CN107570696B - 金属粉末混合装置及其方法、高通量金属合金制备系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属粉末混合装置及其方法、高通量金属合金制备系统金属合金，其中，金属粉末混合装置包括筒体及金属粉末载气管路，在筒体上端侧壁上还开设金属粉末载气入口，金属载气管路与筒体侧壁的切线方向平行，金属粉末和载气气体可通过金属粉末载气管路后形成载有金属粉末的载气气体后以一定速度由金属粉末载气入口进入筒体内，在筒体内形成环形湍流混合分散。在金属粉末混合方法中，载有金属粉末的载气气体进入所述筒体内并形成环形湍流，从而提高了金属粉末碰撞的机率，进一步提高金属粉末混合的效率。高通量金属合金制备系统可将由金属粉末混合装置混合均匀的金属粉末进行加工，从而更为精准地获得所需金属合金。

Description

金属粉末混合装置及其方法、高通量金属合金制备系统

【技术领域】

本发明涉及金属3D打印领域，具体涉及一种金属粉末混合装置及其方法、高通量金属合金制备系统。

【背景技术】

金属3D打印是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属作为可粘合原材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。在现有技术中，一般是在增材制造设备打印过程中先后通入两种金属粉末进行打印，从而制备样品时形成梯度材料。然而现有技术中无法对不同金属的组分进行定量配比，无法满足制备特殊特别是形成设计组分的块体合金材料。

更进一步，在金属粉末混合时，由于金属粉末颗粒大小、密度大小的区别，往往使所述金属粉末混合不均，出现局部金属粉末量过高的问题，大大影响了制备获得的金属合金的性能。

【发明内容】

为克服目前金属粉末混合分散不均的问题，本发明提供一种金属粉末混合装置及其方法、高通量金属合金制备系统。

本发明为解决上述技术问题的一技术方案是提供：一种金属粉末混合装置，其包括中空筒体，所述筒体具有相对的上端和下端，在筒体上端侧壁上开设金属粉末载气入口，所述筒体下端开设金属粉末输出口，所述金属粉末混合装置还包括与所述金属粉末载气入口一一对应且贯通的金属粉末载气管路，所述金属粉末载气管路与所述筒体侧壁的切线方向平行，金属粉末和载气气体可通过所述金属粉末载气管路后形成载有金属粉末的载气气体后以一定速度由所述金属粉末载气入口进入所述筒体内，在筒体内形成环形湍流混合分散后从筒体下端金属粉末输出口输出；所述筒体由上至下包括第一圆柱段、入口段及第二圆柱段，其中，在所述入口段设有所述金属粉末载气入口，所述金属粉末输出口开设在第二圆柱段端部，所述第一圆柱段的高度与所述筒体的最大直径之比为1：(2-4)，所述第二圆柱段的高度与所述筒体的最大直径之比为1:(0.01-1)。

优选地，所述金属粉末输出口的直径小于所述筒体的最大直径。

优选地，所述金属粉末载气入口为同高度或不同高度设置。

优选地，同高度设置的金属粉末载气入口等间距分布开设于所述筒体的侧壁上。

优选地，所述第一圆柱段、所述入口段及所述第二圆柱段构成一圆柱段，所述金属粉末载气入口的直径与所述圆柱段的直径之间比例为1：(1-4)。

本发明为解决上述技术问题的又一技术方案是提供：一种金属粉末混合方法，其包括：载有金属粉末的载气气体以一定流速在中空筒形混合装置的上端以切线方向进入，以使载有金属粉末的载气气体在筒形混合装置下降过程中形成环形湍流，并从筒形混合装置的下端输出。

优选地，所述中空筒形混合装置包括筒体，载气气体进入所述筒体的流速为2L/min～14L/min，金属粉末的粒径为20μm～700μm。

优选地，所述中空筒形混合装置包括筒体，密度较小的金属粉末晚于密度较大的金属粉末进入所述筒体内，不同密度的金属粉末进入所述筒体内的间隔时间为0.01s-20s。

优选地，递送不同金属粉末进入筒体的入口高度与金属粉末的密度成反比。

本发明为解决上述技术问题的又一技术方案是提供：一种高通量金属合金制备系统，其包括激光熔融成型模块及如上所述的金属粉末混合装置，所述金属粉末混合装置将混合均匀后的金属粉末输出至所述激光熔融成型模块进行金属合金的制备。

本发明为解决上述技术问题的又一技术方案是提供：一种高通量金属合金制备系统，其包括激光熔融成型模块及如上所述的金属粉末混合装置，所述金属粉末混合装置将混合均匀后的金属粉末输出至所述激光熔融成型模块进行金属合金的制备。

相对于现有技术，本发明所提供的金属粉末混合装置具有如下的优点：所述金属粉末混合装置将载气气体与金属粉末经由金属粉末载气入口进入所述筒体中，载气气体与金属粉末可同时做径向和切向运动，通入的气体与金属粉末混合成为载有金属粉末的载气气体，载有金属粉末的载气气体紧贴所述筒体的内腔壁进行环形流动并形成环形湍流，可加速金属粉末流动和提高金属粉末碰撞的机率，从而提高金属粉末混合效率，以有效解决多种金属粉末混合不均的问题。

相对于现有技术，本发明所提供的金属粉末混合方法具有如下的优点：在本发明所提供的金属粉末混合方法中，将载气气体带动金属粉末进入筒体内，载气气体与金属粉末在筒体内形成环形湍流，从而加快了需要混合的金属粒子间的混合速度，且提高了金属粒子的混合率。与现有速度相比，需要混合的金属离子间的混合速度可达到11.6m/s以上。在本实施例中，在筒体内环形湍流的形成同时也提高了粒子的碰撞混合率，从而进一步提高粒子的混合效率和混合效果。

相对于现有技术，本发明所提供的高通量金属合金制备系统具有如下的优点：在所述高通量金属合金制备系统中，金属粉末经过所述金属粉末混合装置混合后，可获得定量精准及混合均匀的金属粉末，因此，在后续对金属粉末进行激光熔融的过程中，可保证制备获得的金属合金与设计的匹配度较高，从而可进一步提高高通量金属合金制备的精准性和稳定性。

【附图说明】

图1A是本发明第一实施例提供的金属粉末混合装置中筒体的一个实施例的结构示意图。

图1B是所述筒体的另一个实施例的结构示意图。

图1C是所述筒体的又一个实施例的结构示意图。

图1D是图1C中所示筒体的立体结构示意图。

图2A是所述筒体的一个实施例的结构示意图。

图2B是图2A中所示筒体的另一个实施例的结构示意图。

图3是本发明的第一实施例提供的金属粉末混合装置中筒体及金属粉末载气管路的立体结构示意图。

图4是图1A中所示金属粉末混合装置的另一角度的结构示意图。

图5是图4中R处所示的放大结构示意图。

图6是金属粉末混合装置另一个实施例的结构示意图。

图7A是本发明的第一实施例中第一具体实施方式的载气气体与金属粉末的状态示意图之一。

图7B是本发明的第一实施例中第一具体实施方式的载气气体与金属粉末的状态示意图之二。

图8是本发明的第一实施例中第二具体实施方式的结构示意图。

图9是本发明第二实施例提供的金属粉末混合方法的流程示意图。

图10是本发明第三实施例提供的高通量金属合金制备系统的模块示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1A，在本发明的第一实施例提供一种金属粉末混合装置10。所述金属粉末混合装置10包括中空筒体101，所述筒体101具有相对的上端和下端，在筒体101上端侧壁上开设金属粉末载气入口102，所述筒体101下端开设金属粉末输出口110。其中，如图中所示，所述金属粉末载气入口为同高度或不同高度设置。

所述金属粉末混合装置还包括与所述金属粉末载气入口102一一对应且贯通的金属粉末载气管路104，所述金属粉末载气管路104与所述筒体101侧壁的切线方向平行，金属粉末和载气气体可通过所述金属粉末载气管路104形成载有金属粉末的载气气体后以一定速度由所述金属粉末载气入口102进入所述筒体101内，在筒体101内形成环形湍流混合分散后从筒体101下端金属粉末输出口110输出。

较优地，所述筒体101由上至下包括圆柱段1011及圆锥段1012，其中，所述圆柱段1011的直径等于所述圆锥段1012的最大直径，且所述圆柱段1011的一端与所述圆锥段1012最大直径的一端连接。所述金属粉末混合装置10进一步在所述筒体101的圆柱段1011上开设与所述筒体101连通的金属粉末载气入口102，所述金属粉末载气入口102设于所述筒体101圆柱段1011的侧壁上，金属粉末及载气气体经所述金属粉末载气入口102进入所述筒体101内，在所述筒体101内形成环形湍流以使金属粉末混合均匀。

所述金属粉末输出口110可设于所述筒体101的底部，也即所述筒体101圆锥段1012的底部，所述金属粉末输出口110用于将混合均匀的金属粉末输出至其他外设的设备中，如金属合金的制备装置、粉末存储装置等。在本发明中，所述环形湍流P是指载气气体与金属粉末混合形成的载有金属粉末的载气气体在筒体101内以螺旋型的路径行进混合。

特别地，所述金属粉末混合装置10可用于同一种金属粉末的分散，也可用于多种金属粉末的混合分散，可有效避免金属粉末出现结块或分散不均匀的问题。为了实现多种金属粉末的混合分散，所述金属粉末载气入口102的数量可为多个。在一些较优的实施例中，所述金属粉末载气入口对称设置或间隔设置在筒体侧壁上，同一种类的金属粉末可从对称设置或间隔设置的所述金属粉末载气入口102进入所述筒体101中。

在本发明中，所述金属粉末载气入口102的直径与所述圆柱段1011的直径之间比例为1：(1-4)。优选地，所述金属粉末载气入口102的直径与所述圆柱段1011的直径之间比例为1：(2-3)。具体地，所述金属粉末载气入口102的直径与所述圆柱段1011的直径之间比例可为1:2。

在一些具体的实施例中，所述金属粉末载气入口102的直径为1cm-5cm，具体地，所述金属粉末载气入口102的直径可进一步为1cm、1.2cm、1.6cm、1.8cm、2cm、2.5cm、2.7cm、3cm、4.2cm或5cm等。

在本发明中，所述金属粉末载气入口102与所述筒体101尺寸上的限定，有利于金属粉末及载气气体进入所述筒体101后，可得到较优的混合效果，如所述金属粉末载气入口102与所述筒体101之间尺寸相差较大，则会出现以下问题：

第一种情况：载气气体带动金属粉末进入所述筒体101后，由于所述筒体101的尺寸相对于所述金属粉末载气入口102的尺寸较小，所述载气气体与金属粉末混合形成环形湍流初始形成的直径大于所述筒体101的直径，因此，所述载气气体与金属粉末混合的环形湍流受到所述筒体101的内壁较大的摩擦，导致混合的速度大大降低；

第二种情况：载气气体带动金属粉末进入所述筒体101后，由于所述筒体101的尺寸相对于所述金属粉末载气入口102的尺寸较大，则载气气体与金属粉末混合后初始形成的环形湍流的直径小于所述筒体101的直径，由于通入载气气体的气体量及流速固定，因此，载气气体与金属粉末混合形成的粉流(载有金属粉末的载气气体)无法进行足够的粒子碰撞，从而影响最终混合的效果。

在本发明一些优选的实施例中，如图1A中所示，设置于所述筒体101的圆柱段1011侧壁的切线方向上的多个所述金属粉末载气入口102可为同高度设置。在本发明另外的一些优选实施例中，如图1B、图1C及图1D中所示，设置于所述筒体101的圆柱段1011侧壁的切线方向上的多个所述金属粉末载气入口102之间还可为不同高度设置，所述金属粉末载气入口102高度的选择可根据注入的金属粉末的密度决定，如金属粉末的密度越小，则所述金属粉末载气入口102的高度越高，从而可为具有不同密度的金属粉末提供不相同的运行路径，从而进一步提升金属粉末混合的均匀度。更进一步地，由于密度较小的金属粉末在所述筒体101内的混合过程中易被载气气体运送至所述筒体101的上下两端，因此，将密度越小的金属粉末从高度较大的金属粉末载气入口进入，可使密度较小的金属粉末运行至所述金属粉末输出口110的路径变长，从而可避免密度较小的金属粉末先于其他密度较大的金属粉末运送至所述金属粉末输出口110。

更优地，可根据需求选用多个具有数量及分布位置不同的金属粉末载气入口102的金属粉末混合装置10，以获得最优的金属粉末混合及分散效果。其中，如图1D中箭头所示方向即载气气体与金属粉末的运动方向。

定义相互垂直的X方向及Y方向，其中，所述筒体101的圆柱段1011在Y方向上的长度即为所述圆柱段1011的高度。具体如图1A-1C中所示,所述筒体101的圆柱段1011由上之下包括第一圆柱段1001、入口段1003及第二圆柱段1002。其中，所述第一圆柱段1001为在所述圆柱段1011中高度最大的金属粉末载气入口102的中轴线L1与所述圆柱段1011最高处之间的圆柱段。所述第二圆柱段1002为在所述圆柱段1011中高度最低的金属粉末载气入口102的中轴线L2与所述圆柱段1011最低处之间的圆柱段。所述入口段1003设于所述第一圆柱段1001与所述第二圆柱段1002之间。

优选地，在另外的一些实施例中，所述金属粉末输出口110还可开设在第二圆柱段1002的端部。

在所述金属粉末混合的过程中，载气气体与金属粉末形成的环形湍流一部分会先进入所述第一圆柱段1001中进行一次混合分散后，再以螺旋型粉流的形式进入所述第二圆柱段1002中；载气气体与金属粉末形成的环形湍流的另一部分则直接进入所述第二圆柱段1002中进行混合分散。这样的设置，可利于金属粉末之间发生有效碰撞，从而提高金属粉末的混合效率。

为了获得更优的混合分散效果，所述第一圆柱段1001的高度与所述圆柱段1011的直径之比为1：(2-4)，具体地，所述第一圆柱段1001的高度与所述圆柱段1011的直径之比可进一步为1:2、1:2.3、1:2.7、1:3、1:3.5或1:4等。

更进一步地，所述第二圆柱段1002的高度与所述圆柱段1011的直径之比为1:(0.01-1)，具体地，所述第二圆柱段1002的高度与所述圆柱段1011的直径之比为1:0.01、1:0.03、1:0.05、1:0.07、1:0.1、1:0.5、1:0.7或1:1等。

请继续参阅图2A及图2B，所述金属粉末载气管路104与所述金属粉末载气入口102的直径相等。载气气体带动金属粉末经过所述金属粉末载气管路104混合形成载有金属粉末的载气气体后，由所述金属粉末载气入口102进入所述筒体101内。优选地，在本发明中，所述载气气体及金属粉末可在所述金属粉末载气管路104中进行预混合，以使金属粉末获得更优的混合效果。

优选地，为了获得更优的预混合分散效果，如图2A中所示，所述金属粉末载气管路104的长度F与所述圆柱段1011的直径之比为1:(0.5-2)，更进一步地，所述金属粉末载气管路104的长度与所述圆柱段1011的直径的具体比例可为1:0.5、1:0.7、1:0.9、1:1、1:1.2、1:1.3、1:1.5、1:1.7、1:1.9或1:2等。

如图2B中所示，在本发明一些较优的实施例中，所述金属粉末载气管路104的中心轴与所述筒体101的径向方向R之间夹角呈0°-80°，具体地，所述金属粉末载气管路104与所述筒体101之间的夹角可为0°、15°、18.5°、20°、31°、37°、43°、45°、49°、53°、59°、60°、63°、67°、75°或80°等。较优地，所述金属粉末载气管路104与所述筒体101的径向方向R之间的夹角为0°、8°、或15°。如图2A中所示，所述金属粉末载气管路104与所述筒体101的径向方向R之间的夹角为0°。

如图3中所示，所述金属粉末载气入口102的数量为四个，优选地，多个所述金属粉末载气入口102之间等间距环形分布于所述筒体101的侧壁上。在本发明另外的实施例中，所述金属粉末载气入口102的数量还可为2个、3个、5个、6个等。可以理解，所述金属粉末载气管道104的数量也为4个，与金属粉末载气入口102一一对应。

在本发明一些实施例中，不同的所述金属粉末载气入口102可通入不同的金属粉末载气，更进一步地，不同的所述金属粉末载气入口102中载气气体可以相同或者不同，其进入所述筒体2202内的流速可为相同或不同。

同高度或不同高度设置的所述金属粉末载气入口102可实现多种金属粉末以多种高度注入，从而使多种金属粉末获得多种运行路径，因此，在混合过程中，可提高金属粉末碰撞的机率，从而获得更优的金属粉末混合分散效果。

进一步，除了通过调整所述金属粉末载气入口102的高度以调整金属粉末进入筒体101内的混合路径之外，还可通过控制流量及粉末输送速度等，以提高多种粉末的混合效率。

具体地，由所述载气通入模块103传送的载气气体进入所述筒体101中的流速可为2-14m/s，优选地，所述进入的载气气体流速还可为2m/s、4.5m/s、5.6m/s、7.6m/s、8.2m/s、8.5m/s、8.7m/s、9.3m/s、9.6m/s、9.9m/s、10.4m/s、10.7m/s、11.5m/s、11.6m/s等。具体载气气体的流速依据所需要混合的金属粉末的直径大小、输送量进行调整，在此不做限制。

载气气体流速的选择具体可参照金属粉末的粒径与密度大小来决定。在本发明中，为了获得最优的金属粉末混合分散效果，则载气气体进入所述筒体101的流速为2L/min～14L/min，金属粉末的粒径较优地为20μm～700μm，所述金属粉末载气入口102中金属粉末的输送量为0.1g/min～50g/min。更进一步地，所述金属粉末载气入口102中进入的载气气体流速为6L/min～12L/min，金属粉末的粒径较优地为30μm～300μm，所述金属粉末载气入口102中金属粉末的输送量为1g/min～25g/min。

更进一步地，为了获得更优的混合效果，还可通过控制不同载气气体与金属粉末形成的载有金属粉末的载气气体进入所述金属粉末载气入口102的先后顺序及其进入的间隔时间。优选地，在相同粒径大小的前提下，密度较大的金属粉末晚于密度较小的金属粉末进入所述筒体101内；密度不相同的金属粉末先后进入所述筒体101内的间隔时间为0.01s-20s。上述间隔的时间依据不同种金属粉末的粒径及密度大小可具体为0.01s、0.05s、0.07s、0.1s、0.4s、0.1s、0.3s、4s、7s、9.1s、12s、15s、18s或20s等。

在本发明一些较优的实施例中，如图4中所示，为了使所述金属粉末载气入口102可同时向所述筒体101内通入具有可控量的金属粉末及载气气体，所述金属粉末混合装置10进一步包括与所述金属粉末载气管路104连通的金属粉末定量模块113及载体通入模块2203，其中，所述金属粉末定量模块113用于向所述金属粉末载气管路104定量递送金属粉末，所述载气通入模块103用于向所述金属粉末载气管路104通入载气气体，优选地，在发明中，所述载气气体的成分不受限定，较优地为惰性气体，如氮气、氩气等，在一些较优的实施例中，所述金属粉末混合装置10中还可支持多元载气气体。

在本发明一些较优的实施例中，所述金属粉末定量模块113包括但不受限于：刮吸式送粉装置、声波/超声送粉装置、静电阀送粉装置、静电吸管粉末定量装置等中的任意一种。

在本发明中一些优选的实施例中，所述金属粉末定量模块113中预定所需质量及种类的金属粉末的定量输送是以超声振动毛细管为核心的高精度粉末递送系统实现。所述金属粉末定量模块113可根据预设的出粉量，实现送粉量为微克至克量级每分钟的定量送粉。

具体地，在所述金属粉末定量模块113中，金属粉末以超声振动的方式对金属粉末进行高精度递送，其中，超声振动的输送剂量为2～160μg/次，其具体输送剂量的选择可根据超声振动的幅度进行调整。所述金属粉末定量模块113中，所述超声振动频率为3.125Hz～3200Hz，其超声振动频率的选择与单次输送计量的重量、金属粉末粒径大小及输送速度相关。所述超声振动频率还可进一步为3.125Hz～32Hz、33.5Hz～100Hz、100.2Hz～500Hz、521Hz～1100Hz、1151Hz～1532Hz、1541Hz～2001Hz、1541Hz～2001Hz、2110Hz～2560Hz或2700Hz～3200Hz等。

请继续参阅图4，所述载气通入模块103经由所述金属粉末载气入口102不间断地向所述筒体101内输送载气气体。所述金属粉末定量模块113同时向所述金属粉末载气入口102中通入定量的金属粉末。如图中所示，由所述载气通入模块103输出的载气气体带动由所述金属粉末定量模块113输出的金属粉末经由所述金属粉末载气入口102向着所述筒体101内移动。特别地，由于所述载气通入模块103为不间断地向所述筒体101内提供载气气体，因此，在所述金属粉末定量模块113递送金属粉末的间隙，不间断地通入的载气气体具有如下的有益效果：

第一是为所述筒体101内已有的载气气体与金属粉末形成的湍流提供持续的动力；

第二是可清洗所述金属粉末载气入口102内壁上附着的金属粉末，从而可保证金属粉末的精准递送。

在本实施例中，相对设置的两个所述金属粉末载气入口102可通入相同种类的金属粉末。

进一步请参见图5，由所述金属粉末载气管路104通入的载气气体带动金属粉末向着所述金属粉末载气入口102运动，所述载气气体与所述金属粉末在所述金属粉末载气管路104中进行预混合后，再进入所述筒体101中，同时做径向和切向运动，具体地，通入的载气气体与金属粉末混合成为粉流(载有金属粉末的载气气体)，所述粉流(载有金属粉末的载气气体)紧贴所述筒体101的内腔壁进行环形流动并形成环形湍流，从而可加速金属粉末流动和提高金属粉末碰撞的机率，从而提高金属粉末混合效率。

请参阅图6，在本发明另外的一些实施例中，所述金属粉末混合装置10进一步包括一单一金属粉末分散装置109，所述单一金属粉末分散装置109可用于将单一金属粉末与载气气体进行预混合后，再将载气气体与金属粉末形成的载有金属粉末的载气气体送入所述筒体101内。

本发明以Al粉末与Fe粉末为例，其中，Al粉末与Fe粉末的粒径大小为300μm～600μm。Al粉末的质量为0.0027kg，Fe粉末的质量为0.0078kg，所述金属粉末混合装置10的筒体101的直径为5cm，所述金属粉末载气入口102的直径为2.5cm，所述金属粉末载气管路104的长度为2.5cm，所述圆柱段1011中第一圆柱段1001的高度为2.5cm。所述圆柱段1011中第二圆柱段1002的高度为10cm。

在本发明第一个具体实施方式中，如图7A-图7B中所示，其具体内容如下：所述金属粉末混合装置10包括四个金属粉末载气入口102，四个所述金属粉末载气入口102为同高度设置。如图6中所示，Al粉末由B1号及B3号的金属粉末载气管路104、金属粉末载气入口102进入所述筒体101内，进行第一次混合分散30s后，Fe粉末由B2号及B4号金属粉末载气入口102进入所述筒体101内，与已在所述筒体101内的Al粉末进行第二次混分散合。其中，所述载气通入模块103通入B1号及B3号金属粉末载气入口102的载气气体的流速为8L/min，所述载气通入模块103通入B2号及B4号金属粉末载气入口102的流速为12L/min。

在本发明第二个具体实施方式中，如图8中所示，其与上述第一具体实施方式的区别在于：四个所述金属粉末载气入口102可为两种高度设置，其中，对称设置的B1号及B3号的金属粉末载气管路104、金属粉末载气入口102为同一高度设置，对称设置的B2号及B4号的金属粉末载气管路104、金属粉末载气入口102为同一高度设置。其中，密度较小的Al粉末由高度较大的B1号及B3号的金属粉末载气管路104、金属粉末载气入口102进入所述筒体101中，密度较大的Fe粉末由高度较大的B2号及B4号的金属粉末载气管路104、金属粉末载气入口102进入所述筒体101中。因此，通过上述特殊的设定，可使密度较大的Fe粉末的混合路径与Al粉末的混合路径形成区别，从而可获得更优的金属粉末混合效果。

在本发明第三个具体实施方式中，其与上述第一具体实施方式的区别在于：

Al粉末由B1号及B3号的金属粉末载气管路104、金属粉末载气入口102进入所述筒体101内，Fe粉末由B2号及B4号金属粉末载气入口102进入所述筒体101内，其中，Al粉末载气气体的流速与Fe粉末载气气体的流速之比为1:3。

在现有的混合装置中，当Al粉末与Fe粉末的粒径大小相同时，Fe粉末较Al粉末更易沉积于所述筒体101的下层，而造成Fe粉末与Al粉末混合不均。然而，在上述第一至第三具体实施方式中，Al粉末与Fe粉末在所述筒体101内流动均可形成环形的湍流，从而提高了金属粒子间碰撞混合率，进一步加快了需要混合的金属粉末的混合速度，从而提高了金属粒子的混合率。与现有金属粉末混合的速度相比，需要混合的金属离子间的混合速度可达到11.6m/s以上。采用本发明所提供的金属粉末混合装置10，在一次加工中实现不同金属的组合及变化，还可实现不同金属粉末的精确配比。更进一步地，多种金属粉末由于与载气气体一同通入所述筒体101内，因此可有效减少载气气体与金属粉末单独通入时，载气气体对金属粉末产生气流冲击，从而使金属粉末横向作用力减弱，而直线向下流动的问题，从而提高金属粉末混合的效率，避免未混合均匀的金属粉末直接进入所述筒体101的底部。

较优地，所述金属粉末混合装置10可用于高通量金属合金的制备中，可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，而且可以精确控制粉末的供给，实现局部特定金属供给，从而可实现高通量制备金属合金，提高实验的通量与金属合金材料的研发效率。

请参阅图9，本发明的第二实施例提供一种金属粉末混合分散方法S10，所述金属粉末混合方法S10为基于本发明第一实施例提供的金属粉末混合装置10，其包括：

步骤S101，载有金属粉末的载气气体以一定流速在中空筒形混合装置的上端以切线方向进入；

步骤S102，载有金属粉末的载气气体在筒形混合装置下降过程中形成环形湍流；及

步骤S103，金属粉末混合分散并从筒形混合装置的下端输出。

具体地，可分为如下的步骤：

在上述步骤S101之间，还可包括如下步骤：

步骤S10，金属粉末定量并递送；

步骤S11，金属粉末和载气气体进行预混合形成载有金属粉末的载气气体；

具体地，在上述步骤S11中，所述载体气体与金属粉末可先所述金属粉末载气管路中进行预混合后，使所述载气气体带动金属粉末一同进入所述筒体内。

进一步地，所述金属粉末混合方法中，所述金属粉末粒径为20～200μm。所述金属粉末的种类可为金属粉末铝、金属粉末铜、金属粉末钛、金属粉末镍、工具钢、马氏体钢、不锈钢、钛合金、铝合金、镍基合金、铜基合金等。

所述金属粉末定量输出过程中，可采用超声振动输出，每次超声振动定量输出的金属粉末输送剂量为2μg～160μg，所述超声振动频率为3.125Hz～3200Hz。

载气气体进入所述筒体101中的流速可为2-14m/s，优选地，所述进入的载气气体流速还可为2m/s、4.5m/s、5.6m/s、7.6m/s、8.2m/s、8.5m/s、8.7m/s、9.3m/s、9.6m/s、9.9m/s、10.4m/s、10.7m/s、11.5m/s或11.6m/s等。具体载气气体的流速依据所需要混合的金属粉末的直径大小、输送量进行调整，在此不做限制。

在本发明中，为了获得最优的金属粉末混合分散效果，则载气气体进入筒体的流速为8L/min～14L/min，金属粉末的粒径较优地为20μm～200μm，进入筒体中的金属粉末的输送量为0.1g/min～30g/min。更进一步地，载气气体进入筒体的流速为10L/min～12L/min，金属粉末的粒径较优地为50μm～100μm，进入筒体中的金属粉末的输送量为0.5g/min～5g/min。

密度较小的金属粉末晚于密度较大的金属粉末进入所述筒体内，不同密度的金属粉末进入所述筒体内的间隔时间为0.01s-20s。不同密度的金属粉末进入的顺序及间隔时间可使不同种的金属粉末获得更充分的混合分散效果。

更进一步地，递送不同金属粉末进入筒体的入口高度与金属粉末的密度成反比，从而可为具有不同密度的金属粉末提供不相同的运行路径，从而进一步提升金属粉末混合的均匀度。更进一步地，由于密度较小的金属粉末在所述筒体内的混合过程中易被载气气体运送至所述筒体的上下两端，因此，将密度越小的金属粉末从高度较大的金属粉末载气入口进入，可使密度较小的金属粉末运行至所述金属粉末输出口的路径变长，从而可避免密度较小的金属粉末先于其它密度较大的金属粉末运送至所述金属粉末输出口，从而获得更优的金属粉末混合效果。

在第二实施例中，针对金属粉末混合的其他限定条件与本发明上述的第一实施例中相关内容的一致，在此不再赘述。

如图10中所示，本发明第三实施例提供一种高通量金属合金制备系统900，其包括粉末定量模块11、粉末混合与配送模块12、激光熔融成型模块13、环境控制模块14、后处理模块15和控制模块16。其中，所述控制模块16连接控制所述粉末定量模块11、所述粉末混合与配送模块12、所述激光熔融成型模块13、所述环境控制模块14及所述后处理模块15。

在本发明中，所述粉末定量模块11可同步设定多个成分的金属合金参数，便于高通量制备获得所需的金属合金。

所述粉末定量模块11包括连接的粉末变化设定模块111及建模预设模块112。其中，所述粉末变化设定模块111用于设定粉末量变化方案，所述建模预设模块112用于建模及设定所述激光熔融成型模块的喷涂路径。具体地，所述粉末变化设定模块111与建模预设模块112可根据预先设定的粉末种类、粉末的各项物理属性，定量获得各个粉末的变化量、初始出粉量等参数。所述金属合金制备系统10首先根据材料样品库设计制作3D打印CAD(Compyter Aided Design，计算机辅助设计)模型，生成STL(Stereo Lithography，光固化立体成型)文件，再由CAM(Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造，利用数控机床控制刀具运动，完成零件制造)软件将上述生成的STL文件中的模型分层转化为2D薄片，所述金属合金制备系统10可自动生成进行金属3D打印的加工路径。

所述粉末混合与配送模块12用于金属粉末的混合、分散与输送。具体地，所述粉末混合与配送模块12与所述激光熔融成型模块13连接，用于为所述激光熔融成型模块13提供设定用量的至少一种金属粉末。如图10中所示，所述粉末混合与配送模块12包括粉末混合装置121及粉末输送装置122。其中，所述粉末混合装置121与本发明第一实施例提供的粉末混合装置10相同。

在本发明一些较优的实施例中，在所述粉末混合与配送模块12中，将所述粉末混合装置121与所述粉末配送装置122结合使用，可有效提高金属粉末混合效果，可有效将粒径较小的金属粉末打散后，使其在一定的速度和振动频率下传送，在这一过程中金属粉末不会再次发生团聚。

在本发明一些较优的实施例中，所述粉末输送装置122可由管路进行替代，所述粉末混合装置121可与所述激光熔融成型模块13直接连接或所述粉末混合装置121与所述激光熔融成型模块13之间设置多个管路连接。

所述激光熔融成型模块13用于激光熔融由所述粉末混合与配送模块12送入的金属粉末。其中，所述激光熔融成型模块13中所发出的激光光谱范围为800nm-1300nm，所产生的激光的光斑直径大小为0.1μm-1mm。其中，针对所述激光的光斑直径的限定，可保证当制备多个金属合金时，制备各个金属合金的过程中，不会由于光斑过大，而对相邻排布的金属合金造成影响。

所述环境控制模块14与所述激光熔融成型模块13连接，用于控制激光熔融过程中的环境温度、湿度、洁净度、气压及反应氛围等条件，以获得最优的反应环境。在本发明一些实施例中，所述控制模块16控制所述环境控制模块14，以实现对所述环境控制模块14的精准控制。

所述高通量金属合金制备系统用于在一基板之上制备多个金属合金；多个所述金属合金由不同激光功率的激光加热熔融成分比例相同的金属粉末制备而成或多个所述金属合金由相同激光功率的激光加热熔融成分比例不同的金属粉末制备而成。

更进一步地，在上述的同一所述金属合金由多个层结构组成，多个所述层结构由不同激光功率的激光即热熔融成分比例相同的金属粉末制备而成或多个所述层结构由相同激光功率的激光加热熔融成分比例不同的金属粉末而制备而成。在本发明的一些实施例中，可通过采用计算机辅助金属合金分子设计的基础上，设计出所述金属合金样品库，其是利用文献结果和积累的经验设计获得的金属合金样品库。具体需要把所需求的金属合金配比设在一个很宽的范围内，然后利用组合技术层层逼近目的金属合金配比，并最终从成千上万样品中筛选获得最优的金属合金组分。其最大特点是可以一次合成成百上千个目标金属合金组分，通过采用本发明所提供的高通量金属合金制备系统可实现快速获取最优配比，而这些金属合金组分的制备获得如仅依靠于传统方法来是无法快速完成的。

在本发明的一些较优的实施例中，所述高通量金属合金制备系统进一步包括对金属合金样品库中的单个样品金属合金的成分及其制备工艺参数进行控制。如当制备三元、四元金属合金制备时，采用本发明所提供的高通量金属合金制备系统，可实现多元金属合金的制备，还可在金属合金的不同部位进行不同金属合金的组合，进一步可实现所述金属合金层间热力学工艺组合，从而可制备获得具有特定部分及特定合金种类的金属合金。

与现有技术相比，本发明中所提供的金属粉末混合装置及其方法、高通量金属合金制备系统，具有以下优点：

本发明所提供的金属粉末混合装置中将载气气体与金属粉末经由金属粉末载气入口进入所述筒体中，载气气体与金属粉末可同时做径向和切向运动，通入的载气气体与金属粉末混合成为载有金属粉末的载气气体，所述载有金属粉末的载气气体紧贴所述筒体的内腔壁进行环形流动并形成环形湍流，可加速金属粉末流动和提高金属粉末碰撞的机率，从而提高金属粉末混合效率，以有效解决多种金属粉末混合不均的问题。

本发明所提供的金属粉末混合装置中，所述金属粉末载气入口与所述筒体的径向方向之间夹角呈0°-80°，角度的限定会对载气气体与金属粉末的运行路径及形成的环形湍流的直径大小产生影响，从而影响金属粉末混合的效果。在本发明中，当金属粉末载气入口与所述筒体的径向方向之间夹角为0°、15°时，载气气体与金属粉末之间可发生更多的有效碰撞，从而提高金属粉末混合效率。

在本发明中，在所述金属粉末混合的过程中，载气气体与金属粉末形成的环形湍流一部分会先进入所述第一圆柱段中进行一次混合分散后，再以螺旋型载有金属粉末的载气气体的形式进入所述第二圆柱段中；载气气体与金属粉末形成的环形湍流的另一部分则直接进入所述第二圆柱段中进行混合分散。这样的设置，可利于金属粉末之间发生有效碰撞，从而提高金属粉末的混合效率。

本发明所提供的金属粉末混合装置中，多个所述金属粉末载气入口之间等间距分布，可进一步获得更优的金属粉末混合分散效果。

本发明所提供的金属粉末混合装置中，所述金属粉末载气入口的直径与所述筒体的直径之间比例为1：(1-4)。比例的限定，可为在所述筒体内形成环形湍流提供有益的环境，从而获得更优的金属粉末混合效果。

本发明所提供的金属粉末混合装置中，所述金属粉末定量模块用于向所述金属粉末载气入口定量递送金属粉末，所述载气通入模块用于向所述金属粉末载气入口通入载气气体。从而可实现定量送气和送粉，实现金属粉末的精准混合。

在本发明中，所述金属粉末定量模块利用超声振动定量递送金属粉末，可实现金属粉末的精准递送，且避免金属粉末在输送过程中出现团聚等现象，从而提高金属粉末混合的效率，其中，振动频率的选择，可调节选择与金属粉末的粒径及密度大小匹配的频率，以获得最优的超声振动效果。

本发明所提供的金属粉末混合方法，将载气气体与金属粉末同时送入筒体内，载气气体与金属粉末在筒体内形成环形湍流，从而加快了需要混合的金属粒子间的混合速度，且提高了金属粒子的混合率。与现有速度相比，需要混合的金属离子间的混合速度可达到11.6m/s以上。在本实施例中，在筒体内环形湍流的形成同时也提高了粒子的碰撞混合率，从而进一步提高粒子的混合效率和混合效果。

本发明所提供的一种高通量金属合金制备系统，金属粉末经过所述金属粉末混合装置混合后，可获得定量精准及混合均匀的金属粉末，因此，在后续对金属粉末进行激光熔融的过程中，可保证制备获得的金属合金与设计的匹配度较高，从而可进一步提升高通量金属合金制备的精准性和稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属粉末混合装置，其特征在于：其包括中空筒体，所述筒体具有相对的上端和下端，在筒体上端侧壁上开设金属粉末载气入口，所述筒体下端开设金属粉末输出口，所述金属粉末混合装置还包括与所述金属粉末载气入口一一对应且贯通的金属粉末载气管路，所述金属粉末载气管路与所述筒体侧壁的切线方向平行，金属粉末和载气气体可通过所述金属粉末载气管路后形成载有金属粉末的载气气体后以一定速度由所述金属粉末载气入口进入所述筒体内，在筒体内形成环形湍流混合分散后从筒体下端金属粉末输出口输出；所述筒体由上至下包括第一圆柱段、入口段及第二圆柱段，其中，在所述入口段设有所述金属粉末载气入口，所述金属粉末输出口开设在第二圆柱段端部，所述第一圆柱段的高度与所述筒体的最大直径之比为1：(2-4)，所述第二圆柱段的高度与所述筒体的最大直径之比为1:(0.01-1)。

2.如权利要求1所述金属粉末混合装置，其特征在于：所述金属粉末输出口的直径小于所述筒体的最大直径。

3.如权利要求1所述金属粉末混合装置，其特征在于：所述金属粉末载气入口为同高度或不同高度设置。

4.如权利要求1所述金属粉末混合装置，其特征在于：同高度设置的金属粉末载气入口等间距分布开设于所述筒体的侧壁上。

5.如权利要求1所述金属粉末混合装置，其特征在于：所述第一圆柱段、所述入口段及所述第二圆柱段构成一圆柱段，所述金属粉末载气入口的直径与所述圆柱段的直径之间比例为1：(1-4)。

6.一种金属粉末混合方法，其特征在于：所述金属粉末混合方法是利用上述权利要求1-5中所述金属粉末混合装置进行的，所述金属粉末混合方法包括：载有金属粉末的载气气体以一定流速在中空筒形混合装置的上端以切线方向进入，以使载有金属粉末的载气气体在筒形混合装置下降过程中形成环形湍流，并从筒形混合装置的下端输出。

7.如权利要求6中所述金属粉末混合方法，其特征在于：所述中空筒形混合装置包括筒体，载气气体进入所述筒体的流速为2L/min～14L/min，金属粉末的粒径为20μm～700μm。

8.如权利要求6中所述金属粉末混合方法，其特征在于：所述中空筒形混合装置包括筒体，密度较小的金属粉末晚于密度较大的金属粉末进入所述筒体内，不同密度的金属粉末进入所述筒体内的间隔时间为0.01s-20s。

9.如权利要求6中所述金属粉末混合方法，其特征在于：递送不同金属粉末进入筒体的入口高度与金属粉末的密度成正比。

10.一种高通量金属合金制备系统，其特征在于：其包括激光熔融成型模块及如权利要求1-5中任一项所述的金属粉末混合装置，所述金属粉末混合装置将混合均匀后的金属粉末输出至所述激光熔融成型模块进行金属合金的制备。