一種制備3d打印用超細(xì)球形金屬粉末的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于球形粒子制備的技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種利用脈沖微孔噴射法與離心霧化法相結(jié)合制備3D打印用超細(xì)球形金屬粉末的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著加工方式的變革，3D打印快速成型技術(shù)產(chǎn)生并快速發(fā)展，這種以增材制造為理念的成型技術(shù)運(yùn)用粉末狀金屬等可粘合材料，通過(guò)逐層打印方式來(lái)制造實(shí)體制件。該方法生產(chǎn)效率高、成型率高、材料利用率高，必將成為未來(lái)的主流加工方式。伴隨著3D打印快速成型技術(shù)的發(fā)展，3D打印用金屬粉末的需求量一定不斷擴(kuò)大，質(zhì)量要求一定不斷提高。3D打印用金屬粉末要求圓球度高，粒徑均一，無(wú)衛(wèi)星滴，具有良好的鋪展性和均勻的流動(dòng)性等。
[0003]目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)金屬球形粉末的方法有霧化法，包括氣霧化法、水霧化法、離心霧化法等。但是上述霧化法制備粉末的分散度較寬，必須通過(guò)多次篩分才能得到滿足使用要求粒徑的粒子，而且圓球度差，粉末上存在大量的衛(wèi)星滴，無(wú)法滿足3D打印用粉末的鋪展性及流動(dòng)性等苛刻要求，并且生產(chǎn)效率低。
[0004]我國(guó)尚沒(méi)有開(kāi)發(fā)出完全滿足上述要求的粉體，因而材料全部依賴進(jìn)口且種類極為有限，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。因此，有必要提供一種金屬粉末的制備方法及制備裝置以解決3D打印用粉末制備的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)上述提出的3D打印用金屬粉末制備過(guò)程中存在的圓球度差，鋪展性及流動(dòng)性差等問(wèn)題，而提供一種制備3D打印用超細(xì)球形金屬粉末的方法及裝置。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，從而能夠制備粒徑分布區(qū)間窄、圓球度高、有良好鋪展性和流動(dòng)性、生產(chǎn)效率高的符合3D打印使用要求的超細(xì)球形金屬粉末。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下:
[0007]一種制備3D打印用超細(xì)球形金屬粉末的裝置，包括殼體、設(shè)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)置于所述殼體內(nèi)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(dòng)桿，所述殼體上設(shè)有伸入于所述坩禍內(nèi)的坩禍進(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、擴(kuò)散泵和坩禍放氣閥，所述殼體上還設(shè)有腔體進(jìn)氣管和腔體放氣閥，其特征在于:
[0008]所述坩禍?zhǔn)且灾行木€為軸的、內(nèi)外嵌套圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，所述坩禍的內(nèi)容納腔的底部與所述坩禍的外容納腔的底部設(shè)有相貫通的中心孔，所述內(nèi)容納腔的底部與所述外容納腔的底部之間設(shè)有用于熔融金屬流通的空間，所述內(nèi)容納腔的中心孔上方設(shè)有壓片，所述傳動(dòng)桿與所述壓片接觸；
[0009]所述粉末收集區(qū)包括設(shè)置在所述殼體底部的收集盤和設(shè)置于所述收集盤上方的與電機(jī)相連的用于霧化金屬粉末顆粒的旋轉(zhuǎn)圓盤。
[0010]上述的坩禍形式是存在內(nèi)外嵌套的兩個(gè)腔室，即將金屬材料放入外層腔室，在熔融的過(guò)程中通過(guò)液體流動(dòng)，匯聚到坩禍中心孔的區(qū)域，通過(guò)中心孔上覆蓋的壓片和壓片上方的傳動(dòng)桿下移，使液滴從坩禍底部的中心孔噴出。當(dāng)然，坩禍形式也不局限于上述所述的情況，只要坩禍內(nèi)存在封閉的腔室，可以在充入保護(hù)氣體后產(chǎn)生背壓，促使液體流動(dòng)到中心孔附近區(qū)域的結(jié)構(gòu)形式均可。所述殼體的體積要足夠液滴經(jīng)離心破碎后飛行降落到底部的收集盤內(nèi)的范圍，能夠保證不會(huì)凝固在殼體的內(nèi)壁上，收集盤的面積要保證足夠大能夠收集粉末即可。
[0011 ] 進(jìn)一步地，所述坩禍內(nèi)設(shè)有熱電偶，所述坩禍外側(cè)還設(shè)有感應(yīng)加熱器。
[0012]進(jìn)一步地，所述i甘禍的中心孔直徑范圍在0.02mm-2.0mm之間。
[0013]進(jìn)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(rùn)濕角大于90°。
[0014]進(jìn)一步地，所述旋轉(zhuǎn)圓盤為石墨圓盤，所述旋轉(zhuǎn)圓盤的轉(zhuǎn)速為10000rpm-40000rpmo
[0015]本發(fā)明還公開(kāi)了一種制備3D打印用超細(xì)球形金屬粉末的方法，其特征在于包括如下步驟:
[0016]①裝料:將待熔融的金屬材料放入設(shè)置在殼體內(nèi)上部的坩禍內(nèi)后密封；
[0017]②抽真空:利用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵對(duì)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，使殼體內(nèi)壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值；
[0018]③加熱:使用感應(yīng)加熱器將所述坩禍內(nèi)的金屬材料熔化，并通過(guò)所述坩禍內(nèi)設(shè)置的熱電偶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所述坩禍內(nèi)的溫度，待金屬材料完全熔化后保溫；
[0019]④粒子制備:通過(guò)設(shè)置在所述殼體上并伸入于所述坩禍內(nèi)的坩禍進(jìn)氣管將高純度惰性保護(hù)氣體通入，所述坩禍內(nèi)產(chǎn)生背壓，促使熔融金屬填滿所述坩禍底部的中心孔；給壓電陶瓷輸入一定波型的脈沖信號(hào)，所述壓電陶瓷產(chǎn)生向下位移，由與所述壓電陶瓷相連的傳動(dòng)桿及設(shè)置在所述傳動(dòng)桿下方的壓片傳遞給中心孔附近區(qū)域的熔融金屬，使得熔融金屬?gòu)闹行目椎撞繃姵鲂纬删鶆蛞旱危?br>[0020]均勻液滴自由降落在高速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)圓盤上，由于離心力的作用，均勻液滴被逐個(gè)破碎，形成微液滴，微液滴經(jīng)自由降落凝固形成均勻球形金屬粉末，同時(shí)壓片和傳動(dòng)桿恢復(fù)初始狀態(tài)，所述坩禍內(nèi)的熔池向中心孔處補(bǔ)充熔融金屬液體；
[0021]⑤粒子收集:用設(shè)置于所述殼體底部的收集盤收集均勻球形金屬粉末。
[0022]進(jìn)一步地，所述坩禍?zhǔn)且灾行木€為軸的、內(nèi)外嵌套圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，所述坩禍的內(nèi)容納腔的底部與所述坩禍的外容納腔的底部設(shè)有相貫通的中心孔，所述內(nèi)容納腔的底部與所述外容納腔的底部之間設(shè)有用于熔融金屬流通的空間，所述內(nèi)容納腔的中心孔上方設(shè)有所述壓片，所述傳動(dòng)桿與所述壓片接觸；所述金屬材料裝入到所述外容納腔內(nèi)，所述金屬材料裝入所述外容納腔的裝入量為所述外容納腔容積的50% -70%。
[0023]進(jìn)一步地，所述的i甘禍的中心孔直徑范圍在0.02mm-2.0mm之間。
[0024]進(jìn)一步地，所述高純度惰性保護(hù)氣體為氦氣、氬氣。
[0025]進(jìn)一步地，所述殼體內(nèi)抽真空后的壓力達(dá)到0.1MPa，金屬材料完全熔化后保溫時(shí)間為15-20分鐘。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0027]本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種利用脈沖微孔噴射法與離心霧化法結(jié)合高效制備3D打印用超細(xì)球形金屬粉末的裝置，坩禍中熔化的金屬材料在壓力和脈沖擾動(dòng)的作用下，通過(guò)坩禍底部中心孔噴出，形成均勻液滴，均勻液滴降落至高速旋轉(zhuǎn)圓盤上，由于離心力的作用，均勻液滴被逐個(gè)破碎，形成微液滴，微液滴經(jīng)自由降落凝固形成粉末。脈沖微孔噴射法生產(chǎn)的金屬粒子粒徑均一(相對(duì)偏差小于1.8% )、圓球度高、熱履歷一致，但單孔噴嘴制備粒子的產(chǎn)量不足以滿足日益增加的需求量，與霧化法結(jié)合后，極大的提高了金屬粉末的產(chǎn)量。本發(fā)明中液滴噴射由脈沖微孔法完成，可以保證液滴的粒徑均一，質(zhì)量穩(wěn)定，再由離心霧化法破碎，即單個(gè)液滴經(jīng)過(guò)二次離心霧化，使成形的微液滴粒徑分布區(qū)間非常狹窄(粒徑小于100 μ m)，滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。
[0028]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(guò)感應(yīng)加熱器可精確控制坩禍溫度；通過(guò)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，同時(shí)使坩禍腔室中的熔融金屬不斷向坩禍中心孔內(nèi)補(bǔ)充；坩禍底部中心孔的尺寸可以控制液滴的尺寸，經(jīng)過(guò)離心霧化，進(jìn)一步控制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，進(jìn)一步可以控制金屬粉末的粒徑分布；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。
[0029]本發(fā)明能夠高效制備出滿足要求的3D打印用金屬粉末，粒徑可控、分布區(qū)間窄，圓球度高、熱履歷一致，且生產(chǎn)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、產(chǎn)量高，適宜工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0030]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0031]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖中:1、壓電陶瓷2、傳動(dòng)桿3、第一i甘禍進(jìn)氣管4、感應(yīng)加熱器5、右部恪池6、殼體7、坩禍8、液滴9、金屬粉末1、收集盤11、電機(jī)12、旋轉(zhuǎn)圓盤13、腔體進(jìn)氣管14、腔體放氣閥15、左部熔池16、壓片17、第二坩禍進(jìn)氣管18、機(jī)械泵19、擴(kuò)散泵20、坩禍放氣閥。
【具體實(shí)施方式】
[0033]如圖1所示，一種制備3D打印用超細(xì)球形金屬粉末的裝置，包括殼體6、設(shè)置于所述殼體6內(nèi)的坩禍7和粉末收集區(qū)。所述粉末收集區(qū)置于所述殼體6內(nèi)的底部，所述粉末收集區(qū)包括設(shè)置在所述殼體6底部的收集盤10和設(shè)置于所述收集盤10上方的與電機(jī)11相連的用于霧化金屬粉末顆粒的旋轉(zhuǎn)圓盤12。
[0034]所述坩禍7置于所述粉末收集區(qū)上部，所述坩禍7是以中心線為軸的、內(nèi)外嵌套圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，從圖中看可以將坩禍7分為左右的兩個(gè)腔室，即左部熔池15和右部熔池5，實(shí)質(zhì)上兩個(gè)熔池是在同一個(gè)環(huán)形腔室內(nèi)(外容納腔內(nèi))，在實(shí)際使用過(guò)程中可根據(jù)制備粉末的多少來(lái)向一側(cè)的熔池注入金屬材料，可部分或全部倒入；所述坩禍7的內(nèi)容納腔的底部與所述坩禍7的外容納腔的底部設(shè)有相貫通的中心孔，所述內(nèi)容納腔的底部與所述外容納腔的底部之間設(shè)有用于熔融金屬流通的空間，所述內(nèi)容納腔的中心孔上方設(shè)有壓片16，所述壓片16上方對(duì)應(yīng)的是坩禍7的內(nèi)容納腔，內(nèi)容納腔的中心孔通過(guò)壓片16封閉，壓片16上方對(duì)應(yīng)的是與所述殼體6外部的壓電陶瓷I相連的傳動(dòng)桿2，所述傳動(dòng)桿2與所述壓片16接觸；殼體6上還在對(duì)應(yīng)圖中的左部熔池15和右部熔池5的位置設(shè)有伸入于所述坩禍7內(nèi)的坩禍進(jìn)氣管，分別為對(duì)應(yīng)左部熔池15的第二坩禍進(jìn)氣管17和對(duì)應(yīng)右部熔池5的第一坩禍進(jìn)氣管3，在所述殼體6的上部還設(shè)有與所述坩禍7相連通的機(jī)械泵18、擴(kuò)散泵19和坩禍放氣閥20，機(jī)械泵18、擴(kuò)散泵19和坩禍放氣閥20的設(shè)置位置可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置在殼體6的任意側(cè)面，在本實(shí)施例中，腔體進(jìn)氣管13和腔體放氣閥14設(shè)置在所述殼體6的側(cè)壁上。
[0035]所述坩禍7內(nèi)設(shè)有熱電偶，所述坩禍7外側(cè)還設(shè)有感應(yīng)加熱器4。
[0036]所述i甘禍7的中心孔直徑范圍在0.02mm-2.0mm之間。
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