CN212526060U - 一种金属粉末雾化设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种金属粉末雾化设备，包括舱体；舱体一端设置有下料口，舱体另一端水平设置有至少3个旋转器；每个旋转器包含竖直设置的旋转器轴及设置在旋转器轴上的两个旋转器转盘；舱体另一端还设置有雾化转盘，雾化转盘包含雾化转盘板及设置于雾化转盘板上表面和下表面的转盘圆台；雾化转盘通过转盘圆台装配于至少3个旋转器之间；舱体的另一端还竖直设置有支撑杆，支撑杆的上端固定有熔化器，熔化器中流出的金属液柱下落至雾化转盘板上，且随雾化转盘运动的切线方向指向下料口。本实用新型针对<50μm的细粉段，显著提高了细粉的收率，且降低了成本。

Description

一种金属粉末雾化设备

技术领域

本实用新型涉及粉末冶金技术领域，尤其涉及一种金属粉末雾化设备。

背景技术

金属粉末是一种广泛应用于粉末冶金工业、增材制造工业的金属上游原材料，其使用粒度区间通常在15-300μm之间。其中，一般粉末冶金通常使用50-150μm，而诸如选择性激光熔覆(SLM,selective laser melting)等增材制造技术，则通常使用15-50μm的粉末作为原材料。

为便于控制杂质，业内普遍使用雾化的方式制备金属粉末。依据雾化的原理不同，通常分为气体雾化法、水雾化法、等离子雾化、离心雾化法、超声雾化法等。

对于铝、钛、钢、镍等常用金属，气体雾化法的技术发展最为成熟，占据市场比例较大，分支也较多，典型技术如EIGA(electrode induction-melting inert gasatomization)、VIGA(vacuum induction melting inert gas atomization)，其基本原理以高压气体喷射熔融金属液体获得雾化粉末，易于控制；水雾化法则使用高压水流喷射熔融金属获得雾化粉末，由于接触水介质容易引入杂质，因而目前只在少量的钢粉生产中还在使用；等离子雾化则使用等离子炬热源作为提供雾化动能和热能的流体，以金属丝材作为雾化原材料，能够提供较好的雾化效果，但其受制于材料限制(某些合金制丝不易)；离心雾化则以离心力作为雾化动力，目前的主流技术是等离子旋转电极雾化技术(PREP,plasmarotating electrode process)，其以高速沿轴线自转的圆柱棒材的一端靠近等离子炬火焰熔融，以离心力将液滴甩出得到雾化粉末，但该原理的雾化颗粒尺寸强烈受到转速影响(转速越高粒度越细)，目前的工业能力所提供的转速很难在15-50μm段产生较高的收益；超声雾化的效果非常好，但受制于大功率长寿命换能器的不易实现的制约，目前的产能难以满足工业大批量生产需求。

近些年来，随着金属增材制造技术的发展，业内对于细粒度(15-150μm段)的金属粉末的需求猛增，这也导致主流的雾化技术的占比发生很大变化。增材制造所使用的金属粉末应当满足成本低、杂质含量少、流动性优良、粉体自身缺陷少的特点。因而目前产业能够满足增材制造的雾化技术流派，仅以气体雾化类技术为主，少量以离心雾化技术的等离子旋转电极雾化工艺提供一些50-150μm粒度段的粗粉。

一般来说，粉床类金属增材制造技术的精度，主要取决于原材料使用的粉末粒度，一般认为粒度越细则精度更高。但若粉末粒度非常细(如<15μm)，则由于粉体表面能激增，很难控制表面污染杂质含量。因而，对于精度要求较高的粉床类增材制造技术，如SLM等，通常使用15-50μm粒度的粉末。业内也有EBM(electron beam melting)电子束熔覆增材制造技术，使用50-150μm的粉末，其使用较粗粉末的原因通常被认为是电子束的热溅射效应较大，为避免粉末受热时跑飞，需要更大的颗粒以获得在扫描熔化过程的位置稳定性。

目前主流的粉床类增材技术，相较于其他金属增材技术，其成型零件的精度更高，但效率低，一次成本较高；若考虑成型后零件需要二次加工恢复尺寸精度的成本，则粉床类金属增材制造技术对于中等复杂零件的最终成本反而更低。而考虑到后处理的精度问题导致的成本激增以及流程复杂化，事实上，SLM类的细粉(15-50μm)粉床金属增材制造技术对于中等复杂度的零件的经济性优势反而更好。

此外，各种雾化类技术对于细粉(<50μm)的收率均较低，这是由于各种雾化系统要将粉末更细化所消耗的代价是更复杂的。以Ti6Al4V合金来说，就目前各类技术的工业能力来说，气体雾化类技术制备细粉(<50μm)的收率通产在20-30wt.％，等离子雾化通常在40wt.％，离心雾化则通常<10wt.％。

综上所述，业内目前对于细粉的高需求和低收率现状，显然证明了目前的主流雾化技术是不合理的，其主要矛盾点为：

(1)气体雾化类技术可以提供较好的细粉收率，但由于气体雾化技术在雾化时引入气孔缺陷，这使得粉末中的固有缺陷较多，这些缺陷将会给增材零件带来难以消除的隐患，因而其经济性是以牺牲安全性为代价的；

(2)如等离子雾化的改进雾化技术，能够解决细粉收率不高的问题，且其粉末质量也较高，但由于其原材料必须为精深加工的丝材，这使得其成本优势被更昂贵的丝材工艺抵消了，并且其适配的合金范围有限(不能用于塑性差或者强度过高的合金)，影响了技术的普适性；

离心雾化技术在原理上不需要气体参与，因而其粉末洁净，空心率极低，粉末品质最理想，但受制于目前的工业能力提供的转速有限，导致该技术的细粉收率极低，几乎不具有任何经济性。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种金属粉末雾化设备，特别针对粉床类增材制造粉末的细粉段(<50μm)，可显著提高细粉的收率，粉末质量优异，且成本较低。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现。

一种金属粉末雾化设备，包括：舱体；所述舱体的底部的一端设置有下料口，所述舱体的底部的另一端水平设置有至少3个旋转器；每个所述旋转器包含竖直设置的旋转器轴，所述旋转器轴上设置有两个旋转器转盘，且所述旋转器轴分别穿过每个旋转器转盘的中心；两个所述旋转器转盘之间设置有间隙；所述舱体的另一端还设置有雾化转盘，所述雾化转盘包含雾化转盘板，所述雾化转盘板的上表面和下表面的中心处分别对称设置有转盘圆台；所述雾化转盘通过所述转盘圆台装配于所述至少3个旋转器之间，且所述雾化转盘板位于每个旋转器的两个旋转器转盘之间的间隙处；所述舱体的另一端还竖直设置有支撑杆，所述支撑杆的上端固定有熔化器，所述熔化器中流出的金属液柱下落至所述雾化转盘板的上表面，且随雾化转盘运动的切线方向指向所述下料口。

本实用新型技术方案的特点和进一步的改进在于：

优选的，每个旋转器的两个旋转器转盘的边缘分别设置有相互反方向的第一斜切面；两个所述转盘圆台的边缘分别设置有与对应的旋转器转盘的第一斜切面相反方向的第二斜切面；且通过对应的第二斜切面与第一斜切面的相互配合，实现所述雾化转盘与至少3个旋转器之间的装配。

优选的，所述旋转器为3个。

进一步优选的，3个所述旋转器的旋转器转盘的半径相等。

进一步优选的，其中两个旋转器的旋转器转盘的半径相等，且小于另一个旋转器的旋转器转盘的半径。

优选的，所述熔化器中流出的金属液柱下落至所述雾化转盘板的上表面的边缘。

优选的，所述熔化器包含坩埚或锥形螺线管感应加热器。

优选的，所述下料口连接有储料罐。

优选的，所述旋转器与所述下料口之间的舱体内还设置有冷却装置。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型的金属粉末雾化设备利用转盘实现二级加速，使得金属液滴的离心效果更好，获得的粉末更细，且显著提高了细粉的收率，同时降低了金属原料成本和设备制造、维护成本，经济性更佳。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的金属粉末雾化设备的一种实施例的结构示意图；

图2为本实用新型的金属粉末雾化设备中的旋转器的一种实施例的结构示意图；

图3为本实用新型的金属粉末雾化设备中的雾化转盘的一种实施例的结构示意图；

图4为本实用新型的金属粉末雾化设备中的旋转器与雾化转盘相互配合的一种实施例的立体结构示意图；

图5为本实用新型的金属粉末雾化设备中的旋转器与雾化转盘相互配合的一种实施例的平面结构示意图；

图6为本实用新型的金属粉末雾化设备中的旋转器与雾化转盘相互配合的另一种实施例的平面结构示意图；

图7为本实用新型的金属粉末雾化设备中金属液柱下落至雾化转盘板边缘的示意图。

图8为坩埚的结构示意图；

图9为锥形螺线管感应加热器的结构示意图。

以上图1-图9中：1舱体1；2下料口；3旋转器；4旋转器轴；5旋转器转盘；6雾化转盘；7雾化转盘板；8转盘圆台；9支撑杆；10熔化器；11金属液柱；12第一斜切面；13第二斜切面；14坩埚；15锥形螺线管感应加热器；151棒材；152棒料转盘；153棒料转轴；154支架；155锥形螺线管；16储料罐。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参考图1，本实用新型实施例，提供一种金属粉末雾化设备，特别针对制备粉床类增材制造粉末的细粉段(<50μm)，包括：舱体1；所述舱体1的底部的一端设置有下料口2，所述舱体1的底部的另一端水平设置有至少3个旋转器3；每个所述旋转器3包含竖直设置的旋转器轴4，所述旋转器轴4上设置有两个旋转器转盘5，且所述旋转器轴4分别穿过每个旋转器转盘5的中心；两个所述旋转器转盘5之间设置有间隙；所述舱体1的另一端还设置有雾化转盘6，所述雾化转盘6包含雾化转盘板7，所述雾化转盘板7的上表面和下表面的中心处分别对称设置有转盘圆台8；所述雾化转盘6通过所述转盘圆台8装配于所述至少3个旋转器3之间，且所述雾化转盘板7位于每个旋转器3的两个旋转器转盘5之间的间隙处；所述舱体1的另一端还竖直设置有支撑杆9，所述支撑杆9的上端固定有熔化器10，所述熔化器10中流出的金属液柱11下落至所述雾化转盘板7的上表面，且随雾化转盘6运动的切线方向指向所述下料口2。

在以上实施例中，熔化器10用于装载待雾化的金属原料，金属原料在熔化器10中熔融之后，从熔化器10的中心竖直下落至高速旋转的雾化转盘板7的上表面，在接触到高速旋转的雾化转盘板7时被立即甩飞，并沿着预先设定好的轨迹落入舱体1一端的下料口2；其中，预先设定好的轨迹即为平行于雾化转盘板7的切线方向。

在以上实施例中，至少3个旋转器3与雾化转盘6相互配合，保证装配时雾化转盘6不会在高速旋转时飞出，从而实现利用旋转器3旋转带动雾化转盘6的高速旋转。也就是说，利用转盘实现了二级加速，假设旋转器3的转盘的半径为R₁，转盘圆台8的半径为R₂，雾化转盘板7的半径为R₃。在工作状态，假设旋转器3接有电机，其角速度为w，那么，旋转器转盘5和转盘圆台8保持同样的线速度，则被旋转器3带动的雾化转盘6的角速度为

由于R₁>R₂，则相对于旋转器转盘5，雾化转盘6的转速会被放大很多倍。

而离心雾化的过程主要是受到离心切向线速度的影响，线速度越大，则雾化的粉末的粒度更细。在以上实施例中，若金属液柱11掉落至雾化转盘板7的边缘，则其获得的线速度为

该线速度经过两次放大，获得了更高的线速度。

金属液柱11下落至雾化转盘6上的区域成为雾化区，当金属液柱11滴落至雾化区时，金属液柱11会在旋转的作用下展开成小的液膜，液膜的边缘在离心作用下甩出小液滴，小液滴会在瞬间获得接近

的线速度，其获得的离心加速度为

液滴在上述的加速度a的作用下，被甩出雾化区，沿着高速旋转的雾化转盘6的切线方向，朝着舱体1一端的下料口2飞去。在这个飞行的过程中，液滴快速凝固，形成固态粉末颗粒，由此完成金属粉末的离心雾化过程。

参考图2-图4，根据本实用新型的一个实施例，每个旋转器3的两个旋转器转盘5的边缘分别设置有相互反方向的第一斜切面12；两个所述转盘圆台8的边缘分别设置有与对应的旋转器转盘5的第一斜切面12相反方向的第二斜切面13；通过对应的第二斜切面13与第一斜切面12的相互配合，实现所述雾化转盘6与至少3个旋转器3之间的装配。

具体的，参考图2，每个旋转器轴4上端的旋转器转盘5的边缘设置有向下倾斜有一定角度的第一斜切面12，每个旋转器轴4的下端的旋转器转盘5的边缘设置有向上倾斜有一定角度的第一斜切面12。

参考图3，雾化转盘6的上表面的转盘圆台8设置有与旋转器轴4上端的旋转器转盘5的边缘的第一斜切面12相反方向的第二斜切面13，且角度相等；雾化转盘6的下表面的转盘圆台8设置有与旋转器轴4下端的旋转器转盘5的边缘的第一斜切面12相反方向的第二斜切面13，且角度相等，角度的设置需保证雾化转盘6在被旋转器3带动旋转时不会跑偏。

参考图4，转盘圆台8与每个旋转器转盘5的边缘相切在一起，实现将雾化转盘6装配于至少3个旋转器3之间，其中雾化转盘板7夹持于上下两个旋转器转盘5之间，进而实现利用旋转器3带动雾化转盘6的高速旋转。由于在一些条件下，轴承的承力和高速是相互矛盾的；因此，本实用新型实施例利用类似齿轮传送的方式，由旋转器3转盘和雾化转盘的转盘圆台之间的角度啮合，保证了限位，使得雾化转盘的旋转不需要额外的轴承进行限制，脱离了轴承的约束，实现了极高速的旋转。

根据本实用新型的一个实施例，所述旋转器3为3个。

3个旋转器3将雾化转盘6稳定的夹持在中间，使雾化转盘6随着旋转器3的转动而高速旋转。

参考图5，根据本实用新型的一个实施例，3个所述旋转器3的旋转器转盘5的半径相等。

在以上实施例中，3个旋转器3的旋转器转盘5的半径相等，通过转盘圆台8将雾化转盘6稳定的夹持的中间，调整转盘圆台8的上下底面的半径，以及调整金属液柱11滴落至雾化转盘6上的位置，使金属液柱11随着高速旋转的雾化转盘6被甩飞时，保证旋转器轴4对其不产生遮挡影响。3个旋转器3的旋转器转盘5的半径相等，利于加工，经济性更佳。

参考图6，根据本实用新型的一个实施例，3个旋转器3中的其中两个的旋转器转盘5的半径相等，且小于另一个旋转器3的旋转器转盘5的半径。

在以上实施例中，为了方便描述，本实用新型实施例将两个半径相等的旋转器分别称为第一旋转器和第二旋转器，将另外一个旋转器称为第三旋转器。参考图6，本实用新型实施例将第一旋转器和第二旋转器分别置于第三旋转器的两侧，由于第一旋转器和第二旋转器的转盘半径小于第三旋转器的转盘半径，将金属液柱掉落至雾化转盘的位置尽可能的远离第三旋转器，这样金属液柱与雾化转盘的接触点就更靠外，当金属液柱掉落至雾化转盘上时，金属液滴被甩飞的路径轨道就更顺畅，更大程度的避免了旋转器轴的影响。

参考图7，根据本实用新型的一个实施例，所述熔化器10中流出的金属液柱11下落至所述雾化转盘板7的上表面的边缘。

在以上实施例中，支撑杆9的设置使从熔化器10中流出的金属液柱11刚好下落至雾化转盘板7的上表面的边缘，这样金属液滴所获得的离心加速度最大，离心雾化的效果更佳。

参考图8和图9，根据本实用新型的一个实施例，所述熔化器10包含坩埚14或锥形螺线管感应加热器15。

在以上实施例中，熔化器10用于装载待雾化的金属原料，使金属原料在熔化器10中熔融。本实用新型实施例中，参考图8，熔化器10可以为坩埚14，坩埚14的下端为锥形出口，将金属原料放入坩埚14中加热熔化后，金属液柱11顺着锥形出口流出，滴落至雾化转盘6上。参考图9，熔化器10还可以为锥形螺线管感应加热器15；金属原料为棒材151，棒材151的上端固定在棒料转盘152上，棒料转盘152的上端连接有棒料转轴153，棒料转轴153通过支架固定在熔化器10的侧壁上，棒料转轴153的作用是带动棒料转盘152转动并向下运动；棒材151的下端伸入锥形螺线管155的感应区，棒材151在棒料转轴153的带动下转动并慢慢向下移动，并在锥形螺线管155的感应区内熔化。

参考图1，根据本实用新型的一个实施例，所述下料口2连接有储料罐16。储料罐16用于收集离心雾化后的金属粉末。

根据本实用新型的一个实施例，所述旋转器3与所述下料口2之间的舱体1内还设置有冷却装置。

在以上实施例中，金属液柱11下落至雾化转盘6上，并沿着高速旋转的雾化转盘6的切线方向，朝着舱体1一端的下料口2飞去的过程中，液滴快速凝固，形成固态粉末颗粒；为了加速液滴的冷却凝固，本实用新型实施例在液滴飞向下料口2的轨道内设置冷却装置，冷却装置可以为喷气或者风扇。

需要补充的是，参考图1，本实用新型实施例所提供的金属粉末雾化设备的舱体的外形为哨形，相比常规的离心设备的圆形，明显缩小了金属粉末雾化设备的外形尺寸。常规的离心设备由于其雾化的甩出方向是在360度方向均等的，因此其设计实际上浪费了空间。而本实用新型的金属粉末雾化设备，由于其是以切线方向高速雾化离心，让液滴的雾化流线全部沿着预设轨道飞行，因而只要设计该轨道的雾化室空间即可，大幅度节约了雾化室的空间，降低了设备的制造与维护成本。

此外，常规的金属粉末雾化设备中所用到的金属原料为实心棒材，且要求棒材的外形为精度非常高的圆柱体，因此原料成本非常高。而本申请所采用的原料为金属棒材原坯，不需要对原料进行加工，因此，原料成本明显降低。

为了更清楚的说明本实用新型的金属粉末雾化设备，以常规等离子旋转电极雾化设备作为对照，通过具体的实验结果对本实用新型的金属粉末雾化设备的产率进行详细说明，具体如下：

对比例：

采用常规等离子旋转电极雾化设备制造细粉段(<50μm)的粉末，采用直径75mm棒材，设置转速为15000rpm，生产Ti6Al4V合金粉末，其取样筛分后得到的粒度分布为：<45μm0.49wt.％，45-53μm 0.45wt.％，53-75μm 2.77wt.％，75-106μm 10.27wt.％，106-150μm31.34wt.％，150-180μm 26.08wt.％，>180μm 28.61wt.％。

采用本实用新型的金属粉末雾化设备，同样设置旋转器转轴的转速为15000rpm，所制备得到的粉末的粒度分布为：<45μm 30.49wt.％，45-53μm 19.84wt.％，53-75μm43.63wt.％，>75μm 6.04wt.％。

通过以上实验可以看出，采用本实用新型所提供的金属粉末雾化设备制备细粉的收率明显比常规的等离子旋转电极雾化设备的产率大，换算后的结果为本实用新型的金属粉末雾化设备对于<50μm的细分的收率大概在30-40％左右，而相比于常规的<10％，本实用新型的细粉产率得到了非常明显的提升。此外，本实用新型还可以通过调节旋转器转轴的转速以及旋转器转盘、转盘圆台以及雾化转盘板的半径，进一步提高细粉产率，可使细粉的收率达到70-80％。

综上，本实用新型的金属粉末雾化设备利用离心雾化的原理，并利用转盘实现二级加速，使得雾化转盘板能产生极高的线速度和离心加速度，从而使离心效果更好，获得的粉末更细，且显著提高了细粉的收率，同时降低了金属原料成本和设备制造、维护成本，经济性更佳。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种金属粉末雾化设备，其特征在于，包括：舱体；所述舱体的底部的一端设置有下料口，所述舱体的底部的另一端水平设置有至少3个旋转器；

每个所述旋转器包含竖直设置的旋转器轴，所述旋转器轴上设置有两个旋转器转盘，且所述旋转器轴分别穿过每个旋转器转盘的中心；两个所述旋转器转盘之间设置有间隙；

所述舱体的另一端还设置有雾化转盘，所述雾化转盘包含雾化转盘板，所述雾化转盘板的上表面和下表面的中心处分别对称设置有转盘圆台；

所述雾化转盘通过所述转盘圆台装配于所述至少3个旋转器之间，且所述雾化转盘板位于每个旋转器的两个旋转器转盘之间的间隙处；

所述舱体的另一端还竖直设置有支撑杆，所述支撑杆的上端固定有熔化器，所述熔化器中流出的金属液柱下落至所述雾化转盘板的上表面，且随雾化转盘运动的切线方向指向所述下料口。

2.根据权利要求1所述的金属粉末雾化设备，其特征在于，每个旋转器的两个旋转器转盘的边缘分别设置有相互反方向的第一斜切面；两个所述转盘圆台的边缘分别设置有与对应的旋转器转盘的第一斜切面相反方向的第二斜切面；且通过对应的第二斜切面与第一斜切面的相互配合，实现所述雾化转盘与至少3个旋转器之间的装配。

3.根据权利要求1所述的金属粉末雾化设备，其特征在于，所述旋转器为3个。

4.根据权利要求3所述的金属粉末雾化设备，其特征在于，3个所述旋转器的旋转器转盘的半径相等。

5.根据权利要求3所述的金属粉末雾化设备，其特征在于，其中两个旋转器的旋转器转盘的半径相等，且小于另一个旋转器的旋转器转盘的半径。

6.根据权利要求1所述的金属粉末雾化设备，其特征在于，所述熔化器中流出的金属液柱下落至所述雾化转盘板的上表面的边缘。

7.根据权利要求1所述的金属粉末雾化设备，其特征在于，所述熔化器包含坩埚或锥形螺线管感应加热器。

8.根据权利要求1所述的金属粉末雾化设备，其特征在于，所述下料口连接有储料罐。

9.根据权利要求1所述的金属粉末雾化设备，其特征在于，所述旋转器与所述下料口之间的舱体内还设置有冷却装置。

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