一種高效制備超細(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結(jié)合的高效制備超細(xì)球形金屬粉末的方法及裝置。
【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)等方面均有廣泛的應(yīng)用。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，通過逐層打印方式來制造實(shí)體制件。3D打印用金屬粉末要求圓球度高，粒徑分布區(qū)間窄，無衛(wèi)星滴，具有良好的鋪展性和均勻的流動性等。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不斷擴(kuò)大。
[0003]目前國內(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，必須通過多次篩分才能得到滿足使用要求粒徑區(qū)間的粉末，而且圓球度差，粉末上存在大量的衛(wèi)星滴，無法滿足3D打印用金屬粉末的鋪展性及流動性等苛刻要求，并且生產(chǎn)效率低，無法滿足3D打印用金屬粉末的巨大需求量。
[0004]我國尚未開發(fā)出完全滿足上述要求的金屬粉末材料，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)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]一種高效制備超細(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，所述傳動桿與所述壓片接觸；所述外容納腔的中心孔底部設(shè)有帶孔墊片，所述帶孔墊片上設(shè)有多個對稱圓孔；
[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)外嵌套的兩個腔室，即將金屬材料放入外層腔室，在熔融的過程中通過液體流動，匯聚到坩禍中心孔的區(qū)域，通過中心孔上覆蓋的壓片和壓片上方的傳動桿下移，使液滴從中心孔底部的帶孔墊片上的圓孔噴出。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，能夠保證液滴不會凝固在殼體的內(nèi)壁上，收集盤可以對應(yīng)的設(shè)置成兩個，分別設(shè)置在旋轉(zhuǎn)圓盤的兩側(cè)，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，所述帶孔墊片上的圓孔的孔徑范圍在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-60000rpmo
[0015]本發(fā)明還公開了高效制備超細(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，并通過所述坩禍內(nèi)設(shè)置的熱電偶實(shí)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；
[0019]④粒子制備:通過設(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，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桿及設(shè)置在所述傳動桿下方的壓片傳遞給中心孔附近區(qū)域的熔融金屬，使得熔融金屬從中心孔底部的帶孔墊片上的圓孔噴出形成均勻液滴；
[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，同時壓片和傳動桿恢復(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，所述傳動桿與所述壓片接觸；所述外容納腔的中心孔底部設(shè)有帶孔墊片，所述帶孔墊片上設(shè)有多個對稱圓孔；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，所述帶孔墊片上的圓孔的孔徑范圍在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的作用下，通過坩禍底部安裝的帶孔墊片上的圓孔噴出，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。脈沖微孔噴射法噴出的金屬液滴粒徑均一(相對偏差小于1.8% )，圓球度高，但單孔制備粒子的產(chǎn)量不足以滿足金屬粉末日益增加的需求量。本發(fā)明首先使用帶有多個圓孔的墊片，熔融金屬同時從多個圓孔中噴出，單位時間內(nèi)金屬液滴噴射量大大提高；然后與霧化法結(jié)合，經(jīng)二次離心霧化后，又一次極大的提高了金屬粉末的產(chǎn)量。本發(fā)明方法制備的金屬粉末粒徑分布區(qū)間非常狹窄(粒徑小于100 μm)，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):通過感應(yīng)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，同時使熔池中熔融金屬不斷向坩禍底部中心孔內(nèi)補(bǔ)充；坩禍底部安裝的墊片上的圓孔尺寸可以控制液滴的尺寸，經(jīng)過二次離心霧化，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超細(xì)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打印用超細(xì)球形金屬粉末，粒徑可控、分布區(qū)間窄，圓球度高、熱履歷一致，且成本低、產(chǎn)量高，適宜工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0030]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。
[0031]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖2是本發(fā)明帶孔墊片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖中:1、壓電陶瓷2、傳動桿3、坩禍右進(jìn)氣管4、感應(yīng)加熱器5、右熔池6、壓片
7、殼體8、坩禍9、帶孔墊片10、液滴11、右收集盤12、左收集盤13、金屬粉末14、腔體進(jìn)氣管15、腔體放氣閥16、電機(jī)17、旋轉(zhuǎn)圓盤18、左熔池19、坩禍左進(jìn)氣管20、機(jī)械泵21、擴(kuò)散泵22、坩禍放氣閥23、第一圓孔24、第二圓孔25、第三圓孔26、第四圓孔。
【具體實(shí)施方式】
[0034]如圖1所示，一種高效制備超細(xì)球形金屬粉末的裝置，包括殼體7、設(shè)置于所述殼體7內(nèi)的坩禍8和粉末收集區(qū)，所述粉末收集區(qū)置于所述殼體7內(nèi)的底部，所述粉末收集區(qū)包括設(shè)置在所述殼體7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17，在圖中，收集盤為兩個，分別設(shè)置在旋轉(zhuǎn)圓盤17的兩側(cè)，為左收集盤12和右收集盤11。
[0035]所述坩禍8置于所述粉末收集區(qū)上部，所述坩禍8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8分為左右的兩個腔室，即左熔池18和右熔池5，實(shí)質(zhì)上兩個熔池是在同一個環(huán)形腔室內(nèi)(外容納腔內(nèi))，在實(shí)際使用過程中可根據(jù)制備粉末的多少來向一側(cè)的熔池注入金屬材料，可部分或全部倒入；所述坩禍8的內(nèi)容納腔的底部與所述坩禍8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6，所述壓片6上方對應(yīng)的是坩禍8的內(nèi)容納腔，內(nèi)容納腔的中心孔通過壓片6封閉，壓片6上方對應(yīng)的是與所述殼體7外部的壓電陶瓷I相連的傳動桿2，所述傳動桿2與所述壓片6接觸；所述外容納腔的中心孔底部設(shè)有帶孔墊片9 (如圖2所示)，所述帶孔墊片9上設(shè)有多個對稱圓孔，圖2中顯示，為4個兩兩相對的圓孔，第一圓孔23、第二圓孔24、第三圓孔25和第四圓孔26。所述殼體7上還在對應(yīng)圖1中的左熔池18和右熔池5的位置設(shè)有伸入于所述坩禍8內(nèi)的坩禍進(jìn)氣管，分別為對應(yīng)左熔池18的坩禍左進(jìn)氣管19和對應(yīng)右熔池5的坩禍右進(jìn)氣管3，在所述殼體7上部還設(shè)有與所述坩禍8相連通的機(jī)械泵20、擴(kuò)散泵21和坩禍放氣閥22，機(jī)械泵20、擴(kuò)散泵21和坩禍放氣閥22的設(shè)置位置可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置在殼體7的任意側(cè)面，在所述殼體7的側(cè)壁上還設(shè)有腔體進(jìn)氣管14和腔體放氣閥15。
[0036]所述坩禍8內(nèi)設(shè)有熱電偶，所述坩禍8外側(cè)還設(shè)有感應(yīng)加熱器4。
[0037]所述帶孔墊片9上的圓孔的孔徑范圍在0.02mm-2.0mm之間。
[0038]所述坩禍8的材