当减小这个比值时,预期的液滴破碎模型将被改变或仅仅只发生液滴的变形。从空心颗粒的形成和演变过程的数值模拟中观察到几种典型的情况,例如,开放的空心液膜的形成、液膜封闭、气泡的离心和气泡的脱离。通过提高气体速度或液滴温度,实现较高的非平衡拉普拉斯压力或较低的粘性力,促使气泡从液滴内部分离。

关键词：液滴破碎空心颗粒颗粒形貌黏性力金属粉末气体雾化

气体雾化制粉工艺中基于气体整流的卫星粉控制技术

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粉末冶金技术 2022年第4期40卷 302-317页

作者：赫新宇黎兴刚黄禹赫朱强南方科技大学机械与能源工程系深圳518055 南方科技大学前沿与交叉科学研究院深圳518055

金属熔体气体雾化法是制备增材制造专用金属粉末的重要方法。然而,气体雾化工艺制得的粉末中通常混有大量卫星粉,对金属增材制造工艺产生不利影响。本文通过施加辅助气流并采用阶梯状雾化室结构等气体整流措施抑制回流区中的粉尘回旋,... 详细信息

金属熔体气体雾化法是制备增材制造专用金属粉末的重要方法。然而,气体雾化工艺制得的粉末中通常混有大量卫星粉,对金属增材制造工艺产生不利影响。本文通过施加辅助气流并采用阶梯状雾化室结构等气体整流措施抑制回流区中的粉尘回旋,进而控制卫星粉的形成。利用计算流体力学软件ANSYS Fluent进行数值模拟,研究施加辅助气流或采用阶梯状雾化室结构时,雾化室内宏观流场特征以及颗粒运动轨迹的变化规律。结果表明,在雾化室顶部距雾化室中心R/2(R为雾化室半径)处施加辅雾比(辅助气流与雾化气流的流量比)大于0.8的辅助气流时能够有效抑制回流区中的粉尘回旋;采用阶梯宽为300 mm、高为575~600 mm的雾化室结构能够有效抑制回流区中的粉尘回旋。根据数值模拟结果,采用气体整流措施制备TC4钛合金粉末,并检测粉末的粒径分布、球形度、赘生物指数等指标,发现与不采用气体整流措施制备的粉末相比,赘生物指数降低约45%。

关键词：气体雾化卫星粉计算流体力学气体整流赘生物指数

雾化气体和冷却速率对镍基合金粉末凝固特性的影响（英文）

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稀有金属材料与工程 2018年第2期47卷 423-430页

作者：方鹏均徐轶黎兴刚陈亚西南交通大学材料科学与工程学院四川成都610031 不来梅大学材料技术研究所不来梅德国28359 北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心北京100088 西南交通大学体育科学研究所四川成都610031

分别采用氩气和氮气作为雾化介质,制备得到镍基合金粉末。利用扫描电镜分析2种气体雾化的粉末表面形貌及凝固组织特征。基于牛顿冷却模型,对雾化粉末冷却速度和飞行速度进行数值计算。结果表明:冷却速率决定了凝固微观组织形貌。在较低... 详细信息

分别采用氩气和氮气作为雾化介质,制备得到镍基合金粉末。利用扫描电镜分析2种气体雾化的粉末表面形貌及凝固组织特征。基于牛顿冷却模型,对雾化粉末冷却速度和飞行速度进行数值计算。结果表明:冷却速率决定了凝固微观组织形貌。在较低的冷却速率下,2种气体雾化粉末均呈现发达的枝晶组织,而随着冷却速率的增大,氩气雾化粉末呈现欠发达的枝晶和胞晶混合组织。而氮气雾化粉末仅呈现胞晶组织。不同粒径氩气雾化粉末冷却速率在1.0×10~5~4.24×10~6 K·s^(-1),氮气雾化粉末在1.0×10~5~4.8×10~6 K·s^(-1)。冷却速率随粉末直径增加而减小。在快速凝固过程中,Cr,Co,W,Ni和Al等元素仍沿晶轴偏析,而Ti元素沿晶间偏析。

关键词：镍基合金粉末气体雾化凝固组织冷却速率

基于Laval喷嘴的层流气雾化法工艺参数探索及粉末性能研究

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稀有金属材料与工程 2023年第4期52卷 1369-1379页

作者：沈鹭宇陈超越黎兴刚帅三三徐松哲胡涛金小礼李山青王江任忠鸣上海大学材料科学与工程学院、省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室上海200444 南方科技大学前沿与交叉学科研究院广东深圳518055 宝山钢铁股份有限公司中央研究院上海201900

基于Laval喷嘴的层流气雾化技术可以高效制备高性能金属粉末,但目前对这种技术的各项工艺参数及粉末性能尚未有系统性研究。本工作使用基于Laval喷嘴的层流气雾化制粉设备制备了AlSi10Mg合金粉末,同时使用传统分析方法和X射线计算机断... 详细信息

基于Laval喷嘴的层流气雾化技术可以高效制备高性能金属粉末,但目前对这种技术的各项工艺参数及粉末性能尚未有系统性研究。本工作使用基于Laval喷嘴的层流气雾化制粉设备制备了AlSi10Mg合金粉末,同时使用传统分析方法和X射线计算机断层扫描技术分别研究了雾化气体压力以及导流管内径对粉末整体形貌、三维形貌、球形度、粒度分布、物理性能及内部缺陷的影响,并结合数值模拟进行机理性解释。结果表明,基于Laval喷嘴的层流气雾化技术制备的AlSi10Mg粉末性能较好,由于在较高的雾化气体压力和较窄的导流管内径条件下气液流量比更高,金属熔体更易发生破碎,故制备的粉末球形度更好,粒度分布较窄,细粉收得率可接近50%,不规则粉末及空心粉较少。

关键词：层流气雾化 AlSi10Mg合金粉末工艺参数 X射线计算机断层扫描数值模拟

热处理对选区激光熔化镍基粉末高温合金组织与力学性能的影响

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金属学报 2020年第8期56卷 1133-1143页

作者：郝志博葛昌纯黎兴刚田甜贾崇林北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 南方科技大学前沿与交叉科学研究院深圳518055 中国航发北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室北京100095

以Ar气雾化法制备镍基高温合金粉末,利用选区激光熔化(SLM)技术制备了FGH4096M合金。运用OM、SEM、EBSD等手段研究了SLM沉积态和热处理态合金的组织和性能。结果表明,沉积态合金以奥氏体γ相基体为主,具有最高的延伸率。热处理后合金内... 详细信息

以Ar气雾化法制备镍基高温合金粉末,利用选区激光熔化(SLM)技术制备了FGH4096M合金。运用OM、SEM、EBSD等手段研究了SLM沉积态和热处理态合金的组织和性能。结果表明,沉积态合金以奥氏体γ相基体为主,具有最高的延伸率。热处理后合金内析出大量的γ’相,γ’相均匀致密分布于合金内,能够明显提高合金强度。立方状或花瓣状γ’相与基体存在较高的晶格畸变,也能增加合金强度。精细的树枝结构和等轴结构对合金起到细晶强化作用。较高的固溶温度会促进SLM合金内回复和再结晶的发生,同时消除晶内树枝结构和等轴结构。沉积态合金平均延伸率为24.97%。经直接时效处理后的合金屈服强度和极限强度最高,其平均值分别为1459.46和1595.56 MPa。

关键词：镍基粉末高温合金选区激光熔化显微组织热处理

气体雾化过程中涉及颗粒形貌和空心颗粒形成的金属液滴变形和破碎数值研究(英文)

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2023年

作者：汪鹏黎兴刚周香林陈志培王淼辉甘萍任晓娜余志勇中机新材料研究院(郑州)有限公司南方科技大学材料科学与工程系北京科技大学材料科学与工程学院北京科技大学新金属材料国家重点实验室中国联合重型燃气轮机技术有限公司

本文采用考虑液滴冷却和凝固的流体体积（VOF）方法模拟了金属液滴在气体雾化过程中的变形和破碎。建立了典型粉末形貌和液滴破碎行为之间的相关性，以指导球形粉末颗粒的制备。结果显示，当增加液滴的气动力与粘性力的比值时，球形颗... 详细信息

本文采用考虑液滴冷却和凝固的流体体积（VOF）方法模拟了金属液滴在气体雾化过程中的变形和破碎。建立了典型粉末形貌和液滴破碎行为之间的相关性，以指导球形粉末颗粒的制备。结果显示，当增加液滴的气动力与粘性力的比值时，球形颗粒的形成得到了加强；然而当减少这个比值时，预期的液滴破碎模型将被改变或仅仅只发生液滴的变形。从空心颗粒的形成和演变过程的数值模拟中观察到几种典型的情况，例如，开放的空心液膜形成、液膜封闭、气泡的离心和气泡的脱离。通过提高气体速度或液滴温度，实现了较高的非平衡拉普拉斯压力或较低的粘性力，促使气泡从液滴内部分离。

关键词：液滴破碎空心颗粒颗粒形貌粘性力金属粉末气体雾化

耦合压力-气体雾化工艺制备微细球形铝合金粉末

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稀有金属 2019年第8期43卷 808-815页

作者：舒适黎兴刚刘锡魁樊建中张少明北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心

介绍了一种耦合压力-气体雾化金属粉末制备工艺。在该工艺中,熔体在正压驱动下可以通过出口孔径较小的导流嘴,形成低维度的熔体射流,提高了粉末的细粉收得率。采用该工艺制备了AlSi10Mg合金粉末,雾化气压(2.0±0.3) MPa,在熔体上方施加... 详细信息

介绍了一种耦合压力-气体雾化金属粉末制备工艺。在该工艺中,熔体在正压驱动下可以通过出口孔径较小的导流嘴,形成低维度的熔体射流,提高了粉末的细粉收得率。采用该工艺制备了AlSi10Mg合金粉末,雾化气压(2.0±0.3) MPa,在熔体上方施加正压(0.3±0.05)×10^5 Pa,选取导流嘴出口孔径2 mm,粒径53μm以下粉末的收得率达到40%;与市场上现有的国产及进口AlSi10Mg合金粉末相比,该工艺制备的粉末球形度较高,表面光滑,卫星粉较少;以该工艺生产的AlSi10Mg合金粉末为原料,制备的选取激光熔化成型件的室温拉伸性能优于进口粉末。该工艺能够解决高粘性熔体导流时可能发生的导流嘴堵塞问题。采用该工艺制备了含硅量18%~20%(质量分数)、含铁量5%~6%的改进2009铝合金粉末,在熔体上方施加正压驱动(0.4±0.05)×10^5 Pa,高粘性的铝合金熔体在熔化温度850℃时可以顺利通过出口孔径为4~2 mm的导流嘴;采用雾化气压(2.0±0.3) MPa,随着导流嘴出口孔径的减小,粉末的收得率(100μm以下)增加,粒度分布变窄,体积中值粒径降低;选取导流嘴出口孔径2 mm,粉末的收得率(100μm以下)达到80%,体积中值粒径(d50,3)约为55μm。

关键词：收粉率卫星粉导流嘴选区激光熔化粘性熔体

气体雾化制粉工艺中金属熔体在导流管内流动过程的数值研究

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2021年第10期31卷 3192-3204页

作者：刘畅李欣舒适黄禹赫黎兴刚朱强南方科技大学机械与能源工程系深圳518055 深圳市高机能材料增材制造重点实验室深圳518055 湖南兵器技术中心有限公司长沙410201 南方科技大学前沿与交叉科学研究院深圳518055

基于流体体积(VoF)界面捕捉方法和剪切应力输运(SST k-ω)湍流模型,通过数值模拟揭示气体雾化制粉工艺中金属熔体在导流管内的流动机理。验证实验表明,数值模型能对导流管内的流体流动过程进行合理预测。随着导流管内径的减小,熔融铝和... 详细信息

基于流体体积(VoF)界面捕捉方法和剪切应力输运(SST k-ω)湍流模型,通过数值模拟揭示气体雾化制粉工艺中金属熔体在导流管内的流动机理。验证实验表明,数值模型能对导流管内的流体流动过程进行合理预测。随着导流管内径的减小,熔融铝和熔融铁的流动阻力增大,当导流管内径减小至1 mm时,熔体的流动阻力可达10^(2)kPa数量级。基于传统的气体雾化工艺,在金属熔体上方施加正向压力克服熔体在导流管内的流动阻力并在不同导流管内径下雾化高黏性铝合金熔体。当导流管内径从4 mm减小到2 mm时,粉末的细粉收得率(<150μm)从54.7%大幅增加到94.2%。当采用较小内径的导流管时,粉末的表面质量也有所改善。

关键词：气体雾化导流管熔融金属流体阻力金属粉末

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低活化铁素体/马氏体钢的研究进展

钢铁研究学报 2009年第6期21卷 6-12页

作者：黎兴刚燕青芝葛昌纯北京科技大学材料学院北京100083

介绍了国内外低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢的研究进展及发展趋势;分析了RAFM钢中可能出现的合金元素的作用以及辐照前后RAFM钢的组织结构、辐照硬化及辐照脆性现象。认为通过沉淀强化与弥散强化手段可以提高现有RAFM钢的高温力学性能;12... 详细信息

介绍了国内外低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢的研究进展及发展趋势;分析了RAFM钢中可能出现的合金元素的作用以及辐照前后RAFM钢的组织结构、辐照硬化及辐照脆性现象。认为通过沉淀强化与弥散强化手段可以提高现有RAFM钢的高温力学性能;12Cr3W RAFM钢与氧化物弥散强化RAFM钢是很有希望的超临界水堆包壳管用候选结构材料。

关键词：低活化铁素体/马氏体钢合金元素辐照硬化辐照脆化