CN108465822A - 一种球形金属粉末的制备方法和制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球形金属粉末制备装置，包括气缸缸体、保温层、活塞、振动筛和充气阀门和排气阀门，其中，保温层包裹在缸体外部；活塞安装在缸体中，能够在缸体中往复运动，活塞顶部设有凹槽，活塞内部设有中空管路，该中空管路上端连接凹槽；所述充气阀门安装在缸体上，一端接外部惰性气体源，一端与缸体内腔连通；所述排气阀门安装在缸体上，一端与缸体内腔连通，一端通到缸体外部；缸体上部设有粉末加注口；钢体下部设有出料口，所述中空管路下端可与缸体上的出料口连通。本发明针对现有球形金属粉末制备领域存在的一些问题，提供了一种结构简单、制备成本低的球形金属粉末制备装置，制备效率高，生产出的球形金属粉末产品质量优良。

Description

一种球形金属粉末的制备方法和制备装置

技术领域

本发明属于球形金属粉末的制备技术领域，具体来说涉及一种球形金属粉末的制备方法和制备装置。

背景技术

随着金属注射成型和增材制造技术的发展，球形金属粉末在零部件快速制造、样品快速成型、异形零件制造等领域有了越来越广泛的应用。金属注射成型和增材制造领域对金属粉末的流动性有苛刻的要求，不规则的金属粉末因流动性差和松装密度小而无法应用。而球形金属粉末具有良好的流动性和松装密度，因而在这些领域应用广泛。

可制备球形金属粉末的金属和合金种类较多，有熔点较高的金属，如钛、锆、铁、铜等，也有熔点较低的金属，如铅、铝、锡、银、锡铅合金等。通常，制备球形金属粉末的技术有气雾化法、等离子旋转雾化法等。气雾化法一般是利用高速喷射的气流，将液态金属流破碎成细小的液滴，然后在收集器内冷凝而得到超细球形金属粉末。等离子旋转电极雾化法是将金属或合金制成自耗电极，电极端面受电弧加热而熔化为液体，通过电极高速旋转的离心力将液体抛出并粉碎成细小液滴，最后冷凝成球形金属粉末的制备方法。

等离子旋转电极雾化法生产的球形金属粉末，细粉的收得率较低；而气雾化法由于使用高速气流冲击熔融的金属液体，气体会充入部分液滴，形成较多空心球，不利于成型件质量。而且，目前的球形金属粉末的制备方法工艺复杂，设备昂贵，生产成本高。

针对现有球形金属粉末制备领域存在的一些问题，本发明专利提供了一种结构简单、制备成本低的球形金属粉末制备方法和装置。

本发明的技术原理是：系统与外界没有热交换的过程被称为绝热过程，绝热过程是为了便于分析和计算而进行的抽象和简化。当过程进行较快，工质与外界交换的热量较少时也可以近似看做是一种绝热过程。根据理想气体的状态方程和绝热过程，可以得出各状态参数的关系为：

和

T1、T2代表变换前后的热力学温度，P1、P2代表变换前后的压强、V1、V2代表变换前后的体积，k为绝热指数。当系统中的气体被绝热压缩时，温度和压强升高；当系统中的气体被绝热膨胀时，温度和压强降低。而使物质由气态变为液态的最高温度叫临界温度。每种物质都有一个特定的温度，在这个温度以上，无论怎样增大压强，气态物质都不会液化，这个温度就是临界温度。也就是说在临界温度以上可以任意压缩气体而不致使其成为液态。

空调的制冷和制热技术就是应用了这一原理，空调室外机用于压缩空气，其产生的热量通过冷凝器和风扇散发出去，而室内机的蒸发器用于气体蒸发膨胀而获得低温。在本发明中，温度升高用以加热形状不规则的金属粉末形成小液滴；而温度的降低用以冷却液滴，使金属熔液凝固。

发明内容

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种球形金属粉末制备装置，包括气缸缸体、保温层、活塞、振动筛充气阀门和排气阀门，其特征在于：其中，保温层包裹在缸体外部；活塞安装在缸体中，能够在缸体中往复运动，活塞顶部设有倾斜凹陷的凹槽，活塞内部设有中空管路，该中空管路上端连接凹槽；所述气充气阀门安装在缸体上，一端接外部惰性气体源，一端与缸体内腔连通；所述排气阀门安装在缸体上，一端与缸体内腔连通，一端通到缸体外部；缸体上部设有粉末加注口；钢体下部设有出料口，所述中空管路下端可与缸体上的出料口连通。

所述的装置，其中：还包括振动筛，振动筛安装在缸体内上部。

所述的装置，其中：还包括辅助加热单元，该辅助加热单元设置在缸体外壁上，外部覆盖保温层。

所述的装置，其中：所述辅助加热单元是螺旋形环绕在缸体外壁上的加热丝，外部覆盖保温层。

所述的装置，其中：粉末加注口设置在缸体顶部，加注口设有阀门。

所述的装置，其中：出料口为倾斜布置的直管，其设置角度与中空管路末端设置角度一致。

一种球形金属粉末制备装置，包括气缸缸体、保温层、活塞、振动筛、充气阀门和排气阀门，其中，保温层包裹在缸体外部；活塞安装在缸体中，能够在缸体中往复运动，活塞顶部设有倾斜凹陷的凹槽，活塞内部设有中空管路，该中空管路上端连接凹槽；所述充气阀门安装在缸体上，一端接外部惰性气体源，一端与缸体内腔连通；所述排气阀门安装在缸体上，一端与缸体内腔连通，一端通到缸体外部；缸体上部设有粉末加注口；所述缸体内壁中设有螺旋状腔管，中空管路下端可与腔管上端连通，腔管下端接出料口，所述出料口设置在缸体下部。

所述的装置，其中：缸体包括上缸体和下缸体，上缸体与下缸体之间设置有隔热层。

所述的装置，其中：还包括振动筛，振动筛安装在上缸体内上部。

所述的装置，其中：还包括辅助加热单元和冷媒蒸发管道，其中辅助加热单元安装在上缸体上，冷媒蒸发管道安装在下缸体上，保温层覆盖加热单元和冷媒蒸发管道。

所述的装置，其中：所述辅助加热单元是螺旋形环绕在缸体外壁上的加热丝。

所述的装置，其中：冷媒蒸发管道螺旋盘绕在下缸体外壁上。

所述的装置，其中：冷媒蒸发管道外接液态冷媒传输毛细管。

所述的装置，其中：粉末加注口设置在缸体顶部，加注口设有阀门。

所述的装置，其中：还包括测温装置，用于测量缸体内的温度，并传输温度信号。

所述的装置，其中：还包括气压传感器，用于测量缸体内的气压，并传输气压信号。

所述的装置，其中：还包括控制系统。

所述的装置，其中：螺旋管腔中设有多个凸起。

所述的装置，其中：还包括金属粉末收集装置，所述金属粉末收集装置包括密闭本体，本体具有空心腔体，本体上设有连接管，一端与本体相连，并与本体内腔连通，本体的内腔设有筛片，将内腔分为上下两部分，其中上部分与蛇形金属蛇形管连通。

一种球形金属粉末制备方法，采用球形粉末制备装置制备球形粉末，包括如下步骤：

排气阀门打开；

活塞移动到气缸顶部，排出绝大部分空气；

排气阀关闭；

活塞下移到出料口上部，闭锁出料口；

将惰性气体通过气体阀门充入到气缸腔体内，当缸内压力略大于标准大气压时，打开排气阀，继续排出空气；

空气排空后，关闭排气阀，密闭腔体；

继续通过气体阀门向腔体内充入惰性气体，达到预定压力后关闭充气阀门，停止充气；

控制活塞向上运行，压缩气缸腔体内的惰性气体，气体温度升高，当活塞上升到一定高度，气体温度达到预定温度值，控制振动筛开始工作，将普通金属粉末通过粉末加注口喷洒到气缸腔体中，形成金属粉雾；

普通金属粉末在高温气体中融化成金属小液滴，小液滴在重力作用下向下方运动，同时在表面张力的作用下，小液滴变成球形；

控制活塞迅速向下方运动，使腔体内的惰性气体迅速膨胀，气体温度迅速降低，小球形金属液滴快速冷却，表面迅速凝固，形成球形金属粉末；

当活塞运动到出料位置，即出料口与缸体内腔的接口正对中空管路末端开口时，球形金属粉末通过出料口排出腔体。

所述的方法，其特征在于所述设备是如之一所述的设备。

一种球形金属粉末制备方法，采用球形粉末制备装置制备球形粉末，包括如下步骤：

排气阀门打开；

活塞移动到气缸顶部，排出绝大部分空气；

排气阀关闭；

活塞下移到出料口上部，闭锁出料口；

将惰性气体通过气体阀门充入到气缸腔体内，当缸内压力略大于标准大气压时，打开排气阀，继续排出空气；

空气排空后，关闭排气阀，密闭腔体；

继续通过充气阀门向腔体内充入惰性气体，达到预定压力后关闭充气阀门，停止充气；

控制活塞向上运行，压缩腔体内的惰性气体，气体温度升高，当活塞上升到一定高度，气体温度达到预定温度值，控制振动筛开始工作，将普通金属粉末通过筛孔喷洒到气缸腔体中，形成金属粉雾；

普通金属粉末在高温气体中融化成金属小液滴，小液滴在重力作用下向下方运动，同时在表面张力的作用下，小液滴变成球形；

控制活塞迅速向下方运动，使腔体内的惰性气体迅速膨胀，气体温度迅速降低，小球形金属液滴快速冷却，表面迅速凝固，形成球形金属粉末；

当活塞运动到出料位置，即使得腔管上端开口与活塞的中空管路下开口对齐时，球形金属粉末通过腔管排出腔体。

所述的方法，其中：

球形金属粉末在排出的过程中，控制系统控制充气阀向缸体中充入惰性气体，降低缸体内的温度，球形金属粉末在螺旋腔管中高速运动，相互碰撞，同时与腔管中不规则半球体碰撞，使粘连的球体分离。

所述的方法，其中：

控制系统控制冷媒从毛细管传入冷媒蒸发管道，以进一步使得缸体壁获得低温，使在腔管中运动的球形金属粉末迅速冷却。

所述的方法，其中所述设备是如上之一所述的设备。

附图说明

图1为球形金属粉末制备装置实施方式1剖面示意图；

图2为球形金属粉末制备装置实施方式1俯视图；

图3为球形金属粉末制备装置实施方式2剖面示意图；

图4为辅助加热单元与缸体位置关系示意图；

图5为腔管形状示意图；

图6为粘连的球形粉末微观图形；

图7为控制系统结构示意图

图8为球形金属粉末收集装置结构示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，该球形金属粉末制备装置包括竖式气缸缸体1；保温层2；活塞3；振动筛4；充气阀门5；辅助加热单元6；粉末加注口7；球形粉末出料口8；气压传感器9；测温热电偶10；排气阀11。

其中，竖式气缸缸体1作为球形金属粉末制备装置的主体，保温层2覆盖在缸体1外壁，用于给缸体保温；活塞3安装在气缸缸体1中，能够在气缸缸体1中往复运动，用来压缩和扩张气缸内气体，以获得高温气体和低温气体，活塞顶部3中间设有倾斜凹陷的凹槽，用以收集金属粉末，活塞内部设有一个中空管路，该中空管路一端连接凹槽，一端连接缸体1侧壁上球形粉末出料口8，用以将收集的球形金属粉末输出；振动筛4安装在在缸体1内上部，其高频振动能够将金属粉末通过孔隙喷洒到缸体1内腔中，在缸体内部形成金属粉雾；充气阀门5，安装在缸体1上部的侧壁上，其外端接惰性气体源，内端与缸体1连通，用以向缸体中充灌惰性气体；辅助加热单元6设置在缸体1侧壁上，优选的该辅助加热单元6可以是螺旋形环绕缸体1外壁的加热丝，外部覆盖保温层2，在制备熔点高的球形金属粉末时，用以对缸体1内的气体进行辅助加热；粉末加注口7设置在缸体1顶部，可通过该口向振动筛添加粉末，加注口7设有阀门，加料时打开阀门，不添加粉末时，该加料口阀门是关闭的；球形粉末出料口8，设置在缸体下部的侧壁上，整体形状为斜管形，用以将球形粉末输出，该出料口8与缸体1内腔连通，且其设置角度与中空管路末端设置角度一致，出料口8与缸体内腔的接口可正对中空管路末端开口；气压传感器9从缸体外壁插入缸体内腔，用于测量和传输缸内气压；测温热电偶10缸体外壁插入缸体内腔，用于测量缸内温度；排气阀11安装在缸体顶部，用于排出缸内空气。

所述制备装置还包括控制系统，用于对球形金属粉末制备装置制备球形金属粉末的过程进行控制。该控制系统包括处理器，排气控制单元、电动筛控制单元、辅助加热控制单元、惰性气体充气控制单元、热电偶测温单元、气压传感器。其中排气控制单元、电动筛控制单元、辅助加热控制单元、惰性气体充气控制单元、热电偶测温单元、气压传感器均与处理器相连。处理器控制排气控制单元对排气阀11的开闭进行控制，以排出气缸内空气；处理器控制电动筛控制单元对振动筛4的振动工作进行控制，以形成金属粉雾；处理器控制辅助加热以控制辅助加热单元工作，对缸体进行加热或停止加热；处理器控制惰性气体充气控制单元对惰性气体源进行控制，以经由气体单向阀5向气缸注入惰性气体；处理器根据热电偶测温单元、气压传感器传输的信号获得气缸内温度和气压。

下面对球形金属粉末的制备方法进行说明。如图1所示，工作时，预先通过粉末加注口7加注普通金属粉末，加注后的普通金属粉末被振动筛的筛片承载；排气阀11打开，活塞3移动到气缸顶部，排出绝大部分空气；排气阀11关闭，密闭缸体；活塞下移到球形粉末出料口8上部，封闭出料口，同时通过充气阀5向缸内充注惰性气体；当控制系统检测到缸内气压略大于大气压时，排气阀11打开，继续排出空气。由于使用的惰性气体(一般使用氩气)的密度远远大于空气，而排气阀在气缸顶部，空气会被逐步排出。根据实测，一般在常压下充入的氩气含量为缸体容积的4-6倍时，可以认为排空空气,空气排空后，关闭排气阀11。

惰性气体继续通过充气阀5充入腔体，达到一定压力后停止充气，关闭充气阀门5；控制活塞3向上运行，压缩腔体内的惰性气体，气体因为受到压缩导致内能增大；因为气缸缸体外壁被保温材料包裹，本过程可以看作是绝热过程，气体温度升高；当活塞3上升到一定高度，气体温度达到预定温度值，控制振动筛4开始工作，将普通金属粉末通过振动筛上的筛孔喷洒到气缸腔体中，形成金属粉雾；普通金属粉末在高温气体中融化成金属小液滴，小液滴在重力作用下向下方运动，同时在表面张力的作用下，小液滴变成球形；活塞3迅速向下方运动，使腔体内的惰性气体迅速膨胀，气体内能减小，导致温度迅速降低，小球形金属液滴快速冷却、凝固，形成球形金属粉末；当活塞3运动到出料位置，即出料口8与缸体内腔的接口正对中空管路末端开口时，球形金属粉末通过出料口8排出腔体。

该方案进一步优化为：根据金属熔点的不同，控制充入腔体中气体的质量和压力。

该方案进一步优化为：根据金属熔点的不同，控制是否对腔体进行加热、加热的功率、加热时间和加热温度。

该方案进一步优化为，对金属粉末的材料类型、粒度的不同，系统根据实验结果形成参数方案，该方案用于控制气缸内充气的压力、加热的功率和加热时间、振动筛喷洒的时间等参数。

以上对本发明实施方式1的技术方案进行了说明，为了提高球形粉末的生产质量和生产效率，本发明还对实施方式1作了进一步的改进，下面对改进后的实施方式2的技术方案进行说明。

如图3-7所示，实施方式2的球形金属粉末制备装置包括：竖式气缸缸体1；保温层2；活塞3；振动筛4；充气阀门5；辅助加热单元6；粉末加注口7。

其中，竖式气缸缸体1作为球形金属粉末制备装置的主体，保温层2覆盖在缸体1外侧，用以给缸体保温；活塞3安装在气缸缸体1中，能够在气缸缸体1中往复运动，用来压缩和扩张气缸内气体，以获得高温气体和低温气体，活塞顶部3中间设有倾斜凹陷的凹槽，用以收集金属粉末，活塞内部设有一个中空管路，该中空管路一端连接凹槽，一端连接缸体1侧壁上的管腔的上开口，用以将收集的球形金属粉末输出；振动筛4安装在缸体1内上部，其高频振动能够将金属粉末通过孔隙喷洒到缸体1内腔中，在缸体内部形成金属粉雾；充气阀门5，安装在缸体1上部的侧壁上，其外端接惰性气体源，内端与缸体1连通，用以向缸体中充灌惰性气体；辅助加热单元6设置在缸体1侧壁上，优选的该辅助加热单元6可以是螺旋形环绕缸体1外壁的加热丝，在制备熔点高的球形金属粉末时，用以对缸体1内的气体进行辅助加热；粉末加注口7设置在缸体1顶部，可通过该口向振动筛添加粉末，加注口7设有阀门，加料时打开阀门，不添加粉末时，该加料口阀门是关闭的；排气阀门11安装在缸体顶部，一端与缸体内腔连通，一端通到缸体外部。

如实施方式1所述，当处于熔融状态的液滴在降落的过程中，如果冷却速度不够快，就不能迅速使球形液滴表面迅速凝固，在其碰撞过程中就可能发生粘连，为克服这一问题，与实施方式1不同的是，实施方式2用滚磨冷却腔管13代替了直管形的球形粉末出料口8。如图5所示，腔管13为螺旋状，设置在缸体1的侧壁中，腔管13上端开口可与中空管路下开口对齐，腔管13下端开口为出料口8，设置在缸体1下部，收集的粉末在高压气体的作用下可以在管腔中高速运动；优选的，管腔内壁设置有大量不规则的突起，如不规则半球体，如图5中放大图所示，可造成高速运动颗粒的不规则运动，用以分离如图6所示的粘连的金属球，形成质量更高的球形金属粉末。

缸体1包括独立的上缸体和下缸体，上缸体与下缸体之间设置有隔热层14，隔热层的材料可以是陶瓷纤维、硅化物纤维等。隔热层将缸体1分隔成两部分，即上部的高温部分和下部的低温部分，辅助加热单元6安装在上缸体上，安装方式与实施方式1相同；在下缸体上设置有冷媒蒸发管道14，用以获得低温，为球形金属粉末降温，防止球形金属粉末出料后接触空气氧化，该冷媒蒸发管道14螺旋盘绕在下缸体外壁上，由保温层2所覆盖，冷却装置14用于在排出金属粉末时是对下缸体进行冷却，进而冷却金属粉末。冷媒蒸发管道14外接液态冷媒传输毛细管12，用以将液态冷媒传输给蒸发管，冷媒在冷媒蒸发管14中蒸发，获得低温冷却缸壁。

球形金属粉末制备装置还包括测温装置10，其可为测温热电偶，从缸体1外壁插入气缸腔体内，测量腔体内的温度，并把温度信号转换成电信号传送给控制系统。所述球形金属粉末制备装置还包括气压传感器，通过管道与缸体1连接，用以测量缸体内的实时气压，并将气压信号转换成电信号传送给控制系统。

所述制备装置还包括控制系统，该控制系统包括处理器，排气控制单元、电动筛控制单元、冷媒控制单元、辅助加热控制单元、惰性气体充气控制单元、热电偶测温单元、气压传感器。其中排气控制单元、电动筛控制单元、冷媒控制单元、辅助加热控制单元、惰性气体充气控制单元、热电偶测温单元、气压传感器均与处理器相连。处理器控制排气控制单元对排气阀11的开闭进行控制，以排出气缸内空气；处理器控制电动筛控制单元对振动筛4的振动工作进行控制，以形成金属粉雾；处理器控制辅助加热控制单元以控制辅助加热单元工作，对缸体进行加热或停止加热；处理器控制惰性气体充气控制单元对惰性气体源进行控制，以经由气体单向阀5向气缸注入惰性气体；处理器控制冷媒控制单元对冷媒源进行控制，以经由液态冷媒传输毛细管12冷凝蒸发管道14注入冷媒，以实现对下部缸体的冷却；处理器根据热电偶测温单元、气压传感器传输的信号获得气缸内温度和气压。

下面对球形金属粉末的制备方法进行说明。如图3所示，工作时，预先通过粉末加注口7加注普通金属粉末，加注后的普通金属粉末被振动筛的筛片承载；排气阀11打开，活塞3运行到缸体顶部，通过排气阀11排出绝大部分空气；排气阀关闭，密闭气缸；活塞向下运行到上缸体充气阀门5下方位置；充气阀门5打开，惰性气体通过单向阀充入腔体，达到一定压力后停止充气，关闭阀门5；活塞3向上运行。

压缩腔体内的惰性气体，气体因为受到压缩导致内能增大；因为气缸腔体外壁被保温材料包裹，本过程可以看做是绝热过程，气体温度升高；当活塞3上升到一定高度，气体温度达到预定温度值，控制系统接收测温单元10测量到的温度信号，当达到所需温度时，控制活塞3停止向上运动，控制振动筛4开始工作，将普通金属粉末通过筛孔喷洒到气缸腔体中，形成金属粉雾；普通金属粉末在高温气体中融化成金属小液滴，小液滴在重力作用下向下方运动，同时在表面张力的作用下，小液滴变成球形；活塞3迅速向下方运动，使腔体内的惰性气体迅速膨胀，气体内能减小，导致温度迅速降低，小球形金属液滴快速冷却、凝固，形成球形金属粉末；当活塞3运动到出料位置，即使得腔管13上端开口与活塞3的中空管路下开口对齐时，球形金属粉末通过腔管13排出腔体。

球形金属粉末在排出的过程中，控制系统控制惰性气体充气阀5向缸体中充入惰性气体，以降低缸体内的温度，球形金属粉末在螺旋腔管13中高速运动，相互碰撞，同时与腔管中不规则半球体碰撞，使粘连的球体分离；控制系统控制冷媒从毛细管12传入冷媒蒸发管道，以进一步使得缸体壁获得低温，使在腔管13中运动的球形金属粉末迅速冷却，防止与空气接触时氧化。

虽然已经采取了各种措施以提高球形金属粉末的制备质量，但是仍然有可能出现粘连等不规则形状的杂质，为了进一步提高质量，本发明还提供一种球形金属粉末收集装置，如图8所示，该装置包括密闭本体15，本体15具有空心腔体，本体15上设有连接管16，该连接管16可为蛇形金属蛇形管，一端与本体15相连，并与本体15内腔连通，本体15的内腔设有筛片17，将内腔分为上下两部分，其中上部分与蛇形金属蛇形管16连通，工作时，将连接管16与球形粉末出料口连接，球形金属粉末在排出时，先经由连接管16进入收集装置内腔上部分，落到筛片17上，符合要求的粉末经由筛片筛孔落下，进入内腔下部，而出现粘连等不规则形状的杂质由于粒径大于筛片孔径，因此被筛片17有效拦截，最后，符合规定的球形金属粉末可由内腔下部的可开合出料口(图中未示出)取出。

该方案进一步优化为：根据金属熔点的不同，控制充入腔体中气体的质量和压力。

该方案进一步优化为：根据金属熔点的不同，控制是否对腔体进行加热,以及加热的功率、加热时间和加热温度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种球形金属粉末制备装置，包括气缸缸体、保温层、活塞、振动筛、充气阀门和排气阀门，其特征在于：保温层覆盖在缸体外壁；活塞安装在缸体中，活塞顶部设有凹槽，活塞内部设有中空管路，该中空管路上端连接凹槽；所述充气阀门安装在缸体上，一端接外部惰性气体源，另一端与缸体内腔连通；所述排气阀门安装在缸体上，一端与缸体内腔连通，一端通到缸体外部；缸体上部设有粉末加注口；缸体下部设有出料口，所述中空管路下端可与缸体上的出料口连通。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括振动筛，振动筛安装在缸体内上部。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：粉末加注口设置在缸体顶部，加注口设有阀门。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：出料口为倾斜布置的直管，其设置角度与中空管路末端设置角度一致。