CN103433499B - 一种球形金属粉末的超声雾化制备装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种球形金属粉末的超声雾化制备装置及制备方法。所述球形金属粉末的超声雾化制备装置包括雾化室，设在雾化室内的金属棒料，设置在金属棒料侧上方的等离子弧发生系统，所述金属棒料装在一超声振动系统上，该超声振动系统设置在一旋转升降机构上；所述金属棒料的侧下方设有粉末收集缸。所述方法包括以下步骤：1）安装金属料棒；2）雾化室抽真空后再充惰性气体；3）利用等离子弧轰击金属料棒；F）旋转升降机构旋转金属料棒；G）超声振动系统振动金属料棒；H）金属料棒雾化成金属液滴，飞离金属料棒，凝固成金属粉末。本发明可以制备任意成分球形金属粉末，并且金属粉末粒径细小、粒度分布窄。
Description
技术领域
本发明涉及金属粉末材料的制备技术领域，具体为一种球形金属粉末的超声雾化制备装置及制备方法。
背景技术
金属粉末作为一类重要的工业原料，在通讯、电子、汽车、航空航天等领域的应用日益扩大。随着金属注射成型、热喷涂、金属快速成形、电子表面贴装等技术的发展，对金属粉末材料的粒度、纯净度、形貌等方面的性能要求逐渐提高，进而推动粉末制备技术朝着窄粒度、低氧含量、高效率、低成本的方向发展。
目前制备金属粉末的主要方法有：机械粉碎法、等离子旋转电极法和气雾化法等。机械粉碎法是利用金属之间的相互运动所产生的挤压和切应力使大块金属得以粉碎的方法，通常适用于脆性金属材料粉末的制备，而且制备的粉末为不规则形状。等离子旋转电极法是利用等离子束将金属料棒熔化，在高速旋转状态下，金属熔液受到离心力和液体表面张力的双重作用，被破碎成液滴飞离金属料棒，冷凝成球形金属粉末。由于受到金属料棒旋转转速的限制，所制备的金属粉末粒径一般大于100μm。气雾化法是生产金属粉末的主要方法之一，是利用高速气流将液态金属流破碎成小液滴并凝固成粉末的过程。气雾化法制备的金属粉末存在卫星颗粒，粒度分布宽，设备庞大，还要消耗大量气体，成本高。
超声雾化是近年发展起来的一种新的雾化技术，是利用超声波定向压强，使液体表面产生有限振幅的表面张力波，形成隆起液面，在隆起的液面周围发生空化作用，使液体雾化成小液滴。中国专利申请CN201180053612.1公开了一种超声雾化设备，中国专利申请CN200980112649.X公开了一种超声雾化装置，中国专利申请CN201010122821.4公开了一种组合超声雾化装置，这三件专利都适用于各种溶液的雾化，但不适用于制备金属粉末。中国专利申请01140401.9公开了一种用于生产球形金属粉末的超声雾化制备方法装置，其基本原理是：将液态金属滴落在以超声频率振动的超声聚能器头部形成一薄液层，在超声振动作用下激起表面张力，形成细小液滴飞离成雾，冷凝成金属粉末。由于超声聚能器头部需要接触高温液态金属，将产生空化腐蚀，同时制备的金属粉末材料受到超声聚能器头部材料熔点的限制，目前这件专利涉及的超声雾化制备金属粉末方法和装置只能制备低熔点金属粉末，比如熔点不超过350℃的锡铅合金。
发明内容
针对现有球形金属粉末制备技术存在的上述问题，本发明旨在提供一种球形金属粉末的超声雾化制备装置及制备方法，该方法能制备任意成分球形金属粉末，并且金属粉末粒径细小、粒度分布窄。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种球形金属粉末的超声雾化制备装置，包括雾化室，其结构特点是，还包括设在雾化室内的金属棒料，设置在金属棒料侧上方并可对金属棒料发射等离子弧的等离子弧发生系统，所述金属棒料装在一超声振动系统上，该超声振动系统设置在一旋转升降机构上。
以下为本发明的进一步改进的技术方案：
作为一种具体的结构形式，所述等离子弧发生系统包括主电源、与主电源电连接的等离子枪，以及与主电源电连接的金属棒料；所述等离子枪的等离子弧发射端与金属棒料之间的距离为12mm～15mm。
进一步地，所述等离子枪包括枪体，设置在枪体等离子弧发射端的压盖，设置在枪体内的阴极；所述阴极与金属棒料之间设有等离子弧喷嘴；所述主电源包括一引弧电源、一高频电源和一高压电源；所述阴极与所述引弧电源、高频电源、高压电源、金属棒料顺次串接电连。
为了及时冷却等离子枪，所述枪体上设有冷却水管。
作为一种具体的结构形式，所述超声振动系统包括变幅杆、超声换能器和用于激励超声换能器的超声发生器；所述金属棒料安装在变幅杆上，该变幅杆安装在超声换能器上，由此，金属棒料上的熔化液体更容易被甩离，可以有效地提高金属粉粒雾化效率。进一步地，所述变幅杆的振幅大于20μm。
所述雾化室通过一抽真空管与真空泵相连，所述雾化室与一惰性气体输送管连通；所述金属棒料的侧下方设有与雾化室连通的粉末收集缸。
本发明还提供了一种利用上述的球形金属粉末的超声雾化制备装置制备球形金属粉末的方法，其包括如下步骤：
1）、将金属棒料装在超声振动系统上；
2）、对雾化室抽真空；
3）、停止抽真空，然后向雾化室内充入惰性气体；
4）、在惰性气氛下通过等离子弧发生系统向金属料棒发射等离子弧，轰击金属料棒；
5）、开启旋转升降机构，使金属料棒旋转；
6）、开启超声振动系统使金属料棒产生超声振动；
7）、金属料棒表面熔化的金属液体在超声振动和旋转离心力的作用下雾化成金属液滴，飞离金属料棒，金属液滴在飞行时冷却凝固成金属粉末。
进一步地，对雾化室抽真空至压强小于0.1Pa；雾化室内充入惰性气体至压强大于0.1MPa；所述金属料棒的旋转速度为0r/min～300r/min。
进一步地，等离子弧发生系统向金属料棒发射等离子弧时，对金属料棒和等离子枪的阴极施加高压，产生等离子弧，轰击金属料棒；开启超声振动系统时先开启超声发生器，由超声发生器激励超声换能器，通过变幅杆引起金属料棒超声振动，该金属料棒的超声振动面的振幅大于20μm。
本发明的球形金属粉末超声雾化方法的基本原理是：金属料棒在以超声频率振动的同时，利用等离子弧对金属料棒加热，当金属料棒表面升温到熔融态时，在超声振动的作用下激起表面张力波，当超声振动幅度达到一定时，金属液滴从波峰上飞离，经气体冷却凝固成金属粉末。
以下对本发明做进一步的描述：
一种球形金属粉末的超声雾化制备装置，包括等离子弧发生系统、超声振动系统、真空泵和粉末收集缸。
所述等离子弧发生系统包括等离子枪、金属料棒、旋转升降机构和高压电源。所述等离子枪包括阴极、喷嘴、枪体、气管、水管和压盖。所述金属料棒作为阳极。所述旋转升降机构实现金属料棒的旋转和升降功能。所述主电源包括高频电源、引弧直流电源和高压电源。所述高频电源和引弧直流电源通过导线与等离子枪阴极和喷嘴相连。所述高压电源通过导线与等离子枪和金属料棒连接。通过在等离子枪阴极和喷嘴之间施加高频电流和引弧直流电场，同时通入氩气，在两电场作用下，氩气电离并形成稳定的等离子弧。等离子弧通过喷嘴孔道吹向作为阳极的金属料棒，在高压电源的作用下，在等离子枪阴极与金属料棒之间产生二次等离子弧。此时切断高频电源和引弧直流电源。二次等离子弧轰击金属料棒，使金属料棒升温至熔融态。氩气经所述气管进入等离子枪内电离产生等离子体。冷却水经所述水管流经等离子枪阴极和喷嘴枪以冷却等离子枪各组件。所述压盖用于锁紧等离子枪的各组件。
所述超声振动系统包括超声发生器、超声换能器和变幅杆。所述超声发生器将工频交流电转变为高频电磁振荡提供给超声换能器。所述超声换能器利用压电晶体的伸缩效应将高频电磁振荡转化为微弱的机械振动。所述变幅杆将超声换能器产生的微弱机械振动放大，传递给安装在变幅杆上的金属料棒。
所述真空泵通过抽真空管与雾化室连接，通过真空泵抽真空，使雾化室真空压强小于0.1Pa。
所述粉末收集缸与雾化室连接，具有蝶阀结构，可密封。
一种球形金属粉末的超声雾化制备方法，具体包括如下步骤：（1）将要超声雾化的金属制成圆棒状，金属料棒可通过配料、熔炼、浇铸制成，也可通过购买金属铸锭，再通过机械加工制成；（2）将金属料棒安装到变幅杆上；（3）雾化室抽真空至压强小于0.1Pa；（4）雾化室充入氩气至压强大于0.1MPa；（5）在氩气气氛中对金属料棒和等离子枪施加高压，产生等离子弧，金属料棒在等离子弧的轰击下，表面开始升温熔化；（6）开启旋转升降机构，使金属料棒与超声换能器、变幅杆一起做匀速旋转运动，金属料棒匀速旋转运动转速为0r/min～300r/min；（7）开启大功率超声发生器，激励超声换能器，通过变幅杆引起金属料棒超声振动，金属料棒超声振动面的振幅大于20μm；（8）金属料棒表面熔化金属液体受到超声振动和旋转离心力的作用，雾化成金属液滴，飞离金属料棒，金属液滴在飞行时受到气流冷却，凝固成金属粉末，落入粉末收集缸中。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）能制备任意成分金属粉末。
（2）制得金属粉末球形度高，粒径小、粒度分布窄，以实施例的效果为例，金属粉末平均粒径为81μm，小于100μm的粉末占93%。
（3）雾化过程中金属熔液不接触其他材料，制得金属粉末纯净度高。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
附图说明
图1是本发明一种球形金属粉末的超声雾化制备方法的流程示意图；
图2是本发明一种球形金属粉末的超声雾化制备装置的结构示意图；
图3是球形金属粉末超声雾化制备装置里等离子枪及控制电源示意图。
在图中
1-等离子枪； 2-金属料棒； 3-旋转升降机构； 4-主电源；
5-超声发生器；6-超声换能器； 7-变幅杆； 8-真空泵；
9-粉末收集缸；10-雾化室； 11-等离子弧； 12-氩气气管；
13-抽真空管； 14-阴极；15喷嘴； 16-枪体； 17-冷却水管；
18-压盖； 19-高频电源；20-引弧直流电源； 21-高压电源。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
一种球形金属粉末的超声雾化制备装置，结合图2、图3所示，包括等离子弧发生系统、超声振动系统、真空泵8和粉末收集缸9。所述等离子弧发生系统包括等离子枪1、金属料棒2、旋转升降机构3和主电源4。所述等离子枪1包括阴极14、喷嘴15、枪体16、气管12、水管17和压盖18。所述金属料棒2作为阳极。所述旋转升降机构3实现金属料棒2的旋转和升降功能。所述主电源4包括高频电源19、引弧直流电源20和高压电源21。所述高频电源19和引弧直流电源20通过导线与等离子枪阴极14和喷嘴15相连。所述高压电源21通过导线与等离子枪阴极14和金属料棒2连接。通过在等离子枪阴极14和喷嘴15之间施加高频电流和引弧直流电场，同时通入氩气，在两电场作用下，氩气电离并形成稳定的等离子弧11。等离子弧11通过喷嘴15孔道吹向作为阳极的金属料棒2，在高压电源21的作用下，在等离子枪阴极与金属料棒之间产生二次等离子弧11。此时切断等离子枪的高频电源19和引弧直流电源20。二次等离子弧11轰击金属料棒2，使金属料棒2头部升温至熔融态。氩气经气管12进入等离子枪1内电离产生等离子体。冷却水经水管17流经等离子枪阴极14、喷嘴15和枪体16以冷却等离子枪1各组件。通过压盖18和等离子枪枪体16的连接来锁紧等离子枪各组件。
所述超声振动系统包括超声发生器5、超声换能器6和变幅杆7。所述超声发生器5将工频交流电转变为高频电磁振荡提供给超声换能器6。所述超声换能器6利用压电晶体的伸缩效应将高频电磁振荡转化为微弱的机械振动。所述变幅杆7将超声换能器6产生的微弱机械振动放大，传递给安装在变幅杆7上的金属料棒2。
所述真空泵8通过抽真空管13与雾化室10连接，通过真空泵8抽真空，使雾化室10真空压强小于0.1Pa。
所述粉末收集缸9与雾化室10连接，具有蝶阀结构，可密封，用于收集雾化的金属粉末。
按照本发明提供的一种球形金属粉末的超声雾化制备装置制备方法制备TC4钛合金粉末的方法，如图1所示，包括如下步骤：
（1）将TC4钛合金铸锭通过机加工制成直径为16mm、长度为50mm的圆棒；
（2）将加工好的钛合金料棒安装到超声雾化装置的变幅杆上，通过旋转升降机构调整钛合金料棒头部与等离子枪头部距离在12mm～15mm范围内；
（3）开启真空泵，对雾化室抽真空，至雾化室压强小于0.1Pa；
（4）关闭真空泵，打开氩气气管，往雾化室充入氩气，至雾化室压强大于0.1MPa；
（5）打开冷却水管和等离子枪氩气气管，打开高频电流和引弧直流电源，高频起弧电压为2500V，频率为2500Hz，引弧直流电压为100V，电流为30A。打开高压电源，电压为30V～50V，熔化电流为100A～250A。在等离子枪阴极与钛合金料棒之间产生二次等离子弧后，切断高频电源和引弧直流电源。钛合金料棒在等离子体的轰击下，表面开始升温熔化；
（6）开启旋转升降机构，使钛合金料棒与超声换能器、变幅杆一起做匀速旋转运动，旋转速度为2 r/min；
（7）开启超声发生器，输出电功率为600W，超声换能器工作频率为20KHz；
（8）钛合金料棒表面熔化液体受到超声振动和旋转离心力的作用，雾化成钛合金液滴，飞离钛合金料棒，受到氩气气流冷却，凝固成钛合金粉末，落入粉末收集缸中。
在雾化过程中，通过旋转升降机构控制钛合金料棒头部和等离子枪头部距离在12mm～15mm范围内，直至雾化结束。
对制备的钛合金粉末进行检测，钛合金粉末均为球形，球形度高，平均粒径为81μm，小于100μm的粉末占93%。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化、均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种球形金属粉末的超声雾化制备装置，包括雾化室（10），还包括设在雾化室（10）内的金属棒料（2），设置在金属棒料（2）侧上方并可对金属棒料（2）发射等离子弧的等离子弧发生系统，其特征在于，所述金属棒料（2）装在一超声振动系统上，该超声振动系统设置在一旋转升降机构上。
2.根据权利要求1所述的球形金属粉末的超声雾化制备装置，其特征在于，所述等离子弧发生系统包括主电源（4）、与主电源（4）电连接的等离子枪（1），以及与主电源（4）电连接的金属棒料（2）；所述等离子枪（1）的等离子弧发射端与金属棒料（2）之间的距离为12mm～15mm。
3. 根据权利要求2所述的球形金属粉末的超声雾化制备装置，其特征在于，所述等离子枪（1）包括枪体（16），设置在枪体（16）等离子弧发射端的压盖（18），设置在枪体（16）内的阴极（14）；所述阴极（14）与金属棒料（2）之间设有等离子弧喷嘴（15）；所述主电源（4）包括一引弧电源（20）、一高频电源（19）和一高压电源（21）；所述阴极（14）与所述引弧电源（20）、高频电源（19）、高压电源（21）、金属棒料（2）顺次串接电连。
4. 根据权利要求3所述的球形金属粉末的超声雾化制备装置，其特征在于，所述枪体（16）上设有冷却水管（17）。
5. 根据权利要求1~4之一所述的球形金属粉末的超声雾化制备装置，其特征在于，所述超声振动系统包括变幅杆（7）、超声换能器（6）和用于激励超声换能器（6）的超声发生器（5）；所述金属棒料（2）安装在变幅杆（7）上，该变幅杆（7）安装在超声换能器（6）上。
6. 根据权利要求5所述的球形金属粉末的超声雾化制备装置，其特征在于，所述变幅杆（7）的振幅大于20μm。
7. 根据权利要求1~4之一所述的球形金属粉末的超声雾化制备装置，其特征在于，所述雾化室（10）通过一抽真空管（13）与真空泵（8）相连，所述雾化室（10）与一惰性气体输送管连通；所述金属棒料（2）的侧下方设有与雾化室（10）连通的粉末收集缸（9）。
8. 一种利用权利要求1~7之一所述的超声雾化制备装置制备球形金属粉末的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）、将金属棒料（2）装在超声振动系统上；
2）、对雾化室（10）抽真空；
3）、停止抽真空，然后向雾化室（10）内充入惰性气体；
4）、在惰性气氛下通过等离子弧发生系统向金属料棒（2）发射等离子弧，轰击金属料棒（2）；
5）、开启旋转升降机构，使金属料棒（2）旋转；
6）、开启超声振动系统使金属料棒（2）产生超声振动；
7）、金属料棒（2）表面熔化的金属液体在超声振动和旋转离心力的作用下雾化成金属液滴，飞离金属料棒（2），金属液滴在飞行时冷却凝固成金属粉末。
9. 根据权利要求8所述的制备球形金属粉末的方法，其特征在于，对雾化室（10）抽真空至压强小于0.1Pa；雾化室（10）内充入惰性气体至压强大于0.1MPa；所述金属料棒（2）的旋转速度为0r/min～300r/min。
10. 根据权利要求8或9所述的制备球形金属粉末的方法，其特征在于，等离子弧发生系统向金属料棒（2）发射等离子弧时，对金属料棒（2）和等离子枪（1）的阴极（14）施加高压，产生等离子弧，轰击金属料棒（2）；开启超声振动系统时先开启超声发生器（5），由超声发生器（5）激励超声换能器（6），通过变幅杆（7）引起金属料棒（2）超声振动，该金属料棒（2）的超声振动面的振幅大于20μm。
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