CN107433332B - 等离子体雾化制备金属粉末的装置 - 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，提供了一种等离子体雾化制备金属粉末的装置。该装置包括支架、雾化单元、收粉单元、起吊单元、第一传送单元、第二传送单元以及金属丝，起吊单元用于将雾化单元悬置于收粉单元的上方或罩设在收粉单元上，第一传送单元用于向雾化单元输送金属丝，雾化单元包括雾化罐和连通在雾化罐顶部的雾化器，雾化器的内部设有气源、等离子体源和第二传送单元，第二传送单元用于将金属丝传送至等离子体源发射出的等离子弧中，气源用于将等离子弧中熔化的金属丝雾化、并吹入到雾化罐中。本发明通过采用该方法不仅可使得金属粉末的形状和尺寸易于控制，而且无其它材质污染，可提高所制备金属粉末的纯度。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印增材制造和冶金技术领域，尤其涉及一种等离子体雾化制备金属粉末的装置。
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，具有其它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，易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，粉体尺寸分布较宽。
发明内容
本发明要解决的是现有技术中金属粉末纯度低、形状不规则的技术问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种等离子体雾化制备金属粉末的装置，包括支架、雾化单元、收粉单元、起吊单元、第一传送单元、第二传送单元以及金属丝，所述收粉单元位于所述雾化单元的下方，所述起吊单元的两端分别与所述支架和所述雾化单元连接、用于将所述雾化单元悬置于所述收粉单元的上方或罩设在所述收粉单元上，所述第一传送单元与所述支架连接、用于向所述雾化单元输送所述金属丝，所述雾化单元包括雾化罐和连通在所述雾化罐顶部的雾化器，所述雾化器的内部设有气源、等离子体源和所述第二传送单元，所述第二传送单元用于将金属丝传送至所述等离子体源发射出的等离子弧中，所述气源用于将所述等离子弧中的熔化金属丝雾化、并吹入到所述雾化罐中。
优选的，所述金属丝的数量为多个，所述第一传送单元和第二传送单元的数量与多个金属丝的数量相对应。
优选的，所述雾化单元还包括至少一个排气管，所述排气管与所述雾化罐的侧壁连通。
优选的，所述排气管的出口上设有过滤器。
优选的，所述收粉单元包括敞口的收粉罐和充注在所述收粉盒中的冷却液。
优选的，所述冷却液为水、液体石蜡和变压器油中的任意一种。
优选的，所述起吊单元包括起吊架以及与所述支架连接的起吊器，所述起吊器通过所述起吊架与所述雾化单元连接。
优选的，所述第一传送单元包括与所述支架连接的金属丝盘，所述金属丝缠绕在所述金属丝盘上。
优选的，所述支架包括起吊支撑、传送支撑、底架以及设置在所述底架上的支架主体，所述起吊支撑和所述传送支撑均与所述支架主体连接、且所述起吊支撑位于所述传送支撑的上方，所述起吊支撑与所述起吊单元连接，所述传送支撑与所述第一传送单元连接，所述收粉单元放置在所述底架上，所述底架的底部设有多个脚轮。
优选的，所述等离子体源的数量为多个。
本发明结构简单、操作便捷，利用等离子体源将金属丝加热、熔化，并通过雾化单元将金属液吹散成微小的球形液滴，不仅使得金属粉末的形状和尺寸易于控制，而且无其它材质污染，提高了金属粉末的纯度，另外，由于等离子体源发出的等离子弧能量密度高，加热温度高，进一步保证了金属粉末成分的稳定性，而且环保节能。
附图说明
图1是本发明实施例的一种等离子体雾化制备金属粉末的装置中雾化单元处于提升状态的示意图；
图2是本发明实施例的一种等离子体雾化制备金属粉末的装置中雾化单元处于下放状态的示意图；
图3是本发明实施例的一种等离子体雾化制备金属粉末的装置中雾化单元的示意图；
图4是本发明实施例的一种等离子体雾化制备金属粉末的装置中雾化器的示意图；
图5为本发明实施例的一种等离子体雾化制备金属粉末的装置制备的不锈钢粉扫描电子显微形貌照片。
附图标记：
1、雾化单元；1-1、雾化罐；1-2、雾化器；1-23、第二传动单元；1-24、等离子体源；1-25、气源；1-3、排气管；1-4、等离子弧；
2、收粉单元；2-1、收粉罐；3、起吊单元；3-1、起吊器；
3-2、起吊架；4、第一传送单元；4-1、金属丝盘；5、支架；
5-1、起吊支撑；5-2、传送支撑；5-3、支架主体；5-4、底架；
6-1、第一金属丝；6-2、第二金属丝。
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，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
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。
结合图1至图3所示，本发明提供了一种等离子体雾化制备金属粉末的装置，该装置包括支架5、雾化单元1、收粉单元2、起吊单元3、第一传送单元4以及设置在第一传送单元4上的金属丝，为加快制粉效率，金属丝可以采用多根，第一传送单元4的数量与多个金属丝的数量相对应，本实施例以两根金属丝为例，分别为第一金属丝6-1和第二金属丝6-2，收粉单元2位于雾化单元1的下方，起吊单元3的两端分别与支架5和雾化单元1连接、用于将雾化单元1悬置于收粉单元2的上方或罩设在收粉单元2上，第一传送单元4与支架5连接、用于向雾化单元1输送第一金属丝6-1和第二金属丝6-2。
结合图3和图4所示，雾化单元1包括雾化罐1-1和连通在雾化罐1-1顶部的雾化器1-2，雾化器1-2的内部设有气源1-25、等离子体源1-24和第二传送单元1-23，等离子体源1-24的数量可以为多个，每个等离子体源1-24倾斜朝下设置，第二传送单元1-23的数量与多个金属丝的数量相对应，第二传送单元1-23用于将金属丝传送至等离子体源1-25发射出的等离子弧1-4中，等离子体源1-24的侧部可以设置导向槽，用于对金属丝的喂丝起到导向的作用，作为一个可选的实施方式，等离子源1-24的数量为两个，两个等离子体源相隔180°对向安装，每个等离子源1-24侧部送出的金属丝的位置与另一个等离子源1-24射出的等离子弧的区域相对应，即两个等离子体源1-24通过侧部的导向槽向彼此的等离子喷射区域喂丝；气源1-25用于将等离子弧1-4中熔化的金属丝雾化、并吹入到雾化罐1-1中。
使用时，首先，通过起吊单元3将雾化单元1逐渐下放，直至雾化单元1罩设在收粉单元2上，也就是说此时雾化单元1和收粉单元2共同围设形成一个封闭空间；然后，接通气源，使气体不断喷入雾化单元1中；接着，接通等离子体源的电源，并同时启动第一传送单元4和第二传送单元1-23，等离子体源所产生的等离子弧1-4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，球形液滴最终会在重力作用下落入收粉单元2中，与此同时，随着伸入雾化单元1中的第一金属丝6-1和第二金属丝6-2的不断熔化，第一传送单元4会不断驱动位于雾化单元1外部的第一金属丝6-1和第二金属丝6-2自动进给到雾化单元1中；最后，运行指定时间后，通过起吊单元3将雾化单元1逐渐提升，使雾化单元1悬置在收粉单元2的上方，并取出收粉单元2，收集其中的金属粉末颗粒。
由此可知，利用该装置制备金属粉末时，通过等离子体源所产生的等离子弧1-4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它部件接触，因此大大提高了金属粉末的纯度，另外，离子弧是压缩电弧，与自由电弧相比较，其弧柱细，电流密度大，气体电离度高，因此具有温度高，能量集中，弧稳定性好，从而可进一步保证金属粉末成分的稳定性。
其中，雾化单元1包括雾化罐1-1以及与气源连接的雾化器1-2，雾化器1-2的一端设置在雾化罐1-1的顶部、另一端并分别与第一金属丝6-1和第二金属丝6-2连接，雾化罐1-1的底部具有开口，雾化罐1-1的上部与起吊单元3连接。其中，为了便于与起吊单元3连接，雾化罐1-1的侧壁上还可设有多个吊耳。更优选地，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6-1和第二金属丝6-2的消耗情况。由此第一金属丝6-1和第二金属丝6-2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，就可通过起吊单元3将雾化罐1-1罩设在收粉单元2上。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，顶盖盖设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。
进一步地，雾化单元1还包括至少一个排气管1-3，排气管1-3与雾化罐1-1的侧壁连通，以便于将气源喷射到雾化罐1-1内的气体及时排出，从而保证雾化罐1-1内的压力与外界大气压力相等。
更优选地，排气管1-3为直角弯管、且排气管1-3的出口向上设置。这样设置，既可以保证雾化罐1-1与外界环境连通，又可以利用金属液滴的重量大于气体，在排气管1-3的管道拐弯处阻拦金属液滴随气流从排气管1-3排出，从而可大大提高金属粉末的收得率。
优选地，排气管1-3的出口上设有过滤器。其中，过滤器可为盖设在排气管1-3的出口上的过滤网。通过设置过滤器，不仅可以阻挡金属液滴从排气管1-3飞出，而且还可以阻挡外界环境中的杂质从排气管1-3进入雾化罐1-1。
其中，收粉单元2包括敞口的收粉盒2-1和充注在收粉盒2-1中的冷却液。当第一金属丝6-1和第二金属丝6-2熔化形成的金属液，被喷入雾化单元1的气体吹散成微小的球形液滴落入收粉盒2-1中后，会被冷却液包围，经过降温、减速后会转变成形状和具有较小尺寸的金属粉末颗粒。
优选地，冷却液为水、液体石蜡和变压器油中的任意一种。
其中，起吊单元3包括起吊架3-2以及与支架5连接的起吊器3-1，起吊器3-1通过起吊架3-2与雾化单元1连接。其中，起吊架3-2优选为开口向下的U形架，起吊器3-1的两端分别与支架5和U形架的顶部连接，U形架的底部的两端与雾化单元1连接。
其中，第一传送单元4包括与支架5连接的两个金属丝盘4-1，第一金属丝6-1和第二金属丝6-2分别缠绕在对应的金属丝盘4-1上。优选地，第一金属丝6-1和第二金属丝6-2的直径为0.5-3mm。安装时，可分别将第一金属丝6-1和第二金属丝6-2的一端缠绕在对应的金属丝盘4-1上、另一端伸入雾化单元1中，并使第一金属丝6-1和第二金属丝6-2伸入雾化单元1中的部分相互接触。
其中，支架5包括起吊支撑5-1、传送支撑5-2、底架5-4以及设置在底架5-4上的支架主体5-3，起吊支撑5-1和传送支撑5-2均与支架主体5-3连接、且起吊支撑5-1位于传送支撑5-2的上方，起吊支撑5-1与起吊单元3连接，传送支撑5-2与第一传送单元4连接，收粉单元2放置在底架5-4上，底架5-4的底部设有多个脚轮。通过将起吊支撑5-1设置在传送支撑5-2的上方，可避免起吊单元3运行时，起吊单元3与第一金属丝6-1和第二金属丝6-2发生干涉，进而损坏第一金属丝6-1和第二金属丝6-2。
进一步地，传送支撑5-2上设有用于第一金属丝6-1和第二金属丝6-2穿过的导向孔、以便对第一金属丝6-1和第二金属丝6-2的传送方向进行矫正。
另外，还包括设置在底架5-4上的气源和电源。优选地，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。
本实施例的制粉过程为：
启动起吊器3-1，将雾化罐1-1逐渐下放；
雾化罐1-1罩设在收粉罐2-1上后，关闭起吊器3-1，此时雾化罐1-1和收粉罐2-1共同围设形成一个封闭空间；
接通气源，使雾化器1-2向雾化罐1-1内喷射气体；
接通等离子体源的电源，同时启动金属丝盘4-1和第二传送单元1-23，受到等离子体源发射出的等离子弧1-4的加热作用，第一金属丝6-1和第二金属丝6-2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，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，球形液滴最终会在重力作用下落入收粉罐2-1中，与此同时，随着伸入雾化罐1-1中的第一金属丝6-1和第二金属丝6-2的不断熔化，两个金属丝盘4-1会不断转动，以使缠绕在其上的第一金属丝6-1和第二金属丝6-2自动进给到雾化罐1-1中；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；
运行指定时间后，关闭气源以及与等离子体源的电源，启动起吊器3-1，将雾化罐1-1逐渐提升；
取出收粉盒2-1，关闭起吊器3-1。取出收粉盒2-1后，首先将冷却液进行过滤，然后将从冷却液中筛选出来的金属粉末颗粒进行烘干和脱氧。如图5所示，最终制备的金属粉末颗粒不仅形状规则、尺寸分布范围小，而且还不存在空心球。
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实质和范围。
Claims (4)
1.一种等离子体雾化制备金属粉末的装置，其特征在于，包括支架、雾化单元、收粉单元、起吊单元、第一传送单元、第二传送单元以及金属丝，所述收粉单元位于所述雾化单元的下方，所述起吊单元的两端分别与所述支架和所述雾化单元连接、用于将所述雾化单元悬置于所述收粉单元的上方或罩设在所述收粉单元上，所述第一传送单元与所述支架连接、用于向所述雾化单元输送所述金属丝，所述雾化单元包括雾化罐和连通在所述雾化罐顶部的雾化器，所述雾化器的内部设有气源、等离子体源和所述第二传送单元，所述第二传送单元用于将金属丝传送至所述等离子体源发射出的等离子弧中，所述气源用于将所述等离子弧中熔化的金属丝雾化、并吹入到所述雾化罐中；其中，
所述支架包括起吊支撑、传送支撑、底架以及设置在所述底架上的支架主体，所述起吊支撑和所述传送支撑均与所述支架主体连接、且所述起吊支撑位于所述传送支撑的上方，所述起吊支撑与所述起吊单元连接，所述传送支撑与所述第一传送单元连接，所述收粉单元放置在所述底架上，所述底架的底部设有多个脚轮；
所述金属丝的数量为多个，所述第一传送单元和第二传送单元的数量与多个金属丝的数量相对应；
所述收粉单元包括敞口的收粉罐和充注在所述收粉罐中的冷却液；
所述起吊单元包括起吊架以及与所述支架连接的起吊器，所述起吊器通过所述起吊架与所述雾化单元连接；
所述第一传送单元包括与所述支架连接的金属丝盘，所述金属丝缠绕在所述金属丝盘上；
所述等离子体源的数量为多个。
2.根据权利要求1所述的等离子体雾化制备金属粉末的装置，其特征在于，所述雾化单元还包括至少一个排气管，所述排气管与所述雾化罐的侧壁连通。
3.根据权利要求2所述的等离子体雾化制备金属粉末的装置，其特征在于，所述排气管的出口上设有过滤器。
4.根据权利要求1所述的等离子体雾化制备金属粉末的装置，其特征在于，所述冷却液为液氮、水、液体石蜡和变压器油中的任意一种。
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