CN106695030B - 基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法 - Google Patents

基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法 Download PDF

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Abstract

一种用于电弧放电制造金属微细颗粒的工艺方法，将两块金属母材分别连接到放电电源的正、负两极上，再由机床的伺服控制来保证两块金属母材之间形成电弧放电所需的放电间隙，然后在放电间隙之间施加高速流体介质，通过放电电源施加直流电流或脉冲电流，在两块金属母材之间形成电弧放电蚀除金属母材形成金属微细颗粒，从而实现将金属母材加工制造成金属微细颗粒。本发明利用电弧放电时产生的瞬时高温蚀除金属母材，采用复合断弧机制：保证电弧放电稳定、高效的进行，即可简单、方便、经济地实现电弧放电制造金属微细颗粒的工艺方法。

Description

基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法
技术领域
本发明公开了一种制造金属微细颗粒的加工方法，具体为基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法。
背景技术
3D打印、激光熔覆等增材制造技术为当前研究的热门领域。比之传统的减材料制造技术，制约增材制造过程涉及大量的固体金属材料，用于零件的打印成型或者金属基体的熔覆修整。然而，如何高效、经济的加工制备3D打印和激光熔覆等增材制造技术所需要的金属微细颗粒是现今一个较大的难题。
现今，制备金属粉末的方法中已经有涉及利用电火花等离子体放电产生的高温熔化金属或导电材料来制备金属粉末。比如文献披露利用火花等离子体进行高温合金粉末制备的方法(于军等，火花等离子体放电制备高温合金细粉新技术[J].金属学报.44(7),2008:892-896)和文献公开利用火花等离子体放电制备粉末技术(郭双全,等.火花等离子体放电制备粉末技术[J]，材料导报.24(10),2010:112-116)，然而由于电火花放电能量较低，使得粉末制备效率低下，因此严重制约着火花等离子体放电制备粉末技术的推广和应用。
相比于火花放电产生的等离子体，电弧放电产生的热等离子具有能量密度更大和温度更高等特点，利用电弧放电生产的瞬时高温(10000K以上)可在瞬间熔化金属材料。因此，利用电弧放电等离子体高效、经济地制备金属微细颗粒将是一种有效的途径。与此同时，在现有技术在制备微细颗粒和金属粉末中，大量采用电弧放电技术。比如专利文献CN201010164462.9所公开了利用电弧放电产生的高温加热金属，使之成为金属蒸汽，并各种通过冷却方法使得金属颗粒降温后形成微细颗粒；又如专利CN104690282A公开了一种放电爆炸法纳米金属粉末加工工艺，该方法通过金属丝固定在一个充满惰性气体的反应室中，通过电容器施加15KV的高压和500-800KA的电流，在瞬时放电作用下的高能脉冲使金属丝蒸发、爆炸而形成纳米粉体。然而，上述文献公布的方法存在一些不足，如单次制备粉末数量有限、生产制备效率较低和制备单位体积的粉末能耗高等缺点，因此很难满足3D打印和激光熔覆等增材制造技术所需要的金属微细颗粒大规模、经济、高效的制备。
同样，专利文件CN201510159503.8公开的3D打印用微细球形钛粉的制备方法，该方法采用块状金属钛工件，在氢气和惰性气体保护下，金属材料作为电极通过电流，产生电弧放电后熔化、蒸发电极材料，再通过冷却各种方法使得气态或液体金属材料形成粒径20-50nm的氢化钛颗粒，然后在后期处理得到微米级球形钛粉；由于该方法并未涉及到控制放电电弧状态的断弧机制，极易导致颗粒的烧蚀损伤，并且会造成制备过程中出现短路现象，从而使制备过程很难持续稳定的进行。又如专利文献CN02141780.6公开的液相电弧制备超细颗粒和一维纳米材料的方法，该方法所披露的制备手段是利用反应器和嵌合于反应器上的电极，并将反应器中加入反应液体，使得电极前段浸没在液体中并调整电极件的距离为1-10mm，电源通电后基于电弧放电产生微细颗粒。该方法所用的反应液体为液氮、液氦或高纯水，电弧放电持续的时间为30分钟。然而，该专利文献所述方法为利用浸没在反应液中电极放电实现颗粒制备，其缺点有：1)液氮、液氦等气体温度低，电极放置操作困难，而高存水在电弧放电产生离子放电作用下，电导率上升明显，需增加离子交换系统。2)利用电极浸没的方式，缺乏有效的短路预防措施，并且由于电极损耗导致连续制备困难。
综上所述，总结现今已经公开利用电弧放电制备金属微细颗粒的加工方法，大致存在的如下不足：一、制备效率较低，由于单次制备粉末数量有限、生产效率较低，从而影响制备效率，如专利文件CN201010164462.9和专利文献CN104690282A所公开的加工方法；二、断弧机制，由于电弧等等离子体的高能量密度，持续的放电极易导致短路和颗粒的烧蚀损伤，若无充分合理的断弧机制保证，则会影响颗粒制备质量；三、电极间颗粒排出，采用普通的块状电极浸没放电或其它无辅助排屑运动的制备方法，一方面材料损耗不均匀导致难以连续性制备，另一方面容易由于颗粒排除不畅引起短路，如专利文献CN201510159503.8和专利文献CN02141780.6所公开的方法。而且，通过前期实验发现在电弧放电制备金属微细颗粒的过程中，持续电弧放电会引起制备过程短路和金属微细颗粒烧蚀等不利现象，这将严重影响金属微细颗粒的质量和制备过程的稳定性。因此，迫切需要一种有力的断弧机制来控制放电电弧，使电弧放电制备金属微细颗粒能既稳定又高效的进行。为此，本发明提出一种复合断弧机制，它可以实现对放电电弧的控制，从而实现金属微细颗粒的稳定、高效的制备。
发明内容
针对上述加工方法中存在的不足，本发明公开一种基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法。
本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：
一种基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法，包括如下步骤：
首先，选择目标金属微细颗粒的金属母材两块，将其中一块金属母材与机床的主轴固定连接，另一块金属母材固定在机床工作台上，将两块金属母材分别连接到放电电源的正、负极上，再由机床的伺服控制来保证两块金属母材之间始终形成电弧放电所需的放电间隙；
然后，在放电间隙之间采用流体介质实施高速流体冲刷，使放电电源、机床主轴上的金属母材、放电间隙之间被击穿的流体介质及机床工作台上的金属母材组成电流回路，通过放电电源施加直流电流或脉冲电流，利用复合断弧机制实现对放电电弧的控制，在两块金属母材之间的放电间隙中形成可控的电弧放电蚀除金属母材形成金属微细颗粒，实现金属微细颗粒的制造。
进一步地，所述的复合断弧机制是指：放电区域间流体介质的高速流动将有效的实现流体动力扰弧或断弧，两块金属母材之间的相互运动实现机械运动断弧和放电电源周期性的强制电气断弧，通过三者复合的断弧机制来实现对放电电弧的控制。
进一步地，所述的金属母材是指：与目标金属微细颗粒含量和成分完全一致的目标金属板材或者金属棒料。
进一步地，所述的放电电源是指：电压值为30V-120V，峰值电流为50A-10000A的直流电源。
进一步地，所述的放电电源或者是指：提供脉冲宽度与脉冲间隔范围分别为2μs-20000μs，峰值电压范围为30V-120V，峰值电流为50A-10000A的脉冲电源，实现电气强制断弧。
进一步地，所述的机床是指：至少具有单个主轴自动伺服进给及回退功能的机床。
进一步地，所述的放电间隙是指：由机床主轴自动伺服进给控制的两块金属母材之间的间隙，间隙值为10μm-100μm。
进一步地，所述的流体介质是指：切削乳化液、防锈乳化液、纯净水或电导率为125～1250μS/cm的自来水等水基工作液。
进一步地，所述的流体介质可为N2、CO2、氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等气体流体介质。
进一步地，所述流体介质是由高速流体介质喷嘴释放喷出，流体介质喷嘴与流体介质储存箱固定连接，流体介质储存箱具有产生和存储流体介质的功能，并与机床固定连接。
进一步地，所述的流体介质动力断弧是指：流体介质以0.5MPa及以上的压力、5m/s及以上的速度，流经两块金属母材之间的放电间隙，实现流体动力扰弧或是断弧。
进一步地，所述的机械运动断弧是指：两块金属母材之间以0.1m/s及以上速度做相对运动，实现机械运动偏弧或是断弧。
进一步地，所述的电气断弧是指：采用脉冲宽度与脉冲间隔范围分别为2μs-20000μs的脉冲电源作为放电电源，实现电气强制断弧。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
1)断弧机制，通过采用复合断弧机制，实现了对放电电弧的控制，防止金属微细颗粒被烧蚀和加工短路等不利现象，使制备过程能稳定持续进行；
2)颗粒制备效率，通过高速流体介质冲刷放电间隙区域，及时有效排出间隙中的金属颗粒，防止短路，提高制备效率；
3)利用利用高速流体介质冲刷放电区域，从而实现放电区域冷却和辅助排屑效果；4)采用非浸没式放电，保护介质放电特性。
附图说明
图1为基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法示意图；
图中：1：机床主轴，2：放电电源，3：机床，4：收集装置，5：固定在主轴上的金属母材，6：固定在工作台上的金属母材，7：流体介质，8：高速流体介质喷嘴，9.流体介质储存箱。
图2为基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法的复合断弧机制的原理图；
图3为基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法的波形图；
图4为金属微细颗粒的显微图；
图5为金属微细颗粒的形貌图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明。
一种基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法，首先需要目标金属微细颗粒的金属母材两块，将其中一块金属母材5与机床主轴1固定连接，另一块金属母材6固定在机床工作台上，将两块金属母材分别连接到放电电源2的正、负极上，再由机床3的伺服控制来保证两块金属母材之间始终形成电弧放电所需的放电间隙，然后由流体介质储存箱9产生储存流体介质，由高速流体介质喷嘴8完成在放电间隙之间采用流体介质实施高速冲刷，并由放电电源2、机床主轴上的金属母材5、放电间隙之间被击穿的流体介质7及机床工作台上的金属母材6组成电流回路。通过放电电源2施加直流电流或脉冲电流，利用复合断弧机制实现对放电电弧的控制，在两块金属母材之间的放电间隙中形成可控的电弧放电蚀除金属母材形成金属微细颗粒，最后由收集装置4收集金属微细颗粒，从而实现金属微细颗粒的制造。
所述的复合断弧机制是指：放电区域间流体介质的高速流动将有效的实现流体动力扰弧或断弧，两块金属母材之间的相互运动实现机械运动断弧和放电电源周期性的强制电气断弧，通过三者复合的断弧机制来实现对放电电弧的控制。
所述的金属母材5和6是指：与目标金属微细颗粒含量和成分完全一致的目标金属板材或者金属棒料。
所述的放电电源2是指：电压值为30V-120V，峰值电流为50A-10000A的直流电源。
所述的放电电源2或者是指：提供脉冲宽度与脉冲间隔范围分别为2μs-20000μs，峰值电压范围为30V-120V，峰值电流为50A-10000A的脉冲电源，实现电气强制断弧。
所述的机床3是指：至少具有单个主轴自动伺服进给及回退功能的机床。
所述的放电间隙是指：由机床主轴自动伺服进给控制的两块金属母材之间的间隙，间隙值为10μm-100μm。
所述的流体介质7是指：切削乳化液、防锈乳化液、纯净水或电导率为125～1250μS/cm的自来水等水基工作液；也可为N2、CO2、氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等气体流体介质。
进一步地，所述的流体介质动力断弧是指：流体介质以0.5MPa及以上的压力、5m/s及以上的速度，流经两块金属母材之间的放电间隙，实现流体动力扰弧或是断弧。
所述的机械运动断弧是指：两块金属母材之间以0.1m/s及以上速度做相对运动，实现机械运动偏弧或是断弧。
所述的电气断弧是指：采用脉冲宽度与脉冲间隔范围分别为2μs-20000μs的脉冲电源作为放电电源，实现电气强制断弧。
实施例1
基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法，根据说明附图1描述：选择具有3轴联动的数控机床，选择钛合金棒料作为金属母材，分别固定在机床主轴和机床工作台上，并且两块金属母材都以300r/min的转速旋转。将两块金属母材分别连接到放电电源正、负两极，设定电源参数为：峰值电压90V，峰值电流500A，脉冲宽度8000μs以及脉冲间隔1000μs。选择流体介质为水基乳化液，流体介质冲刷出口压力为1.6MPa。在上述工艺条件下，进行电弧放电制备金属微细颗粒。此方法制备的金属微细颗粒的效率可达45g/min，粒径范围在1-200μm之间，平均粒径为45μm左右(如说明附图4所示)。
实施例2
基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法，根据说明附图1描述：选择具有3轴联动的数控机床，选择45#钢棒料作为金属母材，分别固定在机床主轴和机床工作台上，并且两块金属母材都以300r/min的转速旋转。将两块金属母材分别连接到放电电源正、负两极，设定电源参数为：峰值电压90V，峰值电流600A，脉冲宽度8000μs以及脉冲间隔1000μs。选择流体介质为水基乳化液，流体介质冲刷出口压力为1.6MPa。在上述工艺条件下，进行电弧放电制备金属微细颗粒。此方法制备的金属微细颗粒的效率可达78g/min，粒径范围在1-200μm之间。

Claims (8)

1.一种基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
首先，选择目标金属微细颗粒的金属母材两块，将其中一块金属母材与机床的主轴固定连接，另一块金属母材固定在机床工作台上，将两块金属母材分别连接到放电电源的正、负极上，再由机床的伺服控制来保证两块金属母材之间始终形成电弧放电所需的放电间隙；
然后，在放电间隙之间采用流体介质实施高速流体冲刷，使放电电源、机床主轴上的金属母材、放电间隙之间被击穿的流体介质及机床工作台上的金属母材组成电流回路，通过放电电源施加直流电流或脉冲电流，利用复合断弧机制实现对放电电弧的控制，在两块金属母材之间的放电间隙中形成可控的电弧放电蚀除金属母材形成金属微细颗粒，实现金属微细颗粒的制造；
所述的复合断弧机制是指：放电间隙间流体介质的高速流动实现流体动力扰弧或断弧，两块金属母材之间的相互运动实现机械运动断弧和放电电源周期性的电气断弧，通过三者复合的断弧机制实现对放电电弧的控制。
2.根据权利要求1所述的基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法，其特征在于，所述的金属母材是指：与目标金属微细颗粒含量和成分完全一致的目标金属板材或者金属棒料。
3.根据权利要求1所述的基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法，其特征是，所述的放电电源是电压值为30V-120V，峰值电流为50A-10000A的直流电源；或者是提供脉冲宽度与脉冲间隔范围分别为2μs-20000μs，峰值电压范围为30V-120V，峰值电流为50A-10000A的脉冲电源。
4.根据权利要求1所述的基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法，其特征在于，所述的机床是至少具有单个主轴自动伺服进给及回退功能的机床。
5.根据权利要求1所述的基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法，其特征在于，所述的放电间隙是指：由机床主轴自动伺服进给控制的两块金属母材之间的间隙，间隙值为10μm-100μm。
6.根据权利要求1所述的基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法，其特征在于，所述的流体介质是切削乳化液、防锈乳化液、纯净水或电导率为125～1250μS/cm的水基工作液。
7.根据权利要求1所述的基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法，其特征在于，所述的流体介质是N2、CO2、He、Ne、Ar、Kr或Xe气体流体介质。
8.根据权利要求1所述的基于复合断弧机制的电弧放电制造金属微细颗粒的加工方法，其特征是，所述的流体动力断弧是指：流体介质以0.5MPa及以上的压力、5m/s及以上的速度，流经两块金属母材之间的放电间隙，实现流体动力扰弧或是断弧；所述的机械运动断弧是指：两块金属母材之间以0.1m/s及以上速度做相对运动，实现机械运动偏弧或是断弧；所述的电气断弧是指：采用脉冲宽度与脉冲间隔范围分别为2μs-20000μs的脉冲电源作为放电电源，实现电气强制断弧。
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