CN106925786B - 基于均匀金属液滴喷射的多粒径均匀球形粉体批量制备装置与方法 - Google Patents

基于均匀金属液滴喷射的多粒径均匀球形粉体批量制备装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于均匀金属液滴喷射的多粒径均匀球形粉体批量制备装置与方法，用于解决现有均匀球形金属粉体制备方法生产率低的技术问题。技术方案是通过给压电陶瓷输入电信号使其产生机械振动，产生的机械振动使喷嘴处的金属熔液产生一定的速度，从而使一定量的金属流体喷出，每次喷出的流体形成一颗金属液滴。通过控制装置中金属熔液的压力以及压电陶瓷的振动，可得到尺寸均匀、热履历一致的液滴。该方法制备的液滴飞行速度低，在很短的很行距离内即可完全凝固，液滴的振荡小，球形度高。在装置的纵向和横向安装多个压电陶瓷，同时利用不同尺寸的多喷孔喷嘴，可一次性大量制备多粒径均匀球形金属粉体。

Description

基于均匀金属液滴喷射的多粒径均匀球形粉体批量制备装置 与方法
技术领域
本发明涉及一种基于均匀金属液滴喷射的多粒径均匀球形粉体批量制备装置，还涉及一种基于均匀金属液滴喷射的多粒径均匀球形粉体批量制备装置方法。
背景技术
随着3D打印技术的快速发展，3D打印用材料产业近年来也增长迅猛。金属增材制造技术由于其成型范围广，可加工常规加工方法难以加工的零件，近年来在军事等多个领域得到了快速的发展。而等径球形高品质金属粉体时成型的基础原料，成型用金属粉体的品质对成型件的尺寸精度、力学性能等有较大的影响。均匀金属粉体对颗粒的尺寸均匀性、粒径分布范围、球形度、组织一致性、氧含量有着较高的要求。然而目前我国市场上的金属粉体质量不高，与国外技术水平差距较大。市场上的金属粉体不能满足金属增材技术对材料的要求，严重制约了我国金属增材制造技术的发展。如何制备粒径范围分布窄、球形度高、组织均匀的金属粉体成为亟需解决的问题。
国内外制备球形金属粉体主要的技术有：雾化法，包括气雾化法，水雾化法，旋转盘雾化法，离心雾化法，旋转电极雾化法等。虽然雾化法制粉效率非常高，然而其利用外力使金属流体随机破碎而形成金属颗粒，制备的金属粉体粒度分布宽；通常还需辅以后续筛塔层层筛选工艺，工艺过程繁杂，易引入杂质、氧/水含量不易控制。同时，微滴受介质的剧烈冲击后高速飞出，液滴飞行过程伴随剧烈的振荡，形成的颗粒球形度不好，且微观组织不易控制。
文献1“Preparation of Monosized Copper Micro Particles by PulsatedOrifice Ejection Method”公开了一种制备均匀球形铜颗粒的方法。该方法制备的金属颗粒尺寸均匀，球形度较高。然而该方法的粉体生产效率较低，难以用于金属粉体大规模的生产。
文献2“CN03258305.2的中国发明专利”公开了一种基于Rayleigh毛细液流不稳定理论的连续式均匀微滴喷射法，通过背压喷射出层流金属射流，在压电换能器产生的微小扰动作用下发生Rayleigh-Plateau不稳定断裂，从而得到均匀的金属粉体。然而该方法中极易受外界环境机械振动、温度波动等不稳定因素影响，使得液滴尺寸出现偏差，粉末尺寸均匀性难以进行精确控制。
发明内容
为了克服现有均匀球形金属粉体制备方法生产率低的不足，本发明提供一种基于均匀金属液滴喷射的多粒径均匀球形粉体批量制备装置与方法。本发明通过给压电陶瓷输入电信号使其产生机械振动，产生的机械振动使喷嘴处的金属熔液产生一定的速度，从而使一定量的金属流体喷出，每次喷出的流体形成一颗金属液滴。通过控制装置中金属熔液的压力以及压电陶瓷的振动，可得到尺寸均匀、热履历一致的液滴。该方法制备的液滴飞行速度低，在很短的很行距离内即可完全凝固，液滴的振荡小，球形度高。在装置的纵向和横向安装多个压电陶瓷，同时利用不同尺寸的多喷孔喷嘴，可一次性大量制备多粒径均匀球形金属粉体。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于均匀金属液滴喷射的多粒径均匀球形粉体批量制备装置，其特点是：包括真空泵1、收集箱2、冷却柜3、感应加热线圈4、腔室5、隔热板6、冷却环7、信号发生器8、氧含量检测仪9、压电陶瓷10、振动杆11、喷嘴12、冷却器13、粉体收集器14、阻隔板15、收集箱气压表16、氩气瓶17、腔室压力表18、坩埚19、感应加热器20、坩埚压力表21、坩埚热电偶22、温控器23、腔室热电偶24、水含量分析仪25和紧固件26。所述的腔室5与坩埚19分离，坩埚19用于熔融金属原料，氩气瓶17通过收集箱压力表16向腔室5通入氩气，使腔室5的金属熔液的压力值可调。信号发生器8向压电陶瓷10输入可变频率、脉宽、幅值的电信号，喷嘴12能够更换，所述的振动杆11与喷嘴12之间距离可调。所述的腔室5中横向和纵向安装多个压电陶瓷10，腔室5中安装不同尺寸多喷孔的喷嘴12。阻隔板15用于隔绝相邻压电陶瓷10。所述的隔热板6和冷却环7用于阻隔熔融金属向上传递的热量，所述的冷却器13用于调节金属液滴所处的环境温度。
所述喷嘴12是单喷孔或者多喷孔。
所述振动杆11的材料是石墨或者陶瓷的任一种。
一种基于均匀金属液滴喷射的多粒径均匀球形粉体批量制备方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、选取金属或合金材料作为制备金属粉体的原料，首先通过物理和化学相结合的方法去除金属表面的氧化皮。处理完成后，将原料放入坩埚19中，待原料熔化之后输送到腔室5中。所述坩埚19能够不间断地为腔室5输送金属熔液。
步骤二、在腔室5顶部的横向和纵向安装多个压电陶瓷10。
步骤三、安装喷嘴12，同时，利用紧固件26调节振动杆11与喷嘴12之间的距离，使得装置能够适用于不同种类的金属。
步骤四、将振动杆11与压电陶瓷10进行螺纹连接。
步骤五、通过氩气瓶17给收集箱2、腔室5和坩埚19中通入氩气，避免金属熔液和喷嘴12受氧化作用的影响。同时为腔室5提供压强值可调的气压，保证金属颗粒的稳定喷射。
步骤六、启动冷却柜3，把冷却水通入冷却环7，降低压电陶瓷10附近的温度，同时结合隔热板6的作用，使压电陶瓷10处在80℃以下。
步骤七、阻隔板15使得各喷嘴12之间的金属熔液不受相邻压电陶瓷10振动的影响，从而保证喷射过程稳定且一致。
步骤八、启动加热控制子系统，根据步骤一选取的金属材料，设定感应加热器20的加热温度，确保坩埚19和腔室5中的金属处于熔融状态。待金属熔液完全熔化且保温15至30分钟后，启动微滴喷射子系统，将信号发生器8产生的电信号输入到各个压电陶瓷10。
本发明的有益效果是：本发明通过给压电陶瓷输入电信号使其产生机械振动，产生的机械振动使喷嘴处的金属熔液产生一定的速度，从而使一定量的金属流体喷出，每次喷出的流体形成一颗金属液滴。通过控制装置中金属熔液的压力以及压电陶瓷的振动，可得到尺寸均匀、热履历一致的液滴。该方法制备的液滴飞行速度低，在很短的很行距离内即可完全凝固，液滴的振荡小，球形度高。在装置的纵向和横向安装多个压电陶瓷，同时利用不同尺寸的多喷孔喷嘴，可一次性大量制备多粒径均匀球形金属粉体。
以下结合附图和实施例详细说明本发明。
附图说明
图1是本发明基于均匀金属液滴喷射的多粒径均匀球形粉体批量制备装置的结构示意图。
图中，1-真空泵，2-收集箱，3-冷却柜，4-感应加热线圈，5-腔室，6-隔热板，7-冷却环，8-信号发生器，9-氧含量检测仪，10-压电陶瓷，11-振动杆，12-喷嘴，13-冷却器，14-粉体收集器，15-阻隔板，16-收集箱气压表，17-氩气瓶，18-腔室压力表，19-坩埚，20-感应加热器，21-坩埚压力表，22-坩埚热电偶，23-温控器，24-腔室热电偶，25-水含量分析仪，26-紧固件。
具体实施方式
以下实施例参照图1。
装置实施例：
本发明基于均匀金属液滴喷射的多粒径均匀球形粉体批量制备装置包括真空泵1、收集箱2、冷却柜3、感应加热线圈4、腔室5、隔热板6、冷却环7、信号发生器8、氧含量检测仪9、压电陶瓷10、振动杆11、喷嘴12、冷却器13、粉体收集器14、阻隔板15、收集箱气压表16、氩气瓶17、腔室压力表18、坩埚19、感应加热器20、坩埚压力表21、坩埚热电偶22、温控器23、腔室热电偶24、水含量分析仪25和紧固件26。腔室5和坩埚19的分离，可在坩埚19中不断添加金属原料，从而可实现金属粉体的不间断生产。其中，通过氩气瓶17向腔室5中通过收集箱压力表16通入氩气，使腔室5的金属熔液的压力值可调。信号发生器8向压电陶瓷10输入可变频率、脉宽、幅值的电信号，喷嘴12可更换，振动杆11与喷嘴12之间距离可调，从而可以实现不同种类金属和不同尺寸金属粉体的制备。在腔室5中，在装置内横向和纵向安装多个压电陶瓷10，同时利用不同尺寸多喷孔喷嘴12，可提高装置的生产效率及适用性。阻隔板15隔绝了相邻压电陶瓷10产生的振动，实现了相邻喷嘴的振动隔离。隔热板6和冷却环7阻隔大部分熔融金属向上传递的热量，使得压电陶瓷10的工作环境温度处在安全工作温度以下。冷却器13可以调节金属液滴所处的环境温度，从而改变飞行液滴的冷却速率，使得金属微滴的组织可控。选取耐金属腐蚀的惰性材料(如石墨、陶瓷)加工成振动杆11。
方法实施例：
首先，对金属原材料进行适当的切割，通过物理和化学相结合的方法去除金属铝表面的氧化皮，然后放入坩埚19中。然后打开氩气瓶17向收集箱2、腔室5、坩埚19中通入干燥的高纯氩气，通过真空泵1和氩气瓶17的不断作用，以及氧含量分析仪9和水含量分析仪25的实时监测，保证在实验过程中氧含量始终处在10ppm以下。此时启动加热控制子系统，使得坩埚19和腔室5的温度逐步上升至高于铝熔点100℃，并保温15至30分钟，使得铝熔液的热性质保持基本稳定。使用的喷孔直径均为600μm，且每个喷嘴12有10个喷孔或者1个喷孔。调节腔室5的气压，同时打开信号发生器8产生频率最大为100Hz的电信号输入20个压电陶瓷10。在腔室5中的压力以及压电陶瓷10的振动作用下，从喷嘴12处喷射出金属液滴。产生的球形颗粒尺寸偏差小于1.5％，球形度误差可控制在2％。通过调节冷却器13的降温，使得从冷却器13中间经过的金属铝液滴以较高的冷却速率凝固，从而在1h内可生产20kg的均匀球形铝粉体。
待收集结束后，停止向腔室5施加压力，关闭腔室气压表18，关闭信号发生器8。关闭温控器23，打开腔室5和收集箱2的连接，取出粉体收集器14得到制备的金属粉体。最后，待金属熔液冷却凝固，向腔室5和坩埚19中通入0.4至0.6kpa的氩气，使得在空挡期阻隔氧气的进入，保护金属熔液不受氧化，使得腔室5中的金属可以继续使用。

Claims (3)

1.一种基于均匀金属液滴喷射的多粒径均匀球形粉体批量制备装置，其特征在于：包括真空泵(1)、收集箱(2)、冷却柜(3)、感应加热线圈(4)、腔室(5)、隔热板(6)、冷却环(7)、信号发生器(8)、氧含量检测仪(9)、压电陶瓷(10)、振动杆(11)、喷嘴(12)、冷却器(13)、粉体收集器(14)、阻隔板(15)、收集箱气压表(16)、氩气瓶(17)、腔室压力表(18)、坩埚(19)、感应加热器(20)、坩埚压力表(21)、坩埚热电偶(22)、温控器(23)、腔室热电偶(24)、水含量分析仪(25)和紧固件(26)；所述的腔室(5)与坩埚(19)分离，坩埚(19)用于熔融金属原料，氩气瓶(17)通过收集箱压力表(16)向腔室(5)通入氩气，使腔室(5)的金属熔液的压力值可调；信号发生器(8)向压电陶瓷(10)输入可变频率、脉宽、幅值的电信号，喷嘴(12)能够更换，所述的振动杆(11)与喷嘴(12)之间距离可调；所述的腔室(5)中横向和纵向安装多个压电陶瓷(10)，腔室(5)中安装不同尺寸多喷孔的喷嘴(12)；阻隔板(15)用于隔绝相邻压电陶瓷(10)；所述的隔热板(6)和冷却环(7)用于阻隔熔融金属向上传递的热量，所述的冷却器(13)用于调节金属液滴所处的环境温度。
2.根据权利要求1所述的基于均匀金属液滴喷射的多粒径均匀球形粉体批量制备装置，其特征在于：所述振动杆(11)的材料是石墨或者陶瓷的任一种。
3.一种基于权利要求1所述基于均匀金属液滴喷射的多粒径均匀球形粉体批量制备装置的多粒径均匀球形粉体批量制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、选取金属或合金材料作为制备金属粉体的原料，首先通过物理和化学相结合的方法去除金属表面的氧化皮；处理完成后，将原料放入坩埚(19)中，待原料熔化之后输送到腔室(5)中；所述坩埚(19)能够不间断地为腔室(5)输送金属熔液；
步骤二、在腔室(5)顶部的横向和纵向安装多个压电陶瓷(10)；
步骤三、安装喷嘴(12)，同时，利用紧固件(26)调节振动杆(11)与喷嘴(12)之间的距离，使得装置能够适用于不同种类的金属；
步骤四、将振动杆(11)与压电陶瓷(10)进行螺纹连接；
步骤五、通过氩气瓶(17)给收集箱(2)、腔室(5)和坩埚(19)中通入氩气，避免金属熔液和喷嘴(12)受氧化作用的影响；同时为腔室(5)提供压强值可调的气压，保证金属颗粒的稳定喷射；
步骤六、启动冷却柜(3)，把冷却水通入冷却环(7)，降低压电陶瓷(10)附近的温度，同时结合隔热板(6)的作用，使压电陶瓷(10)处在80℃以下；
步骤七、阻隔板(15)使得各喷嘴(12)之间的金属熔液不受相邻压电陶瓷(10)振动的影响，从而保证喷射过程稳定且一致；
步骤八、启动加热控制子系统，根据步骤一选取的金属材料，设定感应加热器(20)的加热温度，确保坩埚(19)和腔室(5)中的金属处于熔融状态；待金属熔液完全熔化且保温15至30分钟后，启动微滴喷射子系统，将信号发生器(8)产生的电信号输入到各个压电陶瓷(10)。
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