CN110893468A - 一种组合式雾化制备球形金属粉末的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种组合式雾化制备球形金属粉末的方法及装置，属于金属粉末制备技术领域。本发明装置包括金属熔化系统、水雾化系统、粉末干燥系统、激光球化系统、粉末收集系统、气体循环系统及控制系统；本发明方法中的水雾化法的特点是成本低、生产效率高、粒度小，但制得粉末形貌不均匀，含氧量高，激光球化法的优点是激光能量和方向性可控性高，可使不规则粉末球化，本发明结合了水雾化法和激光球化法两种方法，使两者优势互补，并且弥补其中的不足，适合制备球形金属粉末。本发明在3D打印等先进制造技术的实际生产中具有较好的应用前景。
Description
技术领域：
本发明属于金属粉末制备技术领域，尤其涉及一种组合式雾化制备球形金属粉末的方法及装置。
背景技术：
随着科学技术的高速发展，金属粉末的应用越来越广泛，因此金属粉末的制备也是至关重要。在制取的金属粉末中，球形粉末与不规则形状的粉末相比，具有流动性好、烧结性好及反应可控等优越性能，在大批量生产和科学研究中得到日益广泛的应用。球形金属粉末是3D打印(增材制造)、金属注射成形等先进制造技术的原材料。其中，3D打印技术是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”，已成为现代模型、模具和零部件制造的有效手段，在航空航天、汽车、家电、生物医学等领域得到了一定应用，在工程和教学研究等领域也占有独特地位。
目前，针对3D打印用金属粉末的制备方法主要有雾化法、旋转电极法等。雾化法包括水雾化、气雾化等，水雾化是以水为雾化介质制备金属粉末，其生产成本低，雾化效率高，相对气雾化，水的比热容比较大，在雾化过程中破碎的金属熔滴快速凝固变成不规则状，导致粉体形状难以控制，且难以满足金属3D打印对粉末球形度的要求，此外由于活性金属及其合金在高温下与雾化介质水接触后会发生反应，增加粉末氧含量，这些问题限制了水雾化法制备球形度高、氧含量低的金属粉末；气雾化的原理是通过高速气流将液态金属流粉碎为微滴并快速冷凝成粉末的过程，气雾化制备金属粉末具有粒度细、球形度高、纯度高等优点，是目前生产3D打印用金属粉末的主要方法，其制备的3D打印粉末金属占雾化法制备粉末的40％左右。但气雾化技术也存在不足，在气流破碎金属液体的过程中，气流能量低，雾化效率低，增加了金属粉末制备成本。
旋转电极法主要原理是将合金制成自耗电极，在高速旋转的状态下接收电子或离子流，使自耗电极端部熔化，熔融液态金属在离心力的作用下形成小液滴飞射，由于表面张力作用，液滴凝固成球形的粉末颗粒。虽然这种方法的熔化过程是非接触的，有效避免了杂质引入，而且制备出的粉末球形度高，但是制得的粉末较粗，粉末的成分均匀性不可控，电极棒旋转速度较高，对设备电极及传动要求比较高，制备工艺不易控制，粉末生产效率一般，需要首先制备合金棒料，制粉成本较高。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种组合式雾化制备球形金属粉末的方法及装置。本发明水雾化法和激光球化法组合制备球形金属粉末，能够制得良好的3D打印用球形金属粉末。
本发明提供的一种组合式雾化制备球形金属粉末的方法包括以下具体步骤：
(1)保持第一阀门30和第二阀门27处于关闭状态，然后通过第一进气口40和第二进气口24向熔化室1内通入足量惰性气体，使坩埚2、水雾化室35以及激光球化室15内处于惰性气体环境中。
(2)通过加热器3开始加热所述坩埚2内的金属原料4，将所述金属原料4熔化成金属熔融液5，所述金属熔融液5通过所述坩埚2下方小孔，所述金属熔融液5在重力作用下通过与小孔相连的导液管37形成金属液流36，通过水流喷嘴9向水雾化室35内喷出一定压力的高压水流，所述高压水流与所述金属液流36相遇，相互猛烈撞击，所述金属液流36粉碎成微滴流并快速冷却形成初次雾化粉末13，同时打开水位控制开关10，从水位控制管道11排出过量的水进入回收装置12。
(3)待所述金属熔融液5完全雾化成粉末，打开排水开关32，排出剩余水，然后打开所述第一阀门30，使得所述初次雾化粉末13经过连接管道进入粉体暂存室14中，经过加热网28，干燥所述初次雾化粉末13，待粉末完全进入粉体暂存室14，关闭所述第一阀门30。
(4)打开所述第二阀门27，干燥后的所述初次雾化粉末13进入激光球化室15，落入约束罩16，同时开启三个结构相同的激光发生器23，光束通过耐高温透明玻璃22辐照在所述约束罩16内的干燥后的所述初次雾化粉末13上，所述初次雾化粉末13迅速升温熔化，在表面张力的作用下收缩成球形粉末20。
(5)所述球形粉末20在重力作用下落入设置在所述激光球化室15底部的集粉器19中，最终完成金属粉末的制备。
所述高压水流的压力为60-120MPa。所述加热网的温度为103-108℃。所述激光发生器的额定功率为2000W。
本发明同时提供一种组合式雾化制备球形金属粉末的装置，该装置包括金属熔化系统、水雾化系统、粉末干燥系统、激光球化系统、粉末收集系统、气体循环系统及控制系统；所述金属熔化系统位于整个装置的最上方，包括熔化室1、坩埚2、加热器3、金属原料4、金属熔融液5，所述金属原料4放在所述坩埚2内，所述坩埚2置于所述熔化室1内，所述坩埚2与所述熔化室1底部均设有小孔，所述加热器3安装在所述坩埚2周围，所述加热器3用于加热熔化所述金属原料4形成所述金属熔融液5；所述水雾化系统位于所述金属熔化系统下方，包括导液管37、套管39、金属液流36、水雾化室35、水雾化喷盘6、水流管道7、高压储水器8、水流喷嘴9、水位控制开关10、水位控制管道11、回收装置12、初次雾化粉末13、排水口31、排水开关32及滤网33，所述导液管37与所述坩埚2底部的小孔相连，所述金属熔融液5通过所述导液管37形成所述金属液流36，所述导液管37周围设有所述套管39，用于对所述金属熔融液5保温，所述水雾化喷盘6位于所述熔化室1下方，所述水雾化喷盘6位于所述水雾化室35上方，所述水雾化喷盘6外侧连有所述水流管道7，所述高压储水器8内装有高压水，高压水经过所述水流管道7和所述水流喷嘴9形成高压水流，高压水流与所述金属液流36撞击，形成微滴流并快速冷却成初次雾化粉末13，所述水位控制管道11安装在所述水雾化室35侧面，所述水位控制管道11上设有所述水位控制开关10，所述回收装置12与所述水位控制管道11末端相连，所述排水口31设在所述水雾化室35下方，所述排水口31设有所述排水开关32和所述滤网33；所述粉末干燥系统位于所述水雾化系统下方，包括第一阀门30、粉体暂存室14、初次雾化粉末13、加热网28、第三排气口29，所述粉体暂存室14设置在所述水雾化室35下方，所述粉体暂存室14与所述水雾化室35通过第一连通管相连，并且在所述第一连通管上设有所述第一阀门30，所述加热网28设置在所述粉体暂存室14内，所述第三排气口29设在所述粉体暂存室14侧面；所述激光球化系统位于所述粉体暂存室14的下方，包括第二阀门27、激光球化室15、约束罩16、约束罩支架17、耐高温透明玻璃22及三个结构相同的激光发生器23，所述激光球化室15位于所述粉体暂存室14的下方，所述激光球化室15与所述粉体暂存室14通过第二连通管连接，且所述第二连通管上设有所述第二阀门27，所述约束罩16固定在所述约束罩支架17上，所述约束罩支架17与所述激光球化室15内壁固定，所述三个结构相同的激光发生器23设置在所述激光球化室15周围，所述三个结构相同的激光发生器23在同一水平面上呈120°设置，所述耐高温透明玻璃22安装在所述激光球化室15的外壁；所述粉末收集系统包括集粉器19、球形粉末20及密封门21，所述集粉器19置于激光球化室15底部，且在约束罩16正下方，用来收集球形粉末20，所述密封门21设置在激光球化室15的侧下方；所述气体循环系统包括第一进气口40、第一排气口34、通气孔38、第二进气口24及第二排气口18，所述第一进气口40位于所述熔化室1上部，所述第二排气口34位于所述水雾化室35侧面，所述通气孔38设置在所述水雾化喷盘6中，所述第二进气口24设置在所述激光球化室15上部，所述第二排气口18设置在所述激光球化室15侧面；所述控制系统包括控制器25及计算机26，控制信息由所述计算机26输入，传递给所述控制器25，所述控制器25通过数据线分别与所述三个结构相同的激光发生器23、所述第二阀门27以及所述第一阀门30连接。
本发明利用水雾化法和激光球化法组合式雾化制备球形金属粉末，其优势在于首先利用水雾化制取大量粉末，水雾化的优点是成本低、生产效率高、粒度小，而缺点是水雾化制得的粉末氧含量高，形貌不规则；激光球化法的优点是激光能量和方向性可控性高，使不规则粉末球化。本发明结合了水雾化法和激光球化法两种方法，使两者优势互补，并且弥补其中的不足，制取的球形金属粉末在3D打印等先进制造技术的实际生产中有广泛的应用前景。
附图说明：
图1为本发明一种组合式雾化制备球形金属粉末装置的结构示意图；
图2为本发明中的激光发生器位置安装示意图。
图中：1：熔化室；2：坩埚；3：加热器；4：金属原料；5：金属熔融液；6：水雾化喷盘；7：水流管道；8：高压储水器；9：水流喷嘴；10：水位控制开关；11：水位控制管道；12：回收装置；13：初次雾化粉末；14：粉体暂存室；15：激光球化室；16：约束罩；17：约束罩支架；18：第二排气口；19：集料器；20：球形粉末；21：密封门；22：耐高温透明玻璃；23：激光发生器；24：第二进气口；25：控制器；26：计算机；27：第二阀门；28：加热网；29：第三排气口；30：第一阀门；31：排水口；32：排水开关；33：滤网；34：第一排气口；35：水雾化室；36：金属液流；37：导液管；38：通气孔；39：套管；40：第一进气口。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明所提供的一种组合式雾化制备球形金属粉末的装置，该装置包括金属熔化系统、水雾化系统、粉末干燥系统、激光球化系统、粉末收集系统、气体循环系统、控制系统。
所述金属熔化系统包括熔化室1、坩埚2、加热器3、金属原料4、金属熔融液5，用于提供水雾化所用的金属熔融液5；所述金属原料4放在所述坩埚2内；所述坩埚2置于熔化室1内，所述坩埚2与熔化室1底部均开有小口；所述加热器3安装在坩埚2周围，用于加热熔化金属原料4形成金属熔融液5；
所述水雾化系统包括导液管37、套管39、金属液流36、水雾化室35、水雾化喷盘6、水流管道7、高压储水器8、水流喷嘴9、水位控制开关10、水位控制管道11、回收装置12、初次雾化粉末13、排水口31、排水开关32、滤网33，用于制备初次雾化粉末13；所述导液管37与坩埚2底部小孔相连接，金属熔融液5通过所述导液管37形成金属液流36；所述导液管37周围设有套管39，用于对金属熔融液5保温，防止导液管37口因金属熔融液5凝固而堵塞；所述水雾化喷盘6位于熔化室1下方，水雾化室35上方；所述水雾化喷盘6外侧连有水流管道7；所述高压储水器8装有高压水，经过水流管道7和水流喷嘴9形成高压水流与所述金属液流36撞击，形成微滴流并快速冷却成初次雾化粉末13；所述水位控制管道11安装在水雾化室35侧面；所述水位控制管道11上设有水位控制开关10，当水雾化室35内水位超出管道口高度时，打开水位控制开关10，排出水，使水位保持在设定高度；所述回收装置12与水位控制管道11末端相连，用于对排出的水回收再利用；所述排水口31设在水雾化室35下方，所述排水口31设有排水开关32和滤网33，待初次雾化粉末13制取完毕，打开排水开关32排出剩余水；所述滤网33可以初次雾化粉末13堵塞排水口31。
所述粉末干燥系统包括第一阀门30、粉体暂存室14、初次雾化粉末13、加热网28、第三排气口29，用于干燥初次雾化粉末13；所述粉体暂存室14与水雾化室35下方，通过连通管相连，并且连通管上设有第一阀门30；所述加热网28设置在粉体暂存室14内，当初次雾化粉末13经过所述加热网28时，残留的水蒸发为水汽从第三排气口排出，从而得到干燥的初次雾化粉末13；所述第三排气口29设在粉体暂存室14侧面；
所述激光球化系统包括第二阀门27、激光球化室15、约束罩16、约束罩支架17、耐高温透明玻璃22、激光发生器23，对初次雾化粉末13进行球化，最终制得所需粉末；所述激光球化室15与粉体暂存室14下方通过连通管相连，且连通管上设有第二阀门27；所述约束罩16固定于约束罩支架17，所述约束罩支架17与激光球化室15内壁固定，所述约束罩16由耐高温玻璃制成，所述约束罩支架17由上下各四根杆件构成；所述激光发生器23设置在激光球化室15周围，三个相同的激光发生器23在同一水平面上呈120°设置，使初次雾化粉末13充分球化；所述耐高温透明玻璃22安装在激光球化室15壁，以便光束可以顺利照射进激光球化室15内。
所述粉末收集系统包括集粉器19、球形粉末20、密封门21，用于收集球形粉末20；所述集粉器19置于激光球化室15底部，且在约束罩16正下方，用来收集球形粉末20；所述密封门21设置在激光球化室15侧下方，可使集粉器19能随时放进或取出。
所述气体循环系统包括第一进气口40、第一排气口34、通气孔38、第二进气口24、第二排气口18，保证整个雾化过程在惰性气体环境下进行；所述第一进气口40位于熔化室1上方，所述第二排气口34位于水雾化室35侧面；所述通气孔38在水雾化喷盘6内开通，所述通气孔38能使惰性气体顺利进入水雾化室35，保证水雾化过程在惰性气体环境下进行；所述第二进气口24设在激光球化室15上方，所述第二排气口18设在激光球化室15侧面。
所述控制系统包括控制器25和计算机26，控制信息由计算机26输入，传递给所述控制器25，所述控制器25通过数据线分别与所述激光发生器23、第二阀门27以及第一阀门30连接，用于控制第一阀门30以及控制第二阀门27打开和激光发生器23开启的时间，保证打开第二阀门27后，初次雾化粉末13下落到激光辐照范围的同时开启激光发生器23，防止过早开启激光发生器23使光束照射到激光球化室15内壁而造成损坏。
本发明方法具体步骤如下：
(1)保持第一阀门30和第二阀门27处于关闭状态，然后通过第一进气口40和第二进气口24向熔化室1内通入足量惰性气体，使坩埚2、水雾化室35以及激光球化室15内处于惰性气体环境中，防止熔化过程中金属原料被氧化以及减少制得的粉末氧含量。
(2)通过加热器3开始加热坩埚2内的金属原料4，将其熔化成金属熔融液5，金属熔融液5通过坩埚2下方小孔，并在重力作用下通过与小孔相连的导液管37形成金属液流36，在水雾化室35内水流喷嘴9喷出高压水流，与金属液流36相遇，相互猛烈撞击，金属液流36粉碎成微滴流并快速冷却形成初次雾化粉末13，同时打开水位控制开关10，从水位控制管道11排出过量的水进入回收装置8。
(3)待金属熔融液5完全雾化成粉末，打开排水开关32，排出剩余水，然后打开第一阀门30，使得初次雾化粉末13经过连接管道进入粉体暂存室14中，经过加热网28，初次雾化粉末13在下落过程中被干燥，待粉末完全进入粉体暂存室14，关闭第一阀门30。
(4)打开第二阀门27，干燥后的初次雾化粉末13进入激光球化室15，落入约束罩16，在经过设定时间后开启三个激光发生器23，光束通过耐高温透明玻璃22，恰好辐照在约束罩16内的初次雾化粉末13上，初次雾化粉末13迅速升温熔化，在表面张力的作用下收缩成球形粉末20。
(5)球形粉末20在重力作用下落入设置在激光球化室15底部的集粉器19中，最终完成金属粉末的制备。
Claims (5)
1.一种组合式雾化制备球形金属粉末的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)保持第一阀门(30)和第二阀门(27)处于关闭状态，然后通过第一进气口(40)和第二进气口(24)向熔化室(1)内通入足量惰性气体，使坩埚(2)、水雾化室(35)以及激光球化室(15)内处于惰性气体环境中；
(2)通过加热器(3)开始加热所述坩埚(2)内的金属原料(4)，将所述金属原料(4)熔化成金属熔融液(5)，所述金属熔融液(5)通过所述坩埚(2)下方小孔，所述金属熔融液(5)在重力作用下通过与所述小孔相连的导液管(37)形成金属液流(36)，通过水流喷嘴(9)向所述水雾化室(35)内喷出一定压力的高压水流，所述高压水流与所述金属液流(36)相遇，相互猛烈撞击，所述金属液流(36)粉碎成微滴流并快速冷却形成初次雾化粉末(13)，同时打开水位控制开关(10)，从水位控制管道(11)排出过量的水进入回收装置(12)；
(3)待所述金属熔融液(5)完全雾化成粉末，打开排水开关(32)，排出剩余水，然后打开所述第一阀门(30)，使得所述初次雾化粉末(13)经过连接管道进入粉体暂存室(14)中，经过加热网(28)，干燥所述初次雾化粉末(13)，待粉末完全进入所述粉体暂存室(14)，关闭所述第一阀门(30)；
(4)打开所述第二阀门(27)，干燥后的所述初次雾化粉末(13)进入所述激光球化室(15)，落入约束罩(16)，同时开启三个结构相同的激光发生器(23)，光束通过耐高温透明玻璃(22)辐照在所述约束罩(16)内的干燥后的所述初次雾化粉末(13)上，所述初次雾化粉末(13)迅速升温熔化，在表面张力的作用下收缩成球形粉末(20)；
(5)所述球形粉末(20)在重力作用下落入设置在所述激光球化室(15)底部的集粉器(19)中，最终完成金属粉末的制备。
2.根据权利要求1所述的一种组合式雾化制备球形金属粉末的方法，其特征在于所述高压水流的压力为60-120MPa。
3.根据权利要求1所述的一种组合式雾化制备球形金属粉末的方法，其特征在于所述加热网的温度为103-108℃。
4.根据权利要求1所述的一种组合式雾化制备球形金属粉末的方法，其特征在于所述激光发生器的额定功率为2000W。
5.一种组合式雾化制备球形金属粉末的装置，其特征在于该装置包括金属熔化系统、水雾化系统、粉末干燥系统、激光球化系统、粉末收集系统、气体循环系统及控制系统；所述金属熔化系统位于整个装置的最上方，所述金属熔化系统包括熔化室(1)、坩埚(2)、加热器(3)、金属原料(4)、金属熔融液(5)，所述金属原料(4)放在所述坩埚(2)内，所述坩埚(2)置于所述熔化室(1)内，所述坩埚(2)与所述熔化室(1)底部均设有小孔，所述加热器(3)安装在所述坩埚(2)周围，所述加热器(3)用于加热熔化所述金属原料(4)形成所述金属熔融液(5)；所述水雾化系统位于所述金属熔化系统下方，所述水雾化系统包括导液管(37)、套管(39)、金属液流(36)、水雾化室(35)、水雾化喷盘(6)、水流管道(7)、高压储水器(8)、水流喷嘴(9)、水位控制开关(10)、水位控制管道(11)、回收装置(12)、初次雾化粉末(13)、排水口(31)、排水开关(32)及滤网(33)，所述导液管(37)与所述坩埚(2)底部的小孔相连，所述金属熔融液(5)通过所述导液管(37)形成所述金属液流(36)，所述导液管(37)周围设有所述套管(39)，用于对所述金属熔融液(5)保温，所述水雾化喷盘(6)位于所述熔化室(1)下方，所述水雾化喷盘(6)位于所述水雾化室(35)上方，所述水雾化喷盘(6)外侧连有所述水流管道(7)，所述高压储水器(8)内装有高压水，高压水经过所述水流管道(7)和所述水流喷嘴(9)形成高压水流，高压水流与所述金属液流(36)撞击，形成微滴流并快速冷却成初次雾化粉末(13)，所述水位控制管道(11)安装在所述水雾化室(35)侧面，所述水位控制管道(11)上设有所述水位控制开关(10)，所述回收装置(12)与所述水位控制管道(11)末端相连，所述排水口(31)设在所述水雾化室(35)下方，所述排水口(31)设有所述排水开关(32)和所述滤网(33)；所述粉末干燥系统位于所述水雾化系统下方，所述粉末干燥系统包括第一阀门(30)、粉体暂存室(14)、初次雾化粉末(13)、加热网(28)、第三排气口(29)，所述粉体暂存室(14)设置在所述水雾化室(35)下方，所述粉体暂存室(14)与所述水雾化室(35)通过第一连通管相连，并且在所述第一连通管上设有所述第一阀门(30)，所述加热网(28)设置在所述粉体暂存室(14)内，所述第三排气口(29)设在所述粉体暂存室(14)侧面；所述激光球化系统位于所述粉体暂存室(14)的下方，所述激光球化系统包括第二阀门(27)、激光球化室(15)、约束罩(16)、约束罩支架(17)、耐高温透明玻璃(22)及三个结构相同的激光发生器(23)，所述激光球化室(15)位于所述粉体暂存室(14)的下方，所述激光球化室(15)与所述粉体暂存室(14)通过第二连通管连接，且所述第二连通管上设有所述第二阀门(27)，所述约束罩(16)固定在所述约束罩支架(17)上，所述约束罩支架(17)与所述激光球化室(15)内壁固定，所述三个结构相同的激光发生器(23)设置在所述激光球化室(15)周围，所述三个结构相同的激光发生器(23)在同一水平面上呈120°设置，所述耐高温透明玻璃(22)安装在所述激光球化室(15)的外壁；所述粉末收集系统包括集粉器(19)、球形粉末(20)及密封门(21)，所述集粉器(19)置于激光球化室(15)底部，且在约束罩(16)正下方，用来收集球形粉末(20)，所述密封门(21)设置在激光球化室(15)的侧下方；所述气体循环系统包括第一进气口(40)、第一排气口(34)、通气孔(38)、第二进气口(24)及第二排气口(18)，所述第一进气口(40)位于所述熔化室(1)上部，所述第二排气口(34)位于所述水雾化室(35)侧面，所述通气孔(38)设置在所述水雾化喷盘(6)中，所述第二进气口(24)设置在所述激光球化室(15)上部，所述第二排气口(18)设置在所述激光球化室(15)侧面；所述控制系统包括控制器(25)及计算机(26)，控制信息由所述计算机(26)输入，传递给所述控制器(25)，所述控制器(25)通过数据线分别与所述三个结构相同的激光发生器(23)、所述第二阀门(27)以及所述第一阀门(30)连接。
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