CN107262728B - 真空电弧制备金属粉末的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D打印增材制造和冶金技术领域，提供了一种真空电弧制备金属粉末的装置及方法。该装置包括雾化单元、第一收粉单元、真空泵组以及储存有第一金属丝和第二金属丝的装料单元，装料单元的一端设有真空泵组、另一端与雾化单元的顶部或侧部连通，装料单元用于向雾化单元输送第一金属丝和第二金属丝，雾化单元分别与气源和电源连接、用于雾化第一金属丝和第二金属丝，第一收粉单元与雾化单元的底部连通。本发明通过采用该方法不仅使得金属粉末的形状和尺寸易于控制，而且无其他材质污染，提高了金属粉末的纯度和收得率，保证了金属粉末成分的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印增材制造和冶金技术领域，尤其涉及一种真空电弧制备金属粉末的装置及方法。
背景技术
金属粉末是材料产业的重要分支，利用金属粉末制备出的工件，具有其他材料所无法获得的优异性能。因此，金属粉末在冶金、能源、电子、医疗、航空航天等领域有着广泛的应用前景。随着3D打印技术的发展，金属粉末的应用领域也进一步扩大。
目前，国内外制备金属粉末时主要采用带有坩埚的高压气雾化法。采用这种方法时，金属溶液与构成坩埚的耐火材料接触，产生非金属夹杂物污染，导致制备的金属粉末纯度降低；另外，金属粉末颗粒的形状和尺寸较难控制，通常获得的颗粒形状不够规则，必须经过多次筛分及检验才能得到3D打印所需的小于53μm粒度范围，且该粒度范围粉末收得率不到30％，生产效率极低。
发明内容
本发明要解决的是现有技术中金属粉末纯度低、形状不规则、收得率低的技术问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种真空电弧制备金属粉末的装置，该装置包括雾化单元、第一收粉单元、真空泵组以及储存有第一金属丝和第二金属丝的装料单元，所述装料单元的一端设有所述真空泵组、另一端与所述雾化单元的顶部或侧部连通，所述装料单元用于向所述雾化单元输送第一金属丝和第二金属丝，所述雾化单元分别与气源和电源连接、用于雾化所述第一金属丝和第二金属丝，所述第一收粉单元与所述雾化单元的底部连通。
其中，所述雾化单元包括雾化罐和雾化器，所述雾化器的两侧分别与电源和气源连接，所述雾化器的一端伸入所述装料单元中、另一端分别与所述第一金属丝、所述第二金属丝和所述雾化罐的顶部连接，所述雾化罐的底部与所述第一收粉单元连通。
其中，所述雾化罐包括壳体和顶盖，所述顶盖盖设在所述壳体的顶部，所述顶盖上设有进气口，所述雾化器通过所述进气口与所述壳体内部连通，所述壳体上设有冷却通道，所述冷却通道的进水口和出水口分别设于所述壳体的下部和上部。
其中，所述雾化器包括雾化器本体、两个传动轮和两个导电嘴，所述雾化器本体的内部由上至下依次设有相互连通的第一通道、气室、第二通道和喇叭口，所述第一通道和气源连接，所述喇叭口与所述雾化罐的顶部连通，所述雾化器本体的两侧由上至下依次对称设有第一导向孔和第二导向孔，所述传动轮设于位于所述雾化器本体的同一侧的所述第一导向孔和所述第二导向孔之间，所述导电嘴的一端设于所述第二导向孔下方、另一端倾斜向下延伸至喇叭口内，两个所述导电嘴分别于电源的正、负极连接。
其中，所述装料单元包括装料壳体以及均设置在所述装料壳体内的丝盘支架和两个金属丝盘，所述真空泵组与所述装料壳体的顶部连接，所述装料壳体罩设在所述雾化器上，每个所述金属丝盘通过所述丝盘支架架设在所述雾化器上方，两个所述金属丝盘分别用于缠绕所述第一金属丝和所述第二金属丝。
其中，所述装料单元还包括与所述丝盘支架连接的导向板，所述导向板设置在所述金属丝盘与所述雾化器之间，所述导向板上设有用于引导第一金属丝和第二金属丝的两个第三导向孔。
其中，还包括第二收粉单元，所述第二收粉单元包括连接管道、第二阀门、第二收粉壳体和第二收粉罐，所述连接管道的一端与所述雾化单元的侧部连通、另一端与所述第二收粉壳体的上部连通，所述第二收粉壳体的顶部设有所述第二阀门、底部与所述第二收粉罐连通。
其中，所述第一收粉单元包括第一收粉壳体、第一阀门和第一收粉罐，所述第一收粉壳体的一端与所述雾化单元的底部连通、另一端通过所述第一阀门与所述第一收粉罐连通。
其中，所述真空泵组包括依次连接的机械泵、罗茨泵和扩散泵，所述装料单元与所述机械泵连接。
为解决上述问题，本发明还提供了一种真空电弧制备金属粉末的方法，该方法包括以下步骤：
将第一金属丝和第二金属丝的顶端分别依次穿过对应的第三导向孔、第一导向孔、转轮、第二导向孔和导电嘴，并使第一金属丝和第二金属丝的顶端伸出导电嘴后相接触；
依次启动机械泵、罗茨泵和扩散泵，直至装料壳体内压力达到10-3Pa；
将冷却通道的进水口和出水口分别与进水管道和出水管道连通；
接通气源，使工作气体喷入第一通道；
接通与两个导电嘴连接的电源，同时启动金属丝盘；
依次开启第二阀门和第一阀门；
运行指定时间后，关闭气源、电源、第一阀门和第二阀门，取出第一收粉罐和第二收粉罐。
本发明结构简单、操作便捷，通过利用装料单元实时向雾化单元补给第一金属丝和第二金属丝，使第一金属丝和第二金属丝在雾化单元内不断起弧熔化形成金属液、同时金属液又被来自气源的气体吹散成微小的球形液滴，从而不仅使得金属粉末的形状和尺寸易于控制，而且避免了其他材质的污染，提高了金属粉末的纯度和收得率；另外，由于第一金属丝和第二金属丝仅在接触点产生电弧，起弧熔化范围小，且装料单元中的第一金属丝和第二金属丝一直处于真空环境从而进一步保证了金属粉末成分的稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例1中一种真空电弧制备金属粉末的装置的正视图；
图2是本发明实施例1中另一种真空电弧制备金属粉末的装置的正视图；
图3是本发明实施例1中一种真空电弧制备金属粉末的装置的左视图；
图4是图3中A处的局部放大图；
图5是图3中B处的局部放大图；
图6是图3中I处的局部剖视图；
图7是本发明实施例2中采用一种真空电弧制备金属粉末的方法制备的铁粉的粒度分布图。
附图标记：
1、雾化单元；1-1、雾化罐；1-11、进水口；1-12、出水口；
1-2、雾化器；1-21、第一导向孔；1-22、第二导向孔；
1-23、传动轮；1-24、导电嘴；1-25、第一通道；1-26、气室；
1-27、第二通道；1-28、喇叭口；2、装料单元；2-1、装料壳体；
2-2、金属丝盘；2-3、丝盘支架；2-4、导向板；
3、第一收粉单元；3-1、第一收粉壳体；3-2、第一阀门；
3-3、第一收粉罐；4、真空泵组；5、第二收粉单元；
5-1、第二收粉壳体；5-2、第二阀门；5-3、第二收粉罐；
5-4、连接管道。
具体实施方式
为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。
实施例1
结合图1至图3所示，本发明提供了一种真空电弧制备金属粉末的装置，该装置包括雾化单元1、第一收粉单元3、真空泵组4以及储存有第一金属丝和第二金属丝的装料单元2，装料单元2的一端设有真空泵组4、另一端与雾化单元1的顶部或侧部连通，装料单元2用于向雾化单元1输送第一金属丝和第二金属丝，雾化单元1分别与气源和电源连接、用于雾化第一金属丝和第二金属丝，第一收粉单元3与雾化单元1的底部连通。
使用时，首先，将第一金属丝和第二金属丝通过雾化单元1与电源的正、负极连接，并使第一金属丝和第二金属丝的顶端伸入雾化单元1中、且保持接触；接着，启动真空泵组4，直至装料单元2中的压力达到指定值；然后，接通气源，使气体不断喷入雾化单元1中；接下来，接通雾化单元1的电源，开始雾化第一金属丝和第二金属丝，并同时启动装料单元2，由于此时第一金属丝和第二金属丝分别通过雾化单元1与电源的正、负极接通，也就是说此时第一金属丝和第二金属第的极性相反，第一金属丝和第二金属丝的接触点处的金属丝会在雾化单元1中不断起弧熔化形成金属液，而金属液又会被喷入雾化单元1中的气体吹散成多个微小的球形液滴，球形液滴在雾化单元1内飞行、通过液态表面张力收缩、冷却、凝固成金属粉末，并最终会在重力作用下直接落入第一收粉单元3中，与此同时，随着伸入雾化单元1中的第一金属丝和第二金属丝的不断熔化，装料单元2会实时向雾化单元1补给第一金属丝和第二金属丝；最后，运行指定时间后，关闭气源和电源，取下第一收粉单元3。
由此可知，利用该装置制备金属粉末时，只需第一金属丝和第二金属丝在接触点起弧熔化形成金属液、再通过喷射气体将金属液在雾化单元1中吹散成微小的液滴，整个过程中金属液未与其他部件接触，因此大大提高了金属粉末的纯度和收得率；另外，由于第一金属丝和第二金属丝仅在接触点产生电弧，起弧熔化范围小，且装料单元2中的第一金属丝和第二金属丝一直处于真空环境从而进一步保证了金属粉末成分的稳定性。
其中，雾化单元1包括雾化罐1-1和雾化器1-2，雾化器1-2的两侧分别与电源和气源连接，雾化器1-2的一端伸入装料单元2中、另一端分别与第一金属丝、第二金属丝和雾化罐1-1的顶部连接，雾化罐1-1的底部与第一收粉单元3连通。优选地，雾化罐1-1的侧壁上设有观察窗、以便工作人员通过观察窗了解雾化过程，同时可及时监控到第一金属丝和第二金属丝的消耗情况。由此第一金属丝和第二金属丝通过与雾化器1-2连接就可伸入到雾化罐1-1中，当需要制备金属粉末时，就可接通与雾化器1-2连接的电源，即第一金属丝和第二金属丝通过雾化器1-2分别与电源的正、负极连接。其中，雾化罐1-1可为一体结构，也可为分体结构，例如，雾化罐1-1包括罐体和顶盖，罐体的顶部和底部均具有开口，顶盖设置在罐体的顶部开口上。雾化罐1-1采用分体式结构好处在于，便于后期清洁、维修。
结合图4和图5所示，雾化罐1-1包括壳体和顶盖，顶盖盖设在壳体的顶部，顶盖上设有进气口，雾化器1-2通过进气口与壳体内部连通，壳体上设有冷却通道，冷却通道的进水口1-11和出水口1-12分别设于壳体的下部和上部。由此，在制备金属粉末的过程中，可将冷却通道的进水口1-11和出水口1-12分别与进水管道和出水管道连通，由于球形液滴的体积和重量较小，因此球形液滴在雾化罐1-1内的下落速度较慢，其可通过导热、辐射传热等方式与冷却通道中的循环水进行充分的换热，并在落入第一收粉单元3之前转变成金属粉末。
优选地，如图6所示，雾化器1-2包括雾化器1-2本体、两个传动轮1-23和两个导电嘴1-24，雾化器1-2本体的内部由上至下依次设有相互连通的第一通道1-25、气室1-26、第二通道1-27和喇叭口1-28，第一通道1-25和气源连接，喇叭口1-28与雾化罐1-1的顶部连通，雾化器1-2本体的两侧由上至下依次对称设有第一导向孔1-21和第二导向孔1-22，传动轮1-23设于位于雾化器1-2本体的同一侧的第一导向孔1-21和第二导向孔1-22之间，导电嘴1-24的一端设于第二导向孔1-22下方、另一端倾斜向下延伸至喇叭口1-28内，两个导电嘴1-24分别于电源的正、负极连接。更优选地，两个导电嘴1-24的轴线之间的夹角为60-90°
由此，当准备制备金属粉末时，首先需将第一金属丝和第二金属丝的顶端分别依次穿过对应的第一导向孔1-21、转轮、第二导向孔1-22和导电嘴1-24，并使第一金属丝和第二金属丝的顶端伸出导电嘴1-24后相接触。当接通电源时，第一金属丝和第二金属丝便通过两个导电嘴1-24分别与电源的正、负极连接。当接通气源时，气体便依次通过第一通道1-25、气室1-26、第二通道1-27和喇叭口1-28，最终喷入雾化罐1-1内。
更优选地，第二通道1-27的横截面尺寸远小于气室1-26和喇叭口1-28的横截面尺寸，这样设置的好处在于：一方面、气体从气源喷入第一通道1-25时，气体的流速和流量均较大，为避免大量气体瞬间喷入雾化罐1-1内，气室1-26可起到缓冲气体的作用；另一方面、通过在气室1-26和喇叭口1-28之间设置横截面尺寸较小的第二通道1-27，既可以控制喷入雾化罐1-1内的气体流量，又可以保证气体的喷入速度。
其中，装料单元2包括装料壳体2-1以及均设置在装料壳体2-1内的丝盘支架2-3和两个金属丝盘2-2，真空泵组4与装料壳体2-1的顶部连接，装料壳体2-1罩设在雾化器1-2上，每个金属丝盘2-2通过丝盘支架2-3架设在雾化器1-2上方，两个金属丝盘2-2分别用于缠绕第一金属丝和第二金属丝。优选地，第一金属丝和第二金属丝的材质相同、直径均为0.5-3mm。安装时，可分别将第一金属丝和第二金属丝的一端缠绕在对应的金属丝盘2-2上、另一端与雾化器1-2连接，并使第一金属丝和第二金属丝与雾化器1-2连接的一端通过雾化器1-2伸入雾化罐1-1中、且相互保持接触。
其中，装料单元2还包括与丝盘支架2-3连接的导向板2-4，导向板2-4设置在金属丝盘2-2与雾化器1-2之间，导向板2-4上设有用于引导第一金属丝和第二金属丝的两个第三导向孔。
另外，还包括第二收粉单元5，第二收粉单元5包括连接管道5-4、第二阀门5-2、第二收粉壳体5-1和第二收粉罐5-3，连接管道5-4的一端与雾化单元1的侧部连通、另一端与第二收粉壳体5-1的上部连通，第二收粉壳体5-1的顶部设有第二阀门5-2、底部与第二收粉罐5-3连通。
由于，第二收粉壳体5-1通过连接管道5-4与雾化单元1连通，当打开第二阀门5-2时，气源喷入雾化单元1中的部分气体会通过第二阀门5-2排出，从而在雾化单元1中形成的尺寸较小的球形液滴或金属粉末会随气流进入第二收粉壳体5-1中，并最终在自身重力作用和第二收粉壳体5-1的壁面约束下落入第二收粉罐5-3中。由此，通过设置第二收粉单元5，就可将雾化单元1中形成的球形液滴或金属粉末按照尺寸进行分类收集，具体地，较大尺寸的球形液滴或金属粉末由于较重，无法随流过第二阀门5-2的气流进入第二收粉壳体5-1，只会在自身重力作用下落入第一收粉单元3中；而较小尺寸的球形液滴或金属粉末由于较轻，会随第二阀门5-2形成的气流进入第二收粉壳体5-1，并最终落入第二收粉罐5-3中。
优选地，第一收粉单元3包括第一收粉壳体3-1、第一阀门3-2和第一收粉罐3-3，第一收粉壳体3-1的一端与雾化单元1的底部连通、另一端通过第一阀门3-2与第一收粉罐3-3连通。当制备金属粉末时，打开第一阀门3-2后，第一收粉壳体3-1和第一收粉罐3-3就彼此连通，落入第一收粉壳体3-1中的球形液滴或金属粉末就可进入第一收粉罐3-3中。当制备完成时，就可关闭第一阀门3-2，并将第一收粉罐3-3拆卸下来。
优选地，真空泵组4包括依次连接的机械泵、罗茨泵和扩散泵，装料单元2与机械泵连接。
实施例2
为解决上述问题，本发明还提供了一种真空电弧制备金属粉末的方法，该方法包括以下步骤：
将第一金属丝和第二金属丝的顶端分别依次穿过对应的第三导向孔、第一导向孔1-21、转轮、第二导向孔1-22和导电嘴1-24，并使第一金属丝和第二金属丝的顶端伸出导电嘴1-24后相接触；其中，第一金属丝和第二金属丝均是直径为2mm的铁基合金丝；
依次启动机械泵、罗茨泵和扩散泵，直至装料壳体2-1内压力达到10-3Pa；
将冷却通道的进水口1-11和出水口1-12分别与进水管道和出水管道连通；
接通气源，使工作气体喷入第一通道1-25；其中，气源可为空气、氮气或惰性气体。例如，气源可为成本较低、且易于获得的空气。
接通与两个导电嘴1-24连接的电源，同时启动金属丝盘2-2，由于此时第一金属丝和第二金属丝极性相反，第一金属丝和第二金属丝的接触点处的金属丝会在雾化罐1-1中不断起弧熔化形成金属液，与此同时，随着伸入雾化罐1-1中的第一金属丝和第二金属丝的不断熔化，两个金属丝盘2-2会不断转动，以使缠绕在其上的第一金属丝和第二金属丝通过雾化器1-2不断自动进给到雾化罐1-1中；
依次开启第二阀门5-2和第一阀门3-2；
运行指定时间后，关闭气源、电源、第一阀门3-2和第二阀门5-2，取出第一收粉罐3-3和第二收粉罐5-3。如图7所示，第一收粉罐3-3和第二收粉罐5-3中最终收集的金属粉末中粒度范围在15-53μm的金属粉末占60％，由此可见采用本发明的方法制备的金属粉末比传统制备方法制备的金属粉末的收得率提高了一倍。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (2)
1.一种真空电弧制备金属粉末的装置，其特征在于，包括雾化单元、第一收粉单元、真空泵组以及储存有第一金属丝和第二金属丝的装料单元，所述装料单元的一端设有所述真空泵组、另一端与所述雾化单元的顶部或侧部连通，所述装料单元用于向所述雾化单元输送第一金属丝和第二金属丝，所述雾化单元分别与气源和电源连接、用于雾化所述第一金属丝和第二金属丝，所述第一收粉单元与所述雾化单元的底部连通；其中，
所述雾化单元包括雾化罐和雾化器，所述雾化器的一端伸入所述装料单元中、另一端分别与所述第一金属丝、所述第二金属丝和所述雾化罐的顶部连接，所述雾化罐的底部与所述第一收粉单元连通；
所述雾化罐包括壳体和顶盖，所述顶盖盖设在所述壳体的顶部，所述顶盖上设有进气口，所述雾化器通过所述进气口与所述壳体内部连通，所述壳体上设有冷却通道，所述冷却通道的进水口和出水口分别设于所述壳体的下部和上部；
所述雾化器包括雾化器本体、两个传动轮和两个导电嘴，所述雾化器本体的内部由上至下依次设有相互连通的第一通道、气室、第二通道和喇叭口，所述第一通道和气源连接，所述喇叭口与所述雾化罐的顶部连通，所述雾化器本体的两侧由上至下依次对称设有第一导向孔和第二导向孔，所述传动轮设于位于所述雾化器本体的同一侧的所述第一导向孔和所述第二导向孔之间，所述导电嘴的一端设于所述第二导向孔下方、另一端倾斜向下延伸至喇叭口内，两个所述导电嘴分别于电源的正、负极连接；
所述第一金属丝和所述第二金属丝的顶端分别依次穿过对应的第一导向孔、传动轮、第二导向孔和导电嘴，并使第一金属丝和第二金属丝的顶端伸出导电嘴后相接触；
所述装料单元包括装料壳体以及均设置在所述装料壳体内的丝盘支架和两个金属丝盘，所述真空泵组与所述装料壳体的顶部连接，所述装料壳体罩设在所述雾化器上，每个所述金属丝盘通过所述丝盘支架架设在所述雾化器上方，两个所述金属丝盘分别用于缠绕所述第一金属丝和所述第二金属丝；
所述装料单元还包括与所述丝盘支架连接的导向板，所述导向板设置在所述金属丝盘与所述雾化器之间，所述导向板上设有用于引导第一金属丝和第二金属丝的两个第三导向孔；
还包括第二收粉单元，所述第二收粉单元包括连接管道、第二阀门、第二收粉壳体和第二收粉罐，所述连接管道的一端与所述雾化单元的侧部连通、另一端与所述第二收粉壳体的上部连通，所述第二收粉壳体的顶部设有所述第二阀门、底部与所述第二收粉罐连通；
所述第一收粉单元包括第一收粉壳体、第一阀门和第一收粉罐，所述第一收粉壳体的一端与所述雾化单元的底部连通、另一端通过所述第一阀门与所述第一收粉罐连通；
所述真空泵组包括依次连接的机械泵、罗茨泵和扩散泵，所述装料单元与所述机械泵连接。
2.一种采用如权利要求1所述的真空电弧制备金属粉末的装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将第一金属丝和第二金属丝的顶端分别依次穿过对应的第三导向孔、第一导向孔、传动轮、第二导向孔和导电嘴，并使第一金属丝和第二金属丝的顶端伸出导电嘴后相接触；
依次启动机械泵、罗茨泵和扩散泵，直至装料壳体内压力达到10-3Pa；
将冷却通道的进水口和出水口分别与进水管道和出水管道连通；
接通气源，使工作气体喷入第一通道；
接通与两个导电嘴连接的电源，同时启动金属丝盘；
依次开启第二阀门和第一阀门；
运行指定时间后，关闭气源、电源、第一阀门和第二阀门，取出第一收粉罐和第二收粉罐。
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