一種制備3d打印用超細球形高熔點金屬粉末的方法與裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于高熔點金屬粉末制備的技術領域，具體地說是一種利用脈沖微孔噴射法與離心霧化法相結合制備3D打印用超細球形高熔點金屬粉末的方法與裝置。
【背景技術】
[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)學等方面均有廣泛的關注和應用，尤其在3D打印方面。3D打印技術突破了傳統(tǒng)的制備技術，是一種運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，可實現(xiàn)復雜微小構件的制備，并且生產(chǎn)效率高，材料利用率高，無需模具。隨著3D打印技術的快速發(fā)展，對3D打印用球形高熔點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)技術發(fā)展的瓶頸。
[0003]目前國內外工業(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，尤其當尺寸有嚴格要求時；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。其他方法如切絲或打孔重熔法、均一液滴成型法都局限于制備低熔點的金屬粉末，目前對高熔點球形金屬粉末的制備處于空缺狀態(tài)。因此，有必要提供一種高熔點金屬粉末的制備方法及制備裝置以解決3D打印用粉體制備的技術難題。

【發(fā)明內容】

[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，而提供一種制備3D打印用超細球形高熔點金屬粉末的方法與裝置。本發(fā)明主要結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金屬粉末。
[0005]本發(fā)明采用的技術手段如下:
[0006]一種制備3D打印用超細球形高熔點金屬粉末的裝置，包括殼體、設置于所述殼體內的坩禍和設置于所述殼體下部的收集倉，所述坩禍置于所述殼體內的上部，所述坩禍內設有與設置在所述殼體外部的壓電陶瓷相連的傳動桿，所述傳動桿的下端對著所述坩禍底部的中心孔，所述中心孔底部固定有帶小孔的墊片，所述殼體上設有伸入于所述坩禍內的上進氣口和上排氣閥，所述殼體上還設有擴散泵和機械泵，所述殼體上還設有腔體進氣口和腔體排氣閥，其特征在于:
[0007]所述坩禍內部設有熱電偶，所述坩禍外部設有加熱帶；
[0008]所述收集倉通過支架與所述殼體相固定，所述殼體和所述收集倉之間設有相貫通的、用于從所述帶小孔的墊片(20)上的小孔噴出的液滴滴落的環(huán)形降落管，所述收集倉腔體內、與所述環(huán)形降落管下端相對的位置設有離心盤，所述離心盤由支撐柱支撐，所述收集倉底部設有收集槽。
[0009]為方便原料加入及成品收集，所述殼體的一側設有爐門，所述收集倉的一側設有收集倉門。傳動桿與坩禍頂部的連接處使用動態(tài)密封圈密封，傳動桿伸入到坩禍的腔體內及熔體內部，熔體在傳動桿的帶動下噴射出帶小孔的墊片的孔形成液滴，液滴自由下落通過環(huán)形降落管，降落到離心盤上，在離心力作用下破碎成更小液滴，并下落凝固形成金屬粉末，最后降落到收集槽中。收集槽的面積足夠大能夠完全收集金屬粉末，收集倉的高度滿足液滴經(jīng)離心破碎后自由下落時可完成凝固，收集倉的寬度滿足大于液滴經(jīng)離心破碎后的飛行距離，即液滴離心破碎后在下落過程中凝固成金屬粉末并降落到收集槽中。
[0010]進一步地，在所述裝置自上而下的方向上，所述壓電陶瓷、所述傳動桿、所述坩禍、所述加熱帶、所述墊片及所述環(huán)形降落管位于同一軸線上。
[0011]進一步地，所述離心盤放置的位置可使液滴下落到約二分之一離心盤半徑處。
[0012]進一步地，所述坩禍上的中心孔直徑大于帶小孔的墊片的小孔直徑，所述帶小孔的墊片的小孔直徑范圍在0.02mm-2.0mm之間。
[0013]進一步地，所述帶小孔的墊片的材料與置于所述坩禍內的熔融金屬的潤濕角大于90。。
[0014]進一步地，所述離心盤為石墨圓盤，所述離心盤的轉速為10000rpm-40000rpm。
[0015]本發(fā)明還公開了采用上述裝置制備3D打印用超細球形高熔點金屬粉末的方法，其特征在于包括如下步驟:
[0016]①裝料:將原料研磨到預設的平均粒徑后裝入到坩禍內密封；
[0017]②抽真空與加熱:利用機械泵和擴散泵對所述坩禍和所述殼體抽真空，并充入高純度惰性氣體；根據(jù)待加熱原料的熔點設定加熱帶的加熱功率，待加熱溫度到熔點后保溫使原料完全熔化為熔體；手動調整傳動桿的位置至傳動桿與帶小孔的墊片之間為預設距離；
[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，同時通過上進氣口向坩禍中通入高純度惰性氣體，使所述坩禍的坩禍腔與所述殼體的腔體之間達到一定差壓，在差壓與脈沖的作用下，熔體從帶有小孔的墊片中的小孔噴出形成液滴；
[0019]④形成粉末:液滴自由下落通過環(huán)形降落管，降落到高速旋轉的離心盤上，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，形成金屬粉末，降落至收集槽中；
[0020]⑤收集粉末:制備結束后，停止加熱帶的加熱及離心盤的旋轉，關閉機械泵、擴散泵、腔體進氣口、腔體排氣閥、上進氣口和上排氣閥，打開收集倉門，取出收集槽中的金屬粉末。
[0021]進一步地，所述原料研磨的平均粒徑為lcm-2cm，通過爐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]進一步地，手動調整傳動桿的位置至傳動桿與帶小孔的墊片之間的距離為2cm_5cm0
[0023]進一步地，步驟③中，通入高純度惰性氣體后，使所述坩禍的坩禍腔與所述殼體的腔體之間達到差壓為0-200kPa。
[0024]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0025]本發(fā)明設計了一種脈沖微孔噴射法與離心霧化法相結合的可高效制備高熔點金屬球形粉末的裝置，坩禍中熔化的高熔點金屬材料在差壓和脈沖擾動的作用下，通過坩禍底部小孔噴出，形成均勻液滴，液滴降落至高速旋轉離心盤上，由于離心力的作用，均勻微滴被逐個破碎，形成尺寸更小的微液滴，微液滴經(jīng)自由降落凝固形成粉末。脈沖微孔噴射法可以克服其他方法在高熔點金屬噴射上的不足，實現(xiàn)高熔點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。
[0026]脈沖微孔噴射法生產(chǎn)的金屬粒子粒徑均一可控(相對偏差小于1.8%)，但單孔制備粒子的產(chǎn)量不足以滿足日益增加的需求量，與霧化法結合后，極大的提高了粉末的產(chǎn)量，而且霧化后液滴的尺寸大大減小。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，質量穩(wěn)定，再由離心霧化法破碎，即單個液滴經(jīng)過二次離心霧化，使成形的微液滴粒徑分布區(qū)間非常狹窄，產(chǎn)量高，滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。
[0027]本發(fā)明的工藝方法可控性強，表現(xiàn)在如下幾點:通過加熱帶可精確控制坩禍的加熱溫度；通過向坩禍與殼體內通入惰性氣體，可控制坩禍與殼體內的壓力差；坩禍底部帶小孔的墊片的小孔的尺寸可以控制液滴的尺寸，經(jīng)過離心霧化，進一步控制金屬微粒子的粒徑分布；離心盤的轉速可控，即離心霧化的效果可控，進一步可以控制金屬球形粉末的粒徑分布；工藝參數(shù)的可調節(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，生廣效率大幅度提尚。
[0028]通過本發(fā)明能夠高效制備出滿足要求的3D打印用高熔點金屬粉末，粒徑可控、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】
[0029]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。
[0030]圖1是本發(fā)明的結構示意圖。
[0031]圖中:1、壓電陶瓷2、動態(tài)密封圈3、坩禍腔4、傳動桿5、坩禍6、熔體7、加熱帶8、爐門9、殼體10、螺釘11、支架12、離心盤13、收集倉14、支撐柱15、收集倉門16、金屬粉末17、收集槽18、液滴19、環(huán)形降落管20、帶小孔的墊片21、腔體進氣口 22、擴散泵23、機械泵24、腔體排氣閥25、上進氣口 26、上排氣閥。
【具體實施方式】
[0032]如圖1所示，一種制備3D打印用超細球形高熔點金屬粉末的裝置，包括殼體9、設置于所述殼體9內的坩禍5和設置于所述殼體9下部的收集倉13，所述坩禍5置于所述殼體9內的上部，所述坩禍5內部設有熱電偶，所述坩禍5外部設有加熱帶7 ;所述坩禍5內設有與設置在所述殼體9外部的壓電陶瓷I相連的傳動桿4，所述傳動桿4與所述坩禍5頂部連接的位置設有動態(tài)密封圈2密封，所述傳動桿4的下端對著所述坩禍5底部的中心孔，所述中心孔底部固定有帶小孔的墊片20，所述帶小孔的墊片20可以為帶孔的螺栓，亦或者是其他帶孔的耐高溫耐腐蝕材料制成的墊片，通過螺釘10(如圖中所示)將帶小孔的墊片20固定在所述坩禍5底部，所述坩禍5上的中心孔直徑大于帶小孔的墊片20的小孔直徑，所述帶小孔的墊片20的小孔直徑范圍在0.02mm-2.0mm之間。所述帶小孔的墊片20的材料與置于所述坩禍5內的熔融金屬6的潤濕角大于90°。
[0033]所述殼體9上設有伸入于所述坩禍5內的上進氣口 25和上排氣閥26，如圖所示，上進氣口 25和上排氣閥26開設于所述坩禍5的頂部，在所述殼體9的側壁上還設有擴散泵22和機械泵23，所述殼體9上還設有腔體進氣口 21和腔體排氣閥24，所述殼體9的一側設有爐門8，所述收集倉13的一側設有收集倉門15。
[0034]所述收集倉13通過支架