CN112643020B - 一种金属粉末球化整形装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属粉末球化整形装置及其使用方法，金属粉末球化整形装置包括粉料缸、加热线圈、通气管道、电风机、储气罐、加热装置及降温装置，所述粉料缸的下端为进气端，所述粉料缸的上端为出气端，所述储气罐通过通气管道连接所述粉料缸的进气端，在所述储气罐与所述粉料缸的进气端之间设置有电风机与加热装置，所述粉料缸的出气端通过通气管道连接至所述储气罐，所述粉料缸的出气端与所述储气罐之间设置有降温装置，所述加热线圈设置在粉料缸外侧，用于对粉料缸内部进行加热。与现有技术相比，本发明通过高温保护气体流化粉末进而整形成球形。本发明工艺简单，球形化率高，成本低廉。

Description

一种金属粉末球化整形装置及其使用方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，尤其是涉及一种金属粉末球化整形装置及其使用方法。

背景技术

3D打印（增材制造Additive Manufacturing，AM）为金属粉末材料成型提供了一个理想的途径，已成为金属粉末成型的一项十分重要的技术，现如今，可用于金属3D打印的材料主要包括铝合金、不锈钢、钛合金等合金粉末，所制成的成型件在航空航天、医疗、汽车等行业有着广泛的应用。选择性激光熔化技术（Selective Laser Melting，SLM）作为金属3D打印的一种，在3D打印市场上有着举足轻重的地位。而金属粉末材料的流动性、粒径分布和化学成分等特性对打印过程中的工艺参数的设置和成型件的最终性能（如机械性能）起着关键的作用。在这当中，粉末的流动性显得至关重要，与不规则形状粉末相比，在3D打印中使用球形粉末可以提供更高的颗粒流动性，更好的粉末铺展性，从而获得更加优异的性能。

目前，生产球形粉末的方法主要有气体雾化法(GA)、等离子体旋转电极法(PREP)等。

气体雾化法是在外力作用下将液体金属或合金直接破碎成为细小液滴，并快速冷凝制得粉末，是一种较简便且经济的粉末生产方法。但是，这种方法制得的粉末通常粒径分布较宽，并且具有较差的球形度，在使用的过程中，需要根据实际情况进行二次筛分。

等离子体旋转电极法以金属或合金制成自耗电极，其端面受电弧加热而熔融为液体，通过电极高速旋转的离心力将液体抛出并粉碎为细小液滴，继而冷凝为粉末的制粉方法。旋转电极法制取的粉末，其粒度分布范围比较窄，约为50～500μm，颗粒形状非常接近球形，表面光洁，流动性好，但这种方法制得的商业金属粉末过于昂贵，很难在工业上广泛应用。

因此，制备出球形度高，流动性好并且价格低廉的金属粉末就成为了亟待解决的问题。

发明内容

为了解决金属粉末球形度不高而导致的较差流动性的技术问题，本发明提供一种金属粉末球化整形装置及其使用方法。

本发明提供的装置通过高温保护气体流化粉末进而整形成球形。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明首先提供一种金属粉末球化整形装置，包括粉料缸、加热线圈、通气管道、电风机、储气罐、加热装置及降温装置，所述粉料缸的下端为进气端，所述粉料缸的上端为出气端，所述储气罐通过通气管道连接所述粉料缸的进气端，在所述储气罐与所述粉料缸的进气端之间设置有电风机与加热装置，所述粉料缸的出气端通过通气管道连接至所述储气罐，所述粉料缸的出气端与所述储气罐之间设置有降温装置，所述加热线圈设置在粉料缸外侧，用于对粉料缸内部进行加热。

本发明中，所述电风机用于将保护气体吹入加热装置，经过加热后从粉料缸的进气端进入粉料缸的内部。所述加热装置用于对待进入粉料缸的保护气体进行加热。所述加热线圈用于对粉料缸内部的金属粉末进行加热。所述降温装置用于对从粉料缸出气端流出的气体进行降温，进而可以使得降温后的气体回流至储气罐内进行循环利用。

在本发明的一个实施方式中，所述粉料缸设置进料口和取料口，所述进料口设置在粉料缸的上部，所述取料口设置在粉料缸的下部。在进行金属粉末球化整形的过程中，要关闭进料口和取料口，并且确保进料口和取料口严格密封。金属粉末通过进料口进入粉料缸中，完成流化后，通过下方的取料口将金属粉末取出。

在本发明的一个实施方式中，所述粉料缸包括位于中间的非金属耐高温管和位于上下两端的高温金属壳体，所述进料口和取料口分别设置在上下两端的高温金属壳体上，所述加热线圈设置在非金属耐高温管的外侧。

优选地，所述高温金属壳体设置为锥形结构。优选地，非金属耐高温管可以由石英、陶瓷等材料构成。

优选地，所述加热线圈采用高频加热线圈，可以是感应或微波类型。所述加热线圈的作用是加热金属粉末到略低于其熔点的温度，这样可以使金属粉末在流化相互碰撞的过程中具有一定的可成型性，促进粉末球化。

在本发明的一个实施方式中，在所述粉料缸的进气端与出气端均设置有筛网。所述筛网即可以防止金属粉末进入通风管道中，又可以使高温保护气体顺利进出粉料缸。

优选地，所述筛网采用耐高温筛网。优选地，所述筛网采用1000目的耐高温筛网。

在本发明的一个实施方式中，所述加热装置采用外置的能够对通气管道内部保护气体进行加热的加热装置。此时，所述加热装置采用普通的加热装置即可。

优选地，所述通气管道在加热装置处设置为迷宫式管道，这样可以增加气体经过管道的时间，从而达到充分预热的目的。

在本发明的一个实施方式中，所述加热装置为直接与通气管道连接的加热管道，所述加热管道包括由外向内依次设置的通气管外壁、外隔热层、内隔热层以及多孔加热层，所述多孔加热层的两端直接与通气管道连接，所述多孔加热层外印刷有导电线路用于发热，可以起到通风、加热的作用。

优选地，所述外隔热层由陶瓷、石英等制成。所述内隔热层由耐火砖构成。所述多孔加热层由多孔陶瓷基体组成。

在本发明的一个实施方式中，所述加热管道为迷宫式管道，这样可以增加气体经过管道的时间，从而达到充分预热的目的。

在本发明的一个实施方式中，所述降温装置采用普通的降温装置即可，例如，可以采用水冷式降温等。

在本发明的一个实施方式中，所述储气罐与通气管道之间设置有通气阀门以及气压表。

本发明还提供所述金属粉末球化整形装置的使用方法，包括以下步骤：

1）将要进行球化整形的金属粉末加入到粉料缸当中；

2）开启电风机，通过电风机将保护气体吹入到加热装置中进行预加热；

3）预加热后的气体从下至上进入粉料缸，带动金属粉末在粉料缸内循环流动；

4）同时，粉料缸外侧的加热线圈对粉料缸内的粉末进行二次加热，加热温度略低于金属粉末的熔点；

5）金属粉末在高温保护气体的带动下，相互碰撞，冲击，不规则形状的粉末逐渐调整为球形；

6）保护气体通过金属粉末后，继续循环向上，经过降温装置降低温度，进入到储气罐中，从而实现回收，达到循环利用的效果。

步骤2）中，应当控制电风机功率为一适当值，可以根据所加工的粉末特性设置，使得保护气体稳定持续地吹入粉料缸。

步骤6）具体为：保护气体在电风机的作用下，流化过粉末后，逐渐通过筛网，随后在通气管道上的降温装置的作用下，降低温度至室温。在流化完成之后，打开储气罐上的通气阀门，使气体回收至储气罐中，待气压表的示数达到一定值后，关闭阀门，达到回收气体的作用，节约成本。

所述保护气体采用惰性气体，优选为高纯氩气。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1）利用本发明所述装置，可以实现金属粉末的流化整形成近似球形，提高了粉末的流动性；

2）利用本发明装置，保护气体可以对金属粉末进行预热，可以去除表面的潮气，使表面活化，另外，可以减小粉末颗粒之间的温度差，防止应力的产生使颗粒破碎，提高球化质量和效率；

3）利用所述粉料缸上下部分使用的筛网，可以实现稀有保护气体的循环流动，并且可回收，节约了成本；

4）使用本发明所述装置，工艺简单，球形化率高，成本低廉。

附图说明

图1为本发明实施例1中金属粉末流化整形装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1中金属粉末流化整形装置中加热管道的内部结构示意图；

图3为本发明实施例1中金属粉末流化整形装置中加热管道采用的迷宫式布设结构示意图；

图4为采用本发明实施例2方法处理前后粉末颗粒对比电镜图。

附图标记说明：

1-粉料缸；2-筛网；3-加热线圈；4-进料口；5-取料口；6-通气管道；7-电风机；8-通气阀门；9-储气罐；10-气压表；11-非金属耐高温管；12-高温金属壳体；13-通气管外壁；14-外隔热层；15-内隔热层；16-多孔加热层；17、加热装置；18、降温装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

参考图1，本实施例首先提供一种金属粉末球化整形装置，包括粉料缸1、加热线圈3、通气管道6、电风机7、储气罐9、加热装置17及降温装置18，所述粉料缸1的下端为进气端，所述粉料缸1的上端为出气端，所述储气罐9通过通气管道6连接所述粉料缸1的进气端，在所述储气罐9与所述粉料缸1的进气端之间设置有电风机7与加热装置17，所述粉料缸1的出气端通过通气管道6连接至所述储气罐9，所述粉料缸1的出气端与所述储气罐9之间设置有降温装置18，所述加热线圈3设置在粉料缸1外侧，用于对粉料缸1内部进行加热。

本实施例中，所述电风机7用于将保护气体吹入加热装置17，经过加热后从粉料缸1的进气端进入粉料缸1的内部。所述加热装置17用于对待进入粉料缸1的保护气体进行加热。所述加热线圈3用于对粉料缸1内部的金属粉末进行加热。所述降温装置18用于对从粉料缸1出气端流出的气体进行降温，进而可以使得降温后的气体回流至储气罐9内进行循环利用。

参考图1，本实施例中，所述粉料缸1设置进料口4和取料口5，所述进料口4设置在粉料缸1的上部，所述取料口5设置在粉料缸1的下部。在进行金属粉末球化整形的过程中，要关闭进料口4和取料口5，并且确保进料口4和取料口5严格密封。金属粉末通过进料口4进入粉料缸1中，完成流化后，通过下方的取料口5将金属粉末取出。

参考图1，本实施例中，所述粉料缸1包括位于中间的非金属耐高温管11和位于上下两端的高温金属壳体12，所述进料口4和取料口5分别设置在上下两端的高温金属壳体12上，所述加热线圈3设置在非金属耐高温管11的外侧。本实施例中，所述高温金属壳体12设置为锥形结构。本实施例中，非金属耐高温管可以由石英、陶瓷等材料构成。

参考图1，本实施例中，所述加热线圈3采用高频加热线圈，可以是感应或微波类型。所述加热线圈3的作用是加热金属粉末到略低于其熔点的温度，这样可以使金属粉末在流化相互碰撞的过程中具有一定的可成型性，促进粉末球化。

参考图1，本实施例中，在所述粉料缸1的进气端与出气端均设置有筛网2。所述筛网2即可以防止金属粉末进入通风管道6中，又可以使高温保护气体顺利进出粉料缸1。本实施例中，所述筛网2采用1000目的耐高温筛网。

参考图2，本实施例中，所述加热装置17为直接与通气管道6连接的加热管道，所述加热管道包括由外向内依次设置的通气管外壁13、外隔热层14、内隔热层15以及多孔加热层16，所述多孔加热层16的两端直接与通气管道6连接，所述多孔加热层16外印刷有导电线路用于发热，可以起到通风、加热的作用。

本实施例中，所述外隔热层14由陶瓷或石英等制成。所述内隔热层15由耐火砖构成。所述多孔加热层16由多孔陶瓷基体组成。

参考图3，本实施例中，所述加热管道为迷宫式管道，这样可以增加气体经过管道的时间，从而达到充分预热的目的。

本实施例中，所述降温装置18采用普通的降温装置即可，例如，可以采用水冷式降温等。

参考图1，本实施例中，所述储气罐9与通气管道6之间设置有通气阀门8以及气压表10。

本实施例还提供所述金属粉末球化整形装置的使用方法，包括以下步骤：

1）将要进行球化整形的金属粉末加入到粉料缸当中；

2）开启电风机，通过电风机将保护气体吹入到加热装置中进行预加热；

3）预加热后的气体从下至上进入粉料缸，带动金属粉末在粉料缸内循环流动；

4）同时，粉料缸外侧的加热线圈对粉料缸内的粉末进行二次加热，加热温度略低于金属粉末的熔点；

5）金属粉末在高温保护气体的带动下，相互碰撞，冲击，不规则形状的粉末逐渐调整为球形；

6）保护气体通过金属粉末后，继续循环向上，经过降温装置降低温度，进入到储气罐中，从而实现回收，达到循环利用的效果。

步骤2）中，应当控制电风机功率为一适当值，可以根据所加工的粉末特性设置，使得保护气体稳定持续地吹入粉料缸。

步骤6）具体为：保护气体在电风机的作用下，流化过粉末后，逐渐通过筛网，随后在通气管道上的降温装置的作用下，降低温度至室温。在流化完成之后，打开储气罐上的通气阀门，使气体回收至储气罐中，待气压表的示数达到一定值后，关闭阀门，达到回收气体的作用，节约成本。

所述保护气体采用惰性气体，优选为高纯氩气。

实施例2

采用如实施例1所示的装置，对AlSi20％铝合金粉末进行球形化整形处理。

称取AlSi20％铝合金粉末1kg，打开进料口，将粉末倒入粉料缸内，关闭进料口阀门，并且确保进料口与取料口严格密封。打开电风机调整功率为100W，然后打开储气罐的通气阀门，将高纯氩气持续吹入通气管中。高纯氩气在加热管道的多孔陶瓷基体上的导电线路的作用下，加热温度至400-550℃，随后氩气通过筛网进入粉料缸内部，带动铝合金粉末在缸体内翻滚5分钟后，打开加热线圈电源，升高温度至600-620℃。1-2个小时后，关闭加热线圈电源和加热电源，打开储气罐上的通气阀门，将高纯氩气全部回收，然后关闭阀门和电风机电源。等缸体内粉末完全停止运动后，打开取料口，将铝合金粉末全部取出后，关闭取料口。

经检测，本实施例所得粉末的球形度：最大球形度0.985，最小球形度0.693，平均球形度0.931。粒度分布：D10=16.77μm，D50=37.25μm，D90=52.34μm。标准：15μm≤D10≤25μm，30μm≤D50≤45μm，50μm≤D90≤65μm。

采用本实施例方法处理前后粉末颗粒对比如图4所示，图4中左侧为采用本实施例方法处理前粉末颗粒的电镜图，图4中右侧为采用本实施例方法处理后粉末颗粒的电镜图。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种金属粉末球化整形装置，其特征在于，包括粉料缸（1）、加热线圈（3）、通气管道（6）、电风机（7）、储气罐（9）、加热装置（17）及降温装置（18），所述粉料缸（1）的下端为进气端，所述粉料缸（1）的上端为出气端，所述储气罐（9）通过通气管道（6）连接所述粉料缸（1）的进气端，在所述储气罐（9）与所述粉料缸（1）的进气端之间设置有电风机（7）与加热装置（17），所述粉料缸（1）的出气端通过通气管道（6）连接至所述储气罐（9），所述粉料缸（1）的出气端与所述储气罐（9）之间设置有降温装置（18），所述加热线圈（3）设置在粉料缸（1）外侧，用于对粉料缸（1）内部进行加热；

所述粉料缸（1）包括位于中间的非金属耐高温管（11）和位于上下两端的高温金属壳体（12），所述加热线圈（3）设置在非金属耐高温管（11）的外侧；

所述加热装置（17）为直接与通气管道（6）连接的加热管道，所述加热管道包括由外向内依次设置的通气管外壁（13）、外隔热层（14）、内隔热层（15）以及多孔加热层（16），所述多孔加热层（16）的两端直接与通气管道（6）连接，所述多孔加热层（16）外印刷有导电线路用于发热；所述加热管道为迷宫式管道。

2.根据权利要求1所述的一种金属粉末球化整形装置，其特征在于，所述粉料缸（1）设置进料口（4）和取料口（5），所述进料口（4）设置在粉料缸（1）的上部，所述取料口（5）设置在粉料缸（1）的下部。

3.根据权利要求2所述的一种金属粉末球化整形装置，其特征在于，所述进料口（4）和取料口（5）分别设置在上下两端的高温金属壳体（12）上。

4.根据权利要求1所述的一种金属粉末球化整形装置，其特征在于，在所述粉料缸（1）的进气端与出气端均设置有筛网（2）。

5.根据权利要求1所述的一种金属粉末球化整形装置，其特征在于，所述加热装置（17）采用外置的能够对通气管道（6）内部保护气体进行加热的加热装置。

6.根据权利要求1所述的一种金属粉末球化整形装置，其特征在于，所述储气罐（9）与通气管道（6）之间设置有通气阀门（8）以及气压表（10）。

7.权利要求1-6中任一项所述金属粉末球化整形装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将要进行球化整形的金属粉末加入到粉料缸当中；

2）开启电风机，通过电风机将保护气体吹入到加热装置中进行预加热；

3）预加热后的气体从下至上进入粉料缸，带动金属粉末在粉料缸内循环流动；

4）同时，粉料缸外侧的加热线圈对粉料缸内的粉末进行二次加热，加热温度低于金属粉末的熔点；

5）金属粉末在高温保护气体的带动下，相互碰撞，冲击，不规则形状的粉末逐渐调整为球形；

6）保护气体通过金属粉末后，继续循环向上，经过降温装置降低温度，进入到储气罐中，从而实现回收。

8.根据权利要求7所述金属粉末球化整形装置的使用方法，其特征在于，所述保护气体采用惰性气体。

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