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:
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,其中图7A为不带冷媒控制单元的控制系统结构示意图;图7B为带冷媒控制单元的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。