一種高效制備超細(xì)高熔點(diǎn)球形金屬粉末的方法與裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高熔點(diǎn)金屬粉末制備的技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種利用脈沖微孔噴射法與離心霧化法相結(jié)合高效制備超細(xì)高熔點(diǎn)球形金屬粉末的方法與裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著材料向輕小化、集成化方向不斷發(fā)展，球形粉末材料在電子封裝、能源材料、生物醫(yī)學(xué)等方面均有廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，尤其在3D打印方面。3D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)的制備技術(shù)，是一種運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微小構(gòu)件的制備，并且生產(chǎn)效率高，材料利用率高，無需模具。隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，對3D打印用球形高熔點(diǎn)金屬粉末的需求也會越來越大，而3D打印用球形粉末需要滿足球形度高，良好的流動性及鋪展性，尺寸均勻可控，并且無衛(wèi)星滴。滿足3D打印要求的金屬粉末的制備已成為該行業(yè)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。
[0003]目前國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)金屬球形粉末的方法主要為霧化法，包含氣霧化法、水霧化法以及離心霧化法等。但是霧化法所制備粉末的尺寸分散度大，必須通過多次篩分才能得到滿足粒徑要求的粉末，使生產(chǎn)效率大大降低，尤其當(dāng)尺寸有嚴(yán)格要求時(shí)；霧化法易產(chǎn)生衛(wèi)星滴，使粉末表面粘連衛(wèi)星滴，降低粉末的流動性及鋪展性，無法滿足3D打印用粉末的要求。目前高熔點(diǎn)球形金屬粉末的大量高效制備仍處于空缺狀態(tài)。因此，有必要提供一種高熔點(diǎn)金屬粉末的高效制備方法及制備裝置以解決3D打印用粉體制備的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)上述提出的3D打印用金屬粉末制備過程中存在的圓球度差，鋪展性及流動性差等問題，而提供一種高效制備超細(xì)高熔點(diǎn)球形金屬粉末的方法與裝置。本發(fā)明主要結(jié)合脈沖微孔噴射法和離心霧化法兩種方法，能巧妙地制備出球形度高、具有良好流動性和鋪展性、尺寸均勻可控且無衛(wèi)星滴、滿足3D打印使用要求的高熔點(diǎn)金屬粉末。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下:
[0006]一種高效制備超細(xì)高熔點(diǎn)球形金屬粉末的裝置，包括殼體、設(shè)置于所述殼體的腔室內(nèi)的坩禍和粉末收集區(qū)，所述粉末收集區(qū)置于所述腔室的底部，所述坩禍置于所述粉末收集區(qū)上部，所述坩禍內(nèi)設(shè)有與設(shè)置在所述殼體外部的壓電陶瓷相連的傳動桿，所述殼體上設(shè)有伸入于所述坩禍內(nèi)的上進(jìn)氣管，所述殼體上還設(shè)有與所述坩禍相連通的機(jī)械泵和擴(kuò)散泵，所述殼體上還設(shè)有腔體進(jìn)氣管，其特征在于:
[0007]所述坩禍內(nèi)部設(shè)有多個(gè)容積相同的熔池，所述熔池底部固定有與所述腔室相連通的帶小孔的墊片；所述傳動桿包括與所述熔池?cái)?shù)量相同的傳動支桿，所述傳動支桿的底部與所述帶小孔的墊片上的圓孔對中；所述坩禍內(nèi)部設(shè)有熱電偶，所述坩禍外部設(shè)有感應(yīng)加熱器；
[0008]所述粉末收集區(qū)包括設(shè)置在所述腔室底部的、與電機(jī)相連的用于霧化金屬液滴的旋轉(zhuǎn)圓盤，所述腔室底部還設(shè)有收集槽。
[0009]為方便原料加入及成品收集，所述殼體的一側(cè)設(shè)有腔室門。傳動桿的傳動支桿伸入到坩禍的熔池內(nèi)及熔體內(nèi)部，熔體在傳動支桿的帶動下噴射出帶小孔的墊片的圓孔形成液滴，液滴自由下落到高速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)圓盤上，在離心力作用下液滴破碎成更小的微液滴，微液滴在下落過程中凝固形成球形金屬粉末，最后降落到收集槽中。所述收集槽的面積足夠大能夠完全收集球形金屬粉末，殼體的高度滿足液滴經(jīng)離心破碎后的微液滴自由下落時(shí)可完成凝固，殼體的寬度大于微液滴的飛行距離的條件，可使液滴離心破碎后的微液滴在下落過程中凝固成球形金屬粉末并降落到收集槽中。
[0010]進(jìn)一步地，所述壓電陶瓷、所述傳動桿、所述坩禍、所述殼體、所述感應(yīng)加熱器及所述旋轉(zhuǎn)圓盤位于同一軸線上。
[0011]進(jìn)一步地，所述熔池的數(shù)量為2-8個(gè)，通常情況下設(shè)置4-8個(gè)較能提高制備效率。
[0012]進(jìn)一步地，所述帶小孔的墊片上設(shè)有至少I個(gè)圓孔，所述圓孔的孔徑范圍在0.02mm-2.0mm 之間。
[0013]進(jìn)一步地，所述帶小孔的墊片的材料與置于所述坩禍內(nèi)的熔融金屬的潤濕角大于90。。
[0014]進(jìn)一步地，所述的旋轉(zhuǎn)圓盤材料為耐高溫的陶瓷材料，所述旋轉(zhuǎn)圓盤的直徑小于等于所述坩禍的直徑，所述旋轉(zhuǎn)圓盤的直徑大于相對的帶小孔的墊片的圓孔之間的距離，所述旋轉(zhuǎn)圓盤的面積大小滿足從帶小孔的墊片的圓孔內(nèi)噴出的液滴可以落在旋轉(zhuǎn)圓盤的邊緣上即可，所述旋轉(zhuǎn)圓盤的轉(zhuǎn)速為10000-60000rpm。
[0015]本發(fā)明還公開了高效制備超細(xì)高熔點(diǎn)球形金屬粉末的方法，其特征在于包括如下步驟:
[0016]①裝料:將原料研磨到預(yù)設(shè)的平均粒徑后裝入到坩禍內(nèi)密封；
[0017]②抽真空與加熱:利用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵對所述坩禍和所述殼體抽真空，并充入高純度惰性保護(hù)氣體，如氦氣、氬氣；根據(jù)待加熱原料的熔點(diǎn)設(shè)定感應(yīng)加熱器的加熱功率，待加熱溫度到熔點(diǎn)后保溫使原料完全熔化為熔體，通常保溫溫度在20min-40min ;手動調(diào)整傳動桿的位置至傳動桿上的傳動支桿與帶小孔的墊片之間為預(yù)設(shè)距離；
[0018]③噴射液滴:給壓電陶瓷輸入一定波型的脈沖信號，壓電陶瓷帶動傳動桿向下移動擠壓熔體，同時(shí)通過上進(jìn)氣管向坩禍中通入高純度惰性保護(hù)氣體，使所述坩禍內(nèi)與所述殼體的腔室之間達(dá)到一定差壓，在差壓與脈沖的作用下，熔體從帶有小孔的墊片中的圓孔噴出形成液滴；
[0019]④形成粉末:液滴自由下落到高速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)圓盤的邊緣上，在離心力的作用下，液滴破碎成更小的微液滴，微液滴在下落過程中無容器凝固形成球形金屬粉末，降落至收集槽中；
[0020]⑤收集粉末:制備結(jié)束后，停止感應(yīng)加熱器的加熱及旋轉(zhuǎn)圓盤的旋轉(zhuǎn)，關(guān)閉機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、腔體進(jìn)氣管和上進(jìn)氣管，打開腔室門，取出收集槽中的金屬粉末。
[0021]進(jìn)一步地，所述原料研磨的平均粒徑為lcm-2cm，通過腔室門裝入到所述坩禍中，原料放入量為所述坩禍容積的1/4-3/4。
[0022]進(jìn)一步地，所述坩禍內(nèi)部設(shè)有多個(gè)容積相同的熔池，所述熔池底部固定有與所述腔室相連通的帶小孔的墊片；所述傳動桿包括與所述熔池?cái)?shù)量相同的傳動支桿，所述傳動支桿的底部與所述帶小孔的墊片上的圓孔對中；手動調(diào)整傳動支桿底部的位置至傳動支桿與帶小孔的墊片之間的距離為2cm-10cm，優(yōu)選的為2cm_5cm。
[0023]進(jìn)一步地，步驟③中，通入高純度惰性保護(hù)氣體后，使所述坩禍內(nèi)與所述殼體的腔室之間達(dá)到差壓為0_200kPa。
[0024]較現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的效果和益處如下:
[0025]本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種脈沖微孔多傳動桿噴射法與離心霧化法相結(jié)合的可高效制備高熔點(diǎn)金屬球形粉末的裝置，脈沖微孔噴射法可以克服其他方法在高熔點(diǎn)金屬噴射上的不足，實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)金屬均勻液滴的噴射，并且噴射出的液滴無衛(wèi)星滴，球形度高；采用多傳動桿的方式可以提高生產(chǎn)效率；再由離心霧化法將均勻液滴破碎成微液滴，微液滴的尺寸大大減小，而且粒徑分布區(qū)間非常狹窄，每個(gè)液滴破碎成多個(gè)微液滴，極大的提高了粉末的產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)高效制備超細(xì)金屬球形粉末，滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。
[0026]本發(fā)明的工藝方法可控性強(qiáng)，表現(xiàn)在如下幾點(diǎn):通過感應(yīng)加熱器可精確控制坩禍的加熱溫度；通過向坩禍內(nèi)與殼體內(nèi)的腔室內(nèi)通入高純度惰性保護(hù)氣體，可控制坩禍與腔室的壓力差；傳動桿的個(gè)數(shù)可控，提高生產(chǎn)效率；坩禍底部帶小孔的墊片的圓孔的尺寸可以控制液滴的尺寸，經(jīng)過離心霧化，進(jìn)一步控制球形金屬粉末的粒徑分布；旋轉(zhuǎn)圓盤的轉(zhuǎn)速可控，即離心霧化的效果可控；工藝參數(shù)的可調(diào)節(jié)與可控制，可以獲得符合要求的粒徑分布及尺寸的球形金屬粉末，生產(chǎn)效率大幅度提高。
[0027]本發(fā)明能夠高效制備出滿足要求的高熔點(diǎn)球形金屬粉末，粒徑分布區(qū)間窄，圓球度高，無衛(wèi)星滴，流動性與鋪展性良好，且生產(chǎn)效率高，成本低，適宜工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0028]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0029]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖2是圖1中A-A面視圖。
[0031]圖中:1、壓電陶瓷2、傳動桿3、坩禍4、殼體5、感應(yīng)加熱器6、熔池7、熔體8、圓孔9、液滴10、腔室門11、收集槽12、金屬粉末13、微液滴14、支柱15、旋轉(zhuǎn)圓盤16、腔體進(jìn)氣管17、帶小孔的墊片18、機(jī)械泵19、擴(kuò)散泵20、腔室21、上進(jìn)氣管。
【具體實(shí)施方式】
[0032]如圖1所示，一種高效制備超細(xì)高熔點(diǎn)球形金屬粉末的裝置，包括殼體4、設(shè)置于所述殼體4的腔室20內(nèi)的坩禍3和粉末收集區(qū)，所述粉末收集區(qū)置于所述腔室20的底部，所述坩禍3置于所述粉末收集區(qū)上部，所述坩禍3內(nèi)設(shè)有與設(shè)置在所述殼體4外部的壓電陶瓷I相連的傳動桿2，所述殼體4上設(shè)有伸入于所述坩禍3內(nèi)的上進(jìn)氣管21，所述殼體4上還設(shè)有與所述坩禍3相連通的機(jī)械泵18和擴(kuò)散泵19，所述殼體4上還設(shè)有腔體進(jìn)氣管16。
[0033]所述坩禍3內(nèi)部設(shè)有多個(gè)容積相同的熔池6 (如圖2所示)，本實(shí)施例中，熔池6的個(gè)數(shù)為4個(gè)，所述熔池6底部固定有與所述腔室20相連通的帶小孔的墊片17 ;所述帶小孔的墊片17上設(shè)有至少I個(gè)圓孔8，所述圓孔8的孔徑范圍在0.02mm-2.0mm之間，所述帶小孔的墊片17的材料與置于所述坩禍3內(nèi)的熔體7的潤濕角大于90°。
[0034]所述傳動桿2包括與所述恪池6數(shù)量相同的4個(gè)傳動支桿，所述傳動支桿的底部與所述帶小孔的墊片17上的圓孔8對中，傳動支桿底部距帶小孔的墊片17的距離為5-10cm ;所述坩禍3內(nèi)部設(shè)有熱電偶，可感測到加熱溫度，所述坩禍3外部設(shè)有感應(yīng)加熱器5 ；
[0035]所述粉末收集區(qū)包括設(shè)置在所述腔室20底部的、與電機(jī)相連的用于霧化金屬液滴的旋轉(zhuǎn)圓盤15，所述旋轉(zhuǎn)圓盤15