CN108031853A - 一种3d打印用复合粉体的制备装置和制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于粉末冶金技术领域，公开一种3D打印用复合粉体的制备装置和制备方法，采用气体雾化法和喷射成型技术，包括：设置液体金属原料的供给装置，供给装置上设有喷射管；设置与供给装置配套的喷射台，喷射管贯通嵌设于喷射台中；设置用于提供粉体材料的送料装置；在送料装置和喷射台之间设置气体混合装置，气体混合装置上具有惰性气体送入通道，送料装置提供的粉体材料经过气体混合装置后可与惰性气体混合均匀成悬浮物，悬浮物最终被送入喷射台中对喷出的金属液滴进行击碎；在喷射管出口对应位置设置用于冷却被击碎的液体金属的旋转水冷台。通过设置电动螺旋传送装置和气体混合装置使惰性气体和粉体材料进行均匀混合，得到的复合粉体成分均匀。

Description

一种3D打印用复合粉体的制备装置和制备方法
技术领域
本发明涉及粉末冶金技术领域，具体地，涉及一种3D打印用复合粉体的制备装置和制备方法。
背景技术
3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用金属粉末或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的快速成形技术，已经成为全球最关注的新兴技术之一，尤其在航空航天、汽车等高技术领域及国防装备建设中具有重要的应用和发展前景。
用于3D打印的金属粉末的相关性能，如成分、夹杂、物理性能等，对最终产品的影响较大。有研究指出，如果使用的是低质量的金属粉末，即使使用最好的3D打印装置和工艺，最好的工艺控制技术，仍然不能获得高质量的产品。虽然目前市面上可用于3D打印的金属粉末已有10 多种，包括Ni 基高温合金、Ti 合金以及不锈钢、Co-Cr 合金等，但大多处于实验水平，无法实现商业化大批量生产。
国内较成熟的研究主要集中在3D打印软件配套以及3D打印装备等，而所使用的打印材料也大多依赖进口，价格昂贵，致使生产成本提高，大大限制了3D 打印技术在我国的应用及推广。
目前国内的复合粉体材料制备方法有雾化法、共沉淀法、粉末冶金法、机械合金化法、等离子体烧结法以及自蔓延高温合成法。这些方法所涉及的设备结构相对复杂、成本高，然而制得的复合粉体仍然成分不均匀。
气体雾化法是粉末冶金工业中应用最成熟、用量最大的粉末生产方法，也是粉末冶金零件制造用粉末的基础，其制备过程中避免了熔融金属与空气的直接接触，一直被视为制备低氧含量、低杂质含量、高球形度等高端金属粉末的有效途径。
喷射成形技术最早是基于节能、低消耗、低成本的目的而发展起来的一种材料快速凝固新技术，其原理是将液态金属或合金在惰性气氛中雾化，形成液滴喷射流，直接喷射在水冷的基板上，经过撞击、聚结，凝固而形成的沉积物，这种沉积物可以呈现粉体状态。
发明内容
本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种操作简单、可获得均匀成分复合粉体的3D打印用复合粉体的制备装置和制备方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种3D打印用复合粉体的制备方法，采用气体雾化法和喷射成型技术，包括：
设置液体金属原料的供给装置，所述供给装置上设有喷射管；
设置与供给装置配套的喷射台，所述喷射管贯通嵌设于喷射台中；
设置用于提供粉体材料的送料装置；
在送料装置和喷射台之间设置气体混合装置，气体混合装置上具有惰性气体送入通道，送料装置提供的粉体材料经过气体混合装置后可与惰性气体混合均匀成悬浮物，悬浮物最终被送入喷射台中对喷射管喷出的液体金属液滴进行击碎；
在喷射管出口对应位置设置用于冷却被击碎的液体金属的旋转水冷台。
进一步地，所述液体金属原料包括Al85～95份、Cu1～4份、Zn0.01～5份、Mn0.1～1份、Ti0.1～2份、K0.1～1份、Cr0.01～1份、Ta0.01～1份、Ni0.01～1份。
更进一步地，所述粉体材料为玄武岩和/或硬质粉体材料。
具体地，所述制备过程为：
S1.熔炼：将Al加热升温熔化至液态，在750℃至850℃范围内加入Cu、Zn、Mn、Ti、Cr、Ta、Ni合金化元素，并不断搅拌形成成分均匀化的液体金属，并在850℃温度下保温15～25min，随后转移至供给装置中；
S2.配料：将粉体材料加入到送料装置中充分混合；
S3.固气混合：送料装置中的粉体材料被送入气体混合装置中，粉体材料和惰性气体在气体混合装置中均匀混合成为悬浮物,悬浮物压力为1～6 MPa、温度在-190～10℃；
S4.喷射沉积：悬浮物被传送至喷射台，并对供给装置喷射管喷出的液体金属液滴进行击碎、雾化和冷却，旋转水冷台对被击碎的液体金属液滴进一步冷却，最终得到复合粉体。
一种3D打印用复合粉体的制备装置，包括液体金属原料的供给装置、喷射台和至少一个送料装置，所述供给装置底部设有喷射管，喷射台上设有喷射通孔，所述供给装置的喷射管嵌插在喷射通孔内，所述喷射管出口对应位置设有用于冷却被击碎的液体金属的旋转水冷台；还包括内部通有惰性气体的气料输送管，所述气料输送管途经送料装置后终端与喷射台相接，在送料装置与喷射台之间的气料输送管中部还设有气体混合装置。
本发明中加入的粉体材料为适合采用气体雾化法和喷射成型操作的粉体材料。
进一步地，多个所述送料装置提供的粉体材料最终汇聚在一个混料筒内后再送入气料输送管。
进一步地，所述送料装置包括储料罐、电动螺旋输送装置，置于储料罐内的粉体材料可在电动螺旋输送装置的螺旋传送作用下进入气料输送管。
更进一步地，所述送料装置还包括与电动螺旋输送装置的端部相接的手动传送装置。
进一步地，所述送料装置或混料筒与气料输送管之间还设有控料阀对粉体材料的流量进行调节。
进一步地，还包括可对旋转水冷台上的复合粉体进行进一步冷却和吹扫的吹扫装置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1）通过设置气体混合装置对惰性气体和粉体材料进行均匀混合，以实现最终得到的复合粉体成分均匀；
2）旋转水冷台可有效保证喷射至其上的混合有粉体材料的液体金属迅速成型成粉末状态；
3）电动螺旋输送装置一方面可使粉体材料的送入气料输送管的速度可控，另一方面还可根据需要合理配置多个送料装置中多种粉体材料的加入比例；
4）通过操作控料阀可对粉体材料的流量进行有效且精准的调控；
5）吹扫装置的设置，可对喷射管喷射至旋转水冷台上成型的复合粉体进一步冷却，同时还可对旋转水冷台上的复合粉体进行吹扫收集，以避免复合粉体在旋转水冷台上堆积过多时产生相互粘结；
6）手动传送装置可在电动传送装置的电动功能失效时，通过手动操作同样可使粉体材料送入气料输送管；
7）所述制备装置操作简便快捷、制备得到的复合粉体成分均匀，是优质的3D打印用复合粉体。
附图说明
图1为所述3D打印用复合粉体制备装置的结构示意图；
图2为所述手动传送装置与电动传送装置的局部连接示意图；
图3为所述气体混合装置的结构示意图；
图4本实施例的3D打印用复合粉体材料的SEM图（100倍）；
图5为本实施例的3D打印用复合粉体材料的SEM图（200倍）。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例
如图1～2所示，提供一种3D打印用复合粉体的制备装置，包括液体金属原料的供给装置1、喷射台2和至少一个送料装置，供给装置1底部设有喷射管11，喷射台2上设有喷射通孔，供给装置1的喷射管11嵌插在喷射通孔内，喷射管11出口对应位置设有用于冷却被击碎的液体金属的旋转水冷台4，喷射管11末端为喷嘴。
为使最终得到的粉体为复合粉体，需向供给装置1喷射出的金属原料中加入粉体材料，因此上述的制备装置还包括内部通有惰性气体的气料输送管5，气料输送管5途经送料装置后终端与喷射台2相接，这样一来，送料装置中可将粉体材料送入气料输送管5并被输送至喷射台2用于与金属原料结合，气料输送管5终端为喷嘴。
本发明中加入的粉体材料为适合采用气体雾化法和喷射成型操作的粉体材料。
本实施例的制备装置旨在制备成分均匀的复合粉体材料，为实现这一重要目的，可在送料装置与喷射台2之间的气料输送管5中部设置气体混合装置6，气体混合装置6如图3所示，即气料输送管5中部为胀大至具有较大混合空间的圆柱形结构，且在圆柱形结构的两端为球面封闭状，其中气料输送管5与圆柱形结构两端的连接处高度不同，即粉体从气料输送管5输送至气体混合装置6时气料输送管5在圆柱形结构底部连接，当粉体在圆柱形结构中和惰性气体混合均匀后输送至气料输送管终端时，气料输送管连接在圆柱形结构的顶部。
气体混合装置6充分利用了流体力学原理，进入到气体混合装置6中的粉体材料可被高压惰性气流搅拌混合成悬浮物，从而最终可均匀喷射至金属原料液滴中，为液滴提供更多的异质形核质点，同时液滴在高压惰性气体的激冷作用和旋转水冷台4的作用下，最终形成颗粒非常细小的复合粉体材料。
本实施例进一步提出制备多种粉体材料与金属原料复合的复合粉体，只需增设送料装置即可，不同的送料装置提供不同的粉体材料，当然因气料输送装置5在源源不断地输送悬浮物，为确保多种粉体材料最终在复合粉体材料中的均匀性，需使粉体材料在输送至气料输送管5中的步调一致，因此当存在多个送料装置时，其提供的多种粉体材料需先汇聚在一个混料筒7内后再送入气料输送管5。
具体地，送料装置包括储料罐31、电动螺旋输送装置32和电机33，其中电动螺旋输送装置32与电机33之间设有两级传动，其中与电机33相连的为通过两个皮带轮进行皮带传递34，与电动螺旋输送装置32相连的为齿轮啮合传动35，储料罐31设于电动螺旋输送装置32靠近两级传动的一端设置，电动螺旋输送装置32内部为传送螺杆，置于储料罐31内的粉体材料可在传送螺杆的传送作用下进入混料筒7。
通过调节电机33的转速，可灵活调控电动螺旋输送装置32输送粉体材料的速度，基于这一有利的设计，本实施例可实现合理配置多种不同比例的粉体材料的需求，即在同一时间段内，控制各粉体材料的送料速度，即可使各粉体的加入量不同，从而最终得到成分比例不同的复合粉体材料。
为避免电机33发生故障或电机关停时影响本实施例制备装置的粉体制备进程，电动螺旋输送装置32的端部还设有手动传送装置36，前述已提到电动螺旋输送装置32与电机33之间的两级传动，手动传送装置36即设置在控制齿轮啮合传动的皮带轮上，具体地，手动传送装置36为手轮，通过手动控制手轮也可方便快捷地往混料筒7中输送粉体材料。
混料筒7与气料输送管5之间还设有控料阀8对粉体材料的流量进行调节，控料阀8可为普通的流量控制阀，当粉体材料送入过快，将控料阀关小，当粉体材料送入过慢，则开大控料阀开度，当需暂停粉体材料的加入时，关停控料阀即可，控料阀的设置，使粉体材料的送入过程灵活可控。
为进一步保障旋转水冷台4上复合粉体的成型，本实施例的制备装置还设有可对旋转水冷台4上的复合粉体进行进一步冷却和吹扫的吹扫装置9。
吹扫装置9为内通入可对复合粉体进行冷却的气体的管道，具体冷却用气体可为高压惰性气体，其压力为1～6 MPa、温度在-190～10℃。
一方面，金属原料液滴从喷射管11中喷出时，瞬间被悬浮物和高压惰性气体共同击碎并沉积至旋转水冷台4上，旋转水冷台4内的水虽然持续处在循环状态，但沉积至旋转水冷台4上的复合粉体一层层加厚，旋转水冷台4的冷却作用有限，无法确保复合粉体的冷却彻底，此时吹扫装置9喷出的惰性气体为复合粉体的冷却进一步加码，另一方面还可将旋转水冷台4上沉积过多的复合粉体吹扫出旋转水冷台外，仅需在旋转水冷台4周围设置复合粉体的收集工具，即可实现复合粉体的自动吹扫收集，同时也避免复合粉体在旋转水冷台4上堆积过多时产生相互粘结。
本实施例的惰性气体均采用液氮，实用易得，本制备装置操作简单，具有较为广泛的实际应用价值。
实施例2
提供一种3D打印用复合粉体的制备方法，采用实施例1的设备，并配合气体雾化法和喷射成型技术，包括：
设置液体金属原料的供给装置，供给装置上设有喷射管；
设置与供给装置配套的喷射台，喷射管贯通嵌设于喷射台中；
设置用于提供粉体材料的送料装置；
在送料装置和喷射台之间设置气体混合装置，气体混合装置上具有惰性气体送入通道，送料装置提供的粉体材料经过气体混合装置后可与惰性气体混合均匀成悬浮物，悬浮物最终被送入喷射台中对喷射管喷出的液体金属液滴进行击碎；
在喷射管出口对应位置设置用于冷却被击碎的液体金属的旋转水冷台。
喷射管为内径为2～5mm的石墨管。
本实施例的液体金属原料包括Al85～95份、Cu1～4份、Zn0.01～5份、Mn0.1～1份、Ti0.1～2份、K0.1～1份、Cr0.01～1份、Ta0.01～1份、Ni0.01～1份。
粉体材料为玄武岩和/或硬质粉体材料，具体需加入多种粉体材料时，可分别加入SiO2含量不同的玄武岩，也可分别加入成分不同的硬质粉体材料，还可分别加入玄武岩和硬质粉体材料，硬质粉体材料具体可为WC、ZrO2、SiC、BN等。
本实施例中添加的粉体材料分别为磨成粉末的玄武岩和WC超细硬质粉体材料，其中玄武岩包括SiO21～7份、Al2O30.01～1份。
具体制备过程为：
S1.熔炼：将Al加热升温熔化至液态，在750℃至850℃范围内加入Cu、Zn、Mn、Ti、Cr、Ta、Ni合金化元素，并不断搅拌形成成分均匀化的液体金属，并在850℃温度下保温15～25min，随后转移至供给装置中；
S2.配料：将各粉体材料加入到送料装置中充分混合；
S3.固气混合：送料装置中的粉体材料被送入气体混合装置中，粉体材料和惰性气体在气体混合装置中均匀混合成为悬浮物，悬浮物压力为1～6 MPa、温度在-190～10℃；
S4.喷射沉积：悬浮物被传送至喷射台，并对供给装置喷射管喷出的液体金属液滴进行击碎、雾化和冷却，旋转水冷台对被击碎的液体金属液滴进一步冷却，最终得到复合粉体。
同时还设置有内通入惰性气体的管道作为吹扫装置，来对沉积至旋转水冷台上的复合粉体进一步冷却和吹扫收集，具体惰性气体的压力为1～6 MPa、温度在-190～10℃ ，可有效防止沉积的粉体材料聚集、粘结长大，确保获得更加细小均匀的复合粉体材料。
如图4和图5示出了本实施例制备得到的3D打印用复合粉体的电子扫描显像图。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3D打印用复合粉体的制备方法，其特征在于，采用气体雾化法和喷射成型技术，包括：
设置液体金属原料的供给装置，所述供给装置上设有喷射管；
设置与供给装置配套的喷射台，所述喷射管贯通嵌设于喷射台中；
设置用于提供粉体材料的送料装置；
在送料装置和喷射台之间设置气体混合装置，气体混合装置上具有惰性气体送入通道，送料装置提供的粉体材料经过气体混合装置后可与惰性气体混合均匀成悬浮物，悬浮物最终被送入喷射台中对喷射管喷出的液体金属液滴进行击碎；
在喷射管出口对应位置设置用于冷却被击碎的液体金属的旋转水冷台。
2.根据权利要求1所述的3D打印用复合粉体的制备方法，其特征在于，所述液体金属原料包括Al85～95份、Cu1～4份、Zn0.01～5份、Mn0.1～1份、Ti0.1～2份、K0.1～1份、Cr0.01～1份、Ta0.01～1份、Ni0.01～1份。
3.根据权利要求2所述的3D打印用复合粉体的制备方法，其特征在于，所述粉体材料为玄武岩和/或硬质粉体材料。
4.根据权利要求3所述的3D打印用复合粉体的制备方法，其特征在于，所述制备过程为：
S1.熔炼：将Al加热升温熔化至液态，在750℃至850℃范围内加入Cu、Zn、Mn、Ti、Cr、Ta、Ni合金化元素，并不断搅拌形成成分均匀化的液体金属，并在850℃温度下保温15～25min，随后转移至供给装置中；
S2.配料：将粉体材料加入到送料装置中充分混合；
S3.固气混合：送料装置中的粉体材料被送入气体混合装置中，粉体材料和惰性气体在气体混合装置中均匀混合成为悬浮物，悬浮物压力为1～6 MPa、温度在-190～10℃；
S4.喷射沉积：悬浮物被传送至喷射台，并对供给装置喷射管喷出的液体金属液滴进行击碎、雾化和冷却，旋转水冷台对被击碎的液体金属液滴进一步冷却，最终得到复合粉体。
5.一种3D打印用复合粉体的制备装置，其特征在于，包括液体金属原料的供给装置、喷射台和至少一个送料装置，所述供给装置底部设有喷射管，喷射台上设有喷射通孔，所述供给装置的喷射管嵌插在喷射通孔内，所述喷射管出口对应位置设有用于冷却被击碎的液体金属的旋转水冷台；还包括内部通有惰性气体的气料输送管，所述气料输送管途经送料装置后终端与喷射台相接，在送料装置与喷射台之间的气料输送管中部还设有气体混合装置。
6.根据权利要求5所述的3D打印用复合粉体的制备装置，其特征在于，多个所述送料装置提供的粉体材料最终汇聚在一个混料筒内后再送入气料输送管。
7.根据权利要求5或6所述的3D打印用复合粉体的制备装置，其特征在于，所述送料装置包括储料罐、电动螺旋输送装置，置于储料罐内的粉体材料可在电动螺旋输送装置的螺旋传送作用下进入气料输送管。
8.根据权利要求7所述的3D打印用复合粉体的制备装置，其特征在于，所述送料装置还包括与电动螺旋输送装置的端部相接的手动传送装置。
9.根据权利要求6所述的3D打印用复合粉体的制备装置，其特征在于，所述送料装置或混料筒与气料输送管之间还设有控料阀对粉体材料的流量进行调节。
10.根据权利要求5所述的3D打印用复合粉体的制备装置，其特征在于，还包括可对旋转水冷台上的复合粉体进行进一步冷却和吹扫的吹扫装置。
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