CN107876787B - 大振幅超声球形金属粉末的制备装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大振幅超声球形金属粉末的制备装置及方法，属于金属粉末加工技术领域，该装置包括罐体，将罐体内腔自上而下分为熔融室和雾化室，在雾化室内设置有支架以及安装在支架上并与超声波发生器连接的换能器以及沿换能器的纵振动输出轴设置的开槽变幅杆、与开槽变幅杆输出端连接的伞状工具头，利用换能器在外加电压的激励下产生微弱的机械振动，开槽变幅杆可以把机械振动的质点位移放大，得到较大振幅，在伞状工具头伞顶形成的金属薄液层在超声振动作用下激起表面张力波，当振动面的振幅较大时，液滴从波峰上飞出而成金属雾，使所制备的金属粉末的粒度较细，球形度较好。

Description

大振幅超声球形金属粉末的制备装置及方法
技术领域
本发明属于金属粉末材料的制备技术领域，具体为一种大振幅超声球形金属粉末的制备装置及方法。
背景技术
高性能合金粉末大多具有重要的工程应用前景和大的市场发展潜力，因此近年来在航天航空、电子信息、能源电力、冶金机械等领域的应用愈来愈广。随着现代科学技术的发展，对粉末材料的品种、质量以及成本等方面的要求越来越高，金属粉末的制备朝着高纯、微细、成分和粒度可控以及低成本的方向发展。虽然传统微细粉末的制备方法如高能破碎、水雾化、气雾化和离心雾化等技术已经进入大规模的工业生产阶段，但制备的粉末几何形状和颗粒尺寸等无法满足一些领域对高性能金属粉末的使用要求。超声雾化技术是一种新的金属粉末雾化技术，包括超声气雾化和超声振动雾化。超声气雾化即是利用超声振动能量和气流冲击动能使液流破碎，制粉效率显著提高，但仍需要消耗大量惰性气体且粒度分布范围仍较宽，球形度较差。
发明内容
为了克服现有超声雾化金属粉末加工技术所存在的不足，本发明提供了一种大振幅超声球形金属粉末的制备装置，其所加工的金属粉末粒度较细，球形度较好，而且能耗低，成本较小。
同时本发明还提供了一种用上述大振幅超声球形金属粉末的制备装置实现的球形金属粉末加工方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种大振幅超声球形金属粉末的制备装置，包括罐体(1)，将罐体(1)内腔自上而下分为熔融室(2)和雾化室(3)，熔融室(2)内设置有熔炉(4)，熔炉(4)的金属液排出管延伸至雾化室(3)内，在雾化室(3)的侧壁上开设有连接惰性气体管道的进气口和连接抽真空装置的出气口，在雾化室(3)的底部设置有粉末出口；其特征在于，在雾化室(3)内设置有支架(9)以及安装在支架(9)上并与超声波发生器(8)连接的换能器(7)以及沿换能器(7)的纵振动输出轴设置的开槽变幅杆(6)、与开槽变幅杆(6)输出端连接的伞状工具头(5)，伞状工具头(5)的伞顶与金属液排出管的出液口正对；
所述开槽变幅杆(6)是由振动输入段和振动输出段组合形成阶梯型变幅杆结构；所述振动输入段包括至少1节开槽圆管，开槽圆管是在两端封闭的空心管管壁上沿周向开设有4条相互平行的螺旋槽。
进一步限定，所述开槽圆管的4个螺旋槽的起点在同一圆周上，且在管壁上均匀分布，螺旋槽的起始端和终端距开槽圆管的两端头间距相等，螺旋槽的槽宽为1～15mm，螺旋升角为15～70°，螺距为50～200mm。
进一步限定，所述开槽圆管是1～5节，且沿着振动输入方向，各节开槽圆管的直径递减。
进一步限定，一节开槽圆管与相邻一节开槽圆管的直径差为1～8mm。
进一步限定，所述开槽变幅杆(6)的振动输出段和振动输入段的长度比为1：1～1：5。
进一步限定，所述换能器(7)是由依次设置的前盖板、压电晶堆和后盖板组成；所述压电晶堆是由多片压电陶瓷片层叠压合而成，加电压1v，压电晶堆的正负极与超声波发生器(8)电连接。
进一步限定，所述伞状工具头(5)的伞顶锥角为120～150°。
一种大振幅超声球形金属粉末的制备方法，其由以下步骤组成：
(1)将雾化室(3)抽真空后通入惰性气体；
(2)利用超声波发生器(8)驱动换能器(7)工作，激励换能器(7)产生纵向伸缩振动，纵向伸缩振动作用于开槽变幅杆(6)，通过开槽变幅杆(6)的开槽圆管管壁上沿周向开设的4条相互平行的螺旋槽产生放大作用，输出振幅较大；
(3)熔炉(4)的金属熔液流至伞状工具头(5)并在伞状工具头(5)的伞顶上形成薄液层，薄液层在超声振动作用下激起表面张力波，当振动面的振幅达到20μm以上时，液滴从波峰上飞出而成金属雾，在重力作用下沉降在雾化室(3)的底部，收集得到球形金属粉末。
本发明还提供一种大振幅开槽变幅杆，该变幅杆是由振动输入段和振动输出段组合形成阶梯型变幅杆结构；所述振动输入段包括至少1节开槽圆管，开槽圆管是在两端封闭的空心管管壁上沿周向开设有4条相互平行的螺旋槽。
进一步限定，所述开槽圆管的4个螺旋槽的起点在同一圆周上，且在管壁上均匀分布，螺旋槽的起始端和终端距开槽圆管的两端头间距相等，螺旋槽的槽宽为1～15mm，螺旋升角为15～70°，螺距为50～200mm。
本发明的大振幅超声球形金属粉末的制备装置及方法，通过在开槽变幅杆6的振动输入段空心管壁上开设螺旋槽，利用螺旋槽与阶梯型结构耦合实现超声变幅杆机械振动的质点位移放大、大振幅输出，再将该开槽变幅杆6实现超声振动与金属液雾化结合，利用金属粉末的粒度与振幅成反比的原理，制备出光洁圆整、球形度好、粒度较细且分布窄、氧含量低、抗氧化能力强的金属粉末，而且本发明还具有设备和工艺简单、可控性高、低污染以及成本低等优点。
附图说明
图1为本发明超声球形金属粉末的制备装置的结构示意图。
图2为本发明中螺旋开槽变幅杆6的结构图。
图3为本发明实施例2中开槽变幅杆的结构图。
图4为本发明实施例3中开槽变幅杆的结构图。
图5为普通阶梯型变幅杆-换能器7系统的振型图。
图6为普通阶梯型变幅杆-换能器7系统的辐射面的纵位移曲线。
图7为本发明实施例1的螺旋开槽变幅杆6-换能器7系统的振型图。
图8为本发明实施例1的螺旋开槽变幅杆6-换能器7系统辐射面的纵位移曲线。
图中：1-罐体，2-熔融室，3-雾化室，4-熔炉，5-伞状工具头，6-开槽变幅杆，7-换能器，8-超声波发生器，9-支架，10-抽真空管，11-粉末收集缸。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整的描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
参考图1，本实施例的大振幅超声球形金属粉末的制备装置包括罐体1，罐体1顶部设置盖封，底部呈锥形漏斗结构，便于集料。在罐体1内腔自上而下分为熔融室2和雾化室3，在熔融室2内设置有熔炉4，将待加工金属熔融成金属液体。在熔炉4的底部开设有金属液输出口，并在其上安装有金属液排出管，该金属液排出管的底端延伸至雾化室3内，使熔融的金属液能够在雾化室3内进一步完成雾化。在雾化室3的下部侧壁开设有进气口，通过连接在进气口上的惰性气体管道可向雾化室3内通入惰性气体。在雾化室3的上部侧壁上开设有出气口，通过安装在出气口上的抽真空管10道与真空泵连通，可对雾化室3内抽真空。在雾化室3的漏斗状结构底部开设有粉末出口并通过安装在粉末出口上的管道与粉末收集缸11连通。在雾化室3内进气口的上方固定有支架9，在支架9上安装有换能器7，换能器7与罐体1外壁的超声波发生器8电连接，由超声波发生器8向换能器7提供特定频率电信号驱动换能器7工作。在换能器7的纵振动输出端上设置有开槽变幅杆6，在开槽变幅杆6的末端安装有伞状工具头5，该伞状工具头5的伞顶与熔炉4的金属液排出管出液口正对。
需要进一步说明的是，本发明的换能器7是由前盖板、压电晶堆和后盖板组成；前盖板采用铝制圆盘，后盖板采用钢制圆盘，前盖板的直径等于后盖板直径，压电晶堆设置在前盖板和后盖板之间，由4～10片PZT-4压电陶瓷片层叠压合而成，加电压1v，压电晶堆的正负引线分别与超声波发生器8的正负极连接，由超声波发生器8向其提供特定频率电信号激励压电晶堆产生纵振动。
需要进一步说明的是，本发明的开槽变幅杆6是由振动输入段和振动输出段组合形成阶梯型变幅杆结构；参见图2，振动输入段采用铝制材料，是由1～5节开槽圆管串接构成，且沿着振动输入方向，各节开槽圆管的直径递减，形成阶梯型。为了保证振动输入段是阶梯型渐变结构，一节开槽圆管与相邻一节开槽圆管的直径差为1～8mm范围内调整。所述开槽圆管是在两端封闭的空心管管壁上沿周向开设有4条相互平行的螺旋槽，4个螺旋槽的起点在同一圆周上，且在管壁上均匀分布，螺旋槽的起始端和终端距开槽圆管的两端头间距相等，螺旋槽的槽宽为1～15mm，槽深为1～5mm，螺旋升角为15～70°，螺距为50～200mm。所述的振动输出段是普通圆杆，其杆长与振动输入段总长之比为1：1～1：5。通过阶梯型的开槽圆管可将换能器7传递的纵振动振幅放大多倍，在谐振频率处辐射面的纵位移呈数量级增加。
需要进一步说明的是，伞状工具头5的伞顶锥角为120～150°，以便于金属液体在超声振动下铺展成膜，并且在雾化过程中金属雾滴能够以一定的角度从伞顶上偏射出去，减小雾滴碰撞的几率。
用上述大振幅超声球形金属粉末的制备装置来实现球形金属粉末的制备方法可由以下步骤实现：
(1)利用真空泵对雾化室3抽真空后，从进气口向雾化室3内通入惰性气体；
(2)利用超声波发生器8把输入的电信号转换成与换能器7相匹配的特定频率的电信号，驱动换能器7工作，激励换能器7产生纵向伸缩振动，纵向伸缩振动作用于开槽变幅杆6，通过开槽变幅杆6的开槽圆管管壁上沿周向开设的4条相互平行的螺旋槽产生放大作用，输出振幅较大；
(3)熔炉4的金属熔液流至伞状工具头5并在伞状工具头5的伞顶上形成薄液层，薄液层在超声振动作用下激起表面张力波，当振动面的振幅达到一定值，即不小于20μm时，液滴从波峰上飞出而成金属雾，在重力作用下沉降在雾化室3的底部，收集得到球形金属粉末。
实施例1
本实施例换能器7的压电晶堆由6片PZT-4压电陶瓷片层叠压合而成。开槽变幅杆6由振动输入段和振动输出段组合形成阶梯型变幅杆结构；振动输入段是1节开槽圆管组成，振动输入段管长为59mm，振动输出段杆长为59mm，在开槽圆管的侧壁上沿周向共开4条相互平行的螺旋槽，4个螺旋槽的起点在同一圆周上，且在管壁上均匀分布，螺旋槽的起始端和终端距开槽圆管的两端头间距相等，开槽圆管的外径为40mm，内径为18mm，螺旋槽的螺距均为184mm，槽宽为3mm，槽深为3mm，螺旋升角为63.7°。伞状工具头5的伞顶锥角为150°。
实施例2
本实施例换能器7的压电晶堆由4片PZT-4压电陶瓷片层叠压合而成。开槽变幅杆6由振动输入段和振动输出段组合形成阶梯型变幅杆结构，振动输入段的总长为118mm，振动输出段杆长为29.5mm；参见图3，振动输入段是2节开槽圆管串接组成，一节开槽圆管与相邻一节开槽圆管的直径差为2mm，在2节开槽圆管的侧壁上沿周向均开4条相互平行的螺旋槽，4个螺旋槽的起点在同一圆周上，且在管壁上均匀分布，螺旋槽的起始端和终端距开槽圆管的两端头间距相等，螺旋槽的螺距均为184mm，槽宽为3mm，槽深为3mm，第一节开槽圆管的螺旋升角为63.7°，第二节开槽圆管的螺旋升角为64.4°。伞状工具头5的伞顶锥角为120°。
实施例3
本实施例换能器7的压电晶堆由10片PZT-4压电陶瓷片层叠压合而成。开槽变幅杆6由振动输入段和振动输出段组合形成阶梯型变幅杆结构；振动输入段的总长为236mm，振动输出段杆长为47.2mm；参见图4，振动输入段是4节开槽圆管串接组成，一节开槽圆管与相邻一节开槽圆管的直径差为4mm，在4节开槽圆管的侧壁上沿周向均开4条相互平行的螺旋槽，4个螺旋槽的起点在同一圆周上，且在管壁上均匀分布，螺旋槽的起始端和终端距开槽圆管的两端头间距相等，螺旋槽的螺距均为184mm，槽宽为3mm，槽深为3mm，第一节开槽圆管的螺旋升角为63.7°，第二节开槽圆管的螺旋升角为65.3°，第三节开槽圆管的螺旋升角为66.9°，第四节开槽圆管的螺旋升角为68.6°。伞状工具头5的伞顶锥角为150°。
为了验证本发明的技术效果，现在相同的输入频率条件下，以与实施例1的开槽变幅杆6同尺寸的普通阶梯型变幅杆作为对比，验证本发明的开槽变幅杆6对纵振动的放大效果。
调整换能器7的输入频率为20kHz，普通阶梯型变幅杆系统的谐振频率为20236Hz，在谐振频率处辐射面的纵位移为0.598μm。参见图5系统振型图和图6纵位移曲线图。
本发明实施例1经开槽变幅杆6放大产生的谐振频率为18298Hz，在谐振频率处辐射面的纵位移为11.162μm，参见图7系统振型图和图8纵位移曲线图。由图7、8与图5、6对比可见，本发明的开槽变幅杆6可以把机械振动的振幅放大，而且放大倍数是普通阶梯型变幅杆放大倍数的10倍以上，呈数量级放大，振幅明显增大。
由于超声振动雾化技术直接利用超声振动雾化金属，制备的金属粉末的粒度与振幅成反比，因此，本发明的螺旋开槽变幅杆6、换能器7和工具头等构成的超声振动雾化装置制备的金属粉末的粒度较细，球形度较好。

Claims (8)

1.一种大振幅超声球形金属粉末的制备装置，包括罐体(1)，将罐体(1)内腔自上而下分为熔融室(2)和雾化室(3)，熔融室(2)内设置有熔炉(4)，熔炉(4)的金属液排出管延伸至雾化室(3)内，在雾化室(3)的侧壁上开设有连接惰性气体管道的进气口和连接抽真空装置的出气口，在雾化室(3)的底部设置有粉末出口；其特征在于，在雾化室(3)内设置有支架(9)以及安装在支架(9)上并与超声波发生器(8)连接的换能器(7)以及沿换能器(7)的纵振动输出轴设置的开槽变幅杆(6)、与开槽变幅杆(6)输出端连接的伞状工具头(5)，伞状工具头(5)的伞顶与金属液排出管的出液口正对；
所述开槽变幅杆(6)是由振动输入段和振动输出段组合形成阶梯型变幅杆结构；所述振动输入段包括至少1节开槽圆管，开槽圆管是在两端封闭的空心管管壁上沿周向开设有4条相互平行的螺旋槽；利用螺旋槽与阶梯型结构耦合实现开槽变幅杆(6)的机械振动质点位移放大。
2.根据权利要求1所述的大振幅超声球形金属粉末的制备装置，其特征在于，所述开槽圆管的4个螺旋槽的起点在同一圆周上，且在管壁上均匀分布，螺旋槽的起始端和终端距开槽圆管的两端头间距相等，螺旋槽的槽宽为1～15mm，螺旋升角为15～70°，螺距为50～200mm。
3.根据权利要求2所述的大振幅超声球形金属粉末的制备装置，其特征在于，所述开槽圆管是1～5节，且沿着振动输入方向，各节开槽圆管的直径递减。
4.根据权利要求3所述的大振幅超声球形金属粉末的制备装置，其特征在于，一节开槽圆管与相邻一节开槽圆管的直径差为1～8mm。
5.根据权利要求1所述的大振幅超声球形金属粉末的制备装置，其特征在于，所述开槽变幅杆(6)的振动输出段和振动输入段的长度比为1：1～1：5。
6.根据权利要求1～5任一项所述的大振幅超声球形金属粉末的制备装置，其特征在于，所述换能器(7)是由依次设置的前盖板、压电晶堆和后盖板组成；所述压电晶堆是由多片压电陶瓷片层叠压合而成，加电压1v；压电晶堆的正负极与超声波发生器(8)电连接。
7.根据权利要求6所述的大振幅超声球形金属粉末的制备装置，其特征在于，所述伞状工具头(5)的伞顶锥角为120～150°。
8.一种大振幅超声球形金属粉末的制备方法，其特征在于，利用权利要求1所述的大振幅超声球形金属粉末的制备装置实现，具体由以下步骤组成：
(1)将雾化室(3)抽真空后通入惰性气体；
(2)利用超声波发生器(8)驱动换能器(7)工作，激励换能器(7)产生纵向伸缩振动，纵向伸缩振动作用于开槽变幅杆(6)，通过开槽变幅杆(6)的开槽圆管管壁上沿周向开设的4条相互平行的螺旋槽产生放大作用，输出振幅较大；
(3)熔炉(4)的金属熔液流至伞状工具头(5)并在伞状工具头(5)的伞顶上形成薄液层，薄液层在超声振动作用下激起表面张力波，当振动面的振幅达到20μm以上时，液滴从波峰上飞出而成金属雾，在重力作用下沉降在雾化室(3)的底部，收集得到球形金属粉末。
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