一種基于均勻液滴噴射法的制備超細球形金屬粉末的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于球形微粒子制備的技術領域，具體地說是一種利用液滴噴射法與離心霧化法結合的制備超細球形金屬粉末的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]隨著加工技術的發(fā)展與變革，球形粉末材料在電子封裝、能源材料、生物醫(yī)學等方面均有廣泛應用，尤其在3D打印技術方面受到關注。3D技術突破傳統(tǒng)加工技術，是一種運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層沉積的方式來構造物件的技術，可以實現(xiàn)復雜微型構件的制備，且生產(chǎn)效率高、原材料利用率高、無需模具加工。隨著3D打印技術的快速發(fā)展，對3D打印用球形金屬粉末的需求越發(fā)急迫。但3D打印用球形粉末需要滿足流動性優(yōu)良、鋪展性良好、球形度高、尺寸均勻可控、且無衛(wèi)星滴的要求，這也成為了該技術發(fā)展的瓶頸。
[0003]目前國內(nèi)外生產(chǎn)金屬球形粉末的方式主要有:霧化法，包括氣霧化法、水霧化法、離心霧化法等。但上述的霧化法得到的粉末分散度較大，必須經(jīng)過多次篩選才能得到滿足要求的粉末，這使生產(chǎn)效率大幅下降，在尺寸要求嚴格時，效率將更低；此外，霧化法易產(chǎn)生衛(wèi)星滴，因粉末表面粘連衛(wèi)星滴，其流動性和鋪展性均會下降。因此，該方法生產(chǎn)的粉末無法滿足要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)上述提出的3D打印用金屬球形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，而提供一種基于均勻液滴噴射法的制備超細球形金屬粉末的裝置及方法。本發(fā)明主要結合均勻液滴噴射法和離心霧化法兩種方法，從而能夠制備出圓球度高、流動性好、鋪展性優(yōu)良且尺寸均勻、無衛(wèi)星滴的符合3D打印使用要求的金屬粉末。
[0005]本發(fā)明采用的技術手段如下:
[0006]一種基于均勻液滴噴射法的制備超細球形金屬粉末的裝置，包括殼體、設置于所述殼體內(nèi)的坩禍和粉末收集區(qū)，所述粉末收集區(qū)置于所述殼體的底部，所述坩禍置于所述粉末收集區(qū)的上部，所述坩禍內(nèi)設有與設置在所述坩禍頂部的壓電陶瓷相連的傳動桿，所述殼體上設有伸入于所述坩禍內(nèi)的坩禍進氣管，所述殼體上還設有與所述坩禍相連通的機械泵和擴散泵，所述殼體上還設有腔體進氣管和腔體排氣閥，其特征在于:
[0007]所述坩禍內(nèi)部設有熱電偶，所述坩禍外部設有感應加熱器，所述坩禍底部設有帶小孔的噴嘴；
[0008]所述粉末收集區(qū)包括設置在所述殼體底部的收集盤和設置于所述收集盤上方的與電機相連的旋轉圓盤。
[0009]進一步地，所述噴嘴的小孔的孔徑范圍在0.02mm-2.0mm之間。
[0010]進一步地，所述坩禍的材料與置于所述坩禍內(nèi)的熔融金屬的潤濕角大于90°。
[0011]進一步地，所述旋轉圓盤為石墨圓盤，所述旋轉圓盤的轉速為10000rpm-40000rpm。
[0012]所述殼體的體積足夠液滴經(jīng)離心、破碎后的飛行降落范圍，能夠保證微液滴不會凝固在腔體內(nèi)壁，收集盤面積足夠大能夠收集金屬粉末。
[0013]本發(fā)明還公開了基于均勻液滴噴射法的制備超細球形金屬粉末的方法，其特征在于包括如下步驟:
[0014]①裝料:將待熔融的金屬材料放入設置在殼體內(nèi)上部的坩禍內(nèi)后密封，所述坩禍的底部設有噴嘴；
[0015]②抽真空:利用機械泵和擴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氣體，使殼體內(nèi)壓力達到預設值；
[0016]③加熱:使用感應加熱器將所述坩禍內(nèi)的金屬材料熔化，并通過所述坩禍內(nèi)設置的熱電偶實時監(jiān)測所述坩禍內(nèi)的溫度，待金屬材料完全熔化后保溫；
[0017]④制備粉末:通過設置在所述殼體上并伸入于所述坩禍內(nèi)的坩禍進氣管將高純度惰性保護氣體通入，使所述坩禍與所述殼體內(nèi)產(chǎn)生一定的差壓，在該差壓的作用下，熔融金屬從噴嘴中流出并形成毛細管射流，給壓電陶瓷輸入一定波形的脈沖信號，壓電陶瓷產(chǎn)生一定頻率的振動，由傳動桿將此機械振動傳遞給帶有噴嘴的坩禍中的熔融金屬，毛細管射流在機械振動的擾動下，離散成液滴束，液滴自由降落在高速旋轉的旋轉圓盤上，由于離心力的作用，液滴被逐個破碎成微液滴，微液滴經(jīng)過自由降落凝固形成金屬粉末；
[0018]⑤粒子收集:用設置于所述殼體底部的收集盤收集金屬粉末。
[0019]進一步地，所述噴嘴的小孔的孔徑范圍在0.02mm-2.0mm之間。
[0020]進一步地，所述高純度惰性保護氣體為氦氣、氬氣。
[0021]進一步地，所述殼體內(nèi)抽真空后的壓力達到0.1MPa，金屬材料完全熔化后保溫時間為15-20分鐘。
[0022]進一步地，步驟④中，所述坩禍與所述殼體內(nèi)產(chǎn)生的差壓為0_200kPa。
[0023]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0024]本發(fā)明設計了一種利用均勻液滴噴射法與離心霧化法結合的制備超細球形金屬粉末的裝置，坩禍中熔化的金屬材料在壓力的作用下，通過坩禍底部的噴嘴的小孔射出，形成毛細管射流，同時壓電陶瓷帶動傳動桿做一定頻率的振動，并將此機械振動作用于毛細管射流上，毛細管射流在表面張力和機械擾動的共同作用下，逐漸形成臘腸式液滴串，最終離散成尺寸大小一致、間距相等的液滴，液滴自由降落至高速旋轉的旋轉圓盤上，由于離心力的作用，液滴被逐個破碎形成微液滴，微液滴經(jīng)自由降落凝固成金屬粉末。采用均勻液滴噴射法生產(chǎn)的金屬離子粒徑均一(相對偏差小于1.8% )、圓球度高，冷卻環(huán)境一定，因此熱履歷一致，但單孔噴嘴制備粒子產(chǎn)量無法滿足需求，與霧化法結合后，大幅提升了金屬粉末的生產(chǎn)率。本發(fā)明中產(chǎn)生的超細球形金屬粉末兼具兩種方法優(yōu)點，粒徑分布區(qū)間窄，且生產(chǎn)效率高。
[0025]本發(fā)明的工藝方法可控性強，表現(xiàn)如下:通過感應加熱器可精確控制坩禍溫度，通過向坩禍與殼體內(nèi)通入惰性氣體，可控制坩禍與殼體的壓力差，從而控制射流的速度；坩禍底部噴嘴的小孔的尺寸可控制射流尺寸，經(jīng)過離心霧化，進而控制金屬離子的粒徑；旋轉圓盤的轉速可控，可以進一步控制金屬粉末的粒徑分布；工藝參數(shù)可調節(jié)、控制，減小了產(chǎn)生的金屬液滴與設定液滴尺寸的誤差，因此可以獲得尺寸均勻的超細球形金屬粉末，生產(chǎn)效率高。
[0026]本發(fā)明能夠同時高效制備出滿足要求的不同粒徑的大小均一、圓球度高、熱履歷一致、粒徑可控的球形金屬粉末，且生產(chǎn)效率高、結構簡單、成本低，適宜工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0027]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0028]圖1是本發(fā)明的結構示意圖。
[0029]圖中:1、坩禍進氣管2、壓電陶瓷3、坩禍4、傳動桿5、噴嘴6、毛細管射流7、液滴8、收集盤9、機械泵10、擴散泵11、熱電偶12、殼體13、感應加熱器14、腔體排氣閥15、腔體進氣管16、旋轉圓盤17、電機18、金屬粉末。
【具體實施方式】
[0030]如圖1所示，一種基于均勻液滴噴射法的制備超細球形金屬粉末的裝置，包括殼體12、設置于所述殼體12內(nèi)的坩禍3和粉末收集區(qū)，所述粉末收集區(qū)置于所述殼體12的底部，所述坩禍3置于所述粉末收集區(qū)的上部，所述坩禍3內(nèi)設有與設置在所述坩禍3頂部的壓電陶瓷2相連的傳動桿4，所述坩禍3內(nèi)部設有熱電偶11，所述坩禍3外部設有感應加熱器13，所述坩禍3底部設有帶小孔的噴嘴5，所述噴嘴5的小孔的孔徑范圍在0.02mm-2.0mm之間，所述坩禍3的材料與置于所述坩禍3內(nèi)的熔融金屬的潤濕角大于90°。
[0031]所述殼體12上設有伸入于所述坩禍3內(nèi)的坩禍進氣管I，所述殼體12上部還設有與所述坩禍3相連通的機械泵9和擴散泵10，所述殼體12側面還設有腔體進氣管15和腔體排氣閥14。
[0032]所述粉末收集區(qū)包括設置在所述殼體12底部的收集盤8和設置于所述收集盤8上方的與電機17相連的旋轉圓盤16。所述旋轉圓盤16為石墨圓盤，所述旋轉圓盤16的轉速為10000rpm-40000rpm。所述殼體12的體積足夠液滴經(jīng)離心、破碎后的飛行降落范圍，能夠保證微液滴不會凝固在殼體12內(nèi)壁，收集盤8的面積足夠大能夠收集金屬粉末18。
[0033]工作時，機械泵9和擴散泵10用于對殼體12和坩禍3抽取真空；坩禍3底部安裝有與殼體12相連的帶小孔的噴嘴5，利用感應加熱器13對坩禍3中需制備的材料進行加熱，并通過坩禍進氣管I和腔體進氣管15向坩禍3和腔體12中通入高純度惰性保護氣體，如氦氣、氬氣，使坩禍3和殼體12之間保持穩(wěn)定的壓力差，在該壓力差作用下，噴嘴5中可產(chǎn)生毛細管射流6 ;給壓電陶瓷2輸入一定波形的脈沖信號，壓電陶瓷2產(chǎn)生一定頻率的振動，由傳動桿4將此機械振動傳遞給