CN108971505A - 一种金属粉末制备装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属粉末材料制备技术领域，公开了一种金属粉末制备装置及制备方法。该金属粉末制备装置包括：第一室，其内设有用于熔化金属的熔炼器；第二室；雾化系统，其包括均与第二室顶部连通的第一喷嘴和第二喷嘴，第一喷嘴与第二喷嘴均连接有气源，熔炼器的出口与第一喷嘴对应。本发明通过利用第一喷嘴喷出的气体将由熔炼器流出并进入第二室的金属熔体雾化，形成金属液滴，并与第一喷嘴喷出的气体换热形成金属粉末，第二喷嘴喷出的气体进入第二室后，形成能够抑制金属粉末回旋上升的气幕，从而降低了金属粉末与金属液滴的碰撞频率，减少了卫星粉的形成，进而解决了现有气体雾化工艺制备的金属粉末中存在卫星粉现象的问题。
Description
技术领域
本发明涉及金属粉末材料制备技术领域，尤其涉及一种金属粉末制备装置及制备方法。
背景技术
微细球形金属粉末是3D打印、注射成型等先进制造技术的原材料，气体雾化是制备微细球形金属粉末的重要方法。
但是，传统的气体雾化制粉设备和普遍采用的微细球形金属粉末气体雾化制备工艺流程普遍存在细粉收得率偏低的问题。例如，选区激光熔化工艺用金属粉末的粒径一般小于53微米，采用超音速气体雾化技术制备的铝合金粉末，该粒径区间的粉末收得率一般不高于30％。另外，气体雾化工艺制备的金属粉末中存在卫星粉现象，即细小粉末颗粒与较大粉末颗粒的粘附现象，卫星粉降低了粉末的球形度、流动性以及松装密度，影响了后续的粉末加工工艺性能以及粉末产品性能。
因此，亟需一种新型金属粉末制备装置及制备方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属粉末制备装置及制备方法，以解决现有气体雾化工艺制备的金属粉末中存在卫星粉现象的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种金属粉末制备装置，包括：
第一室，其内设有用于熔化金属的熔炼器；
第二室；
雾化系统，其包括均与第二室顶部连通的第一喷嘴和第二喷嘴，第一喷嘴与第二喷嘴均连接有气源，熔炼器的出口与第一喷嘴对应；
第一喷嘴喷出的气体将由熔炼器流出并进入第二室的金属熔体雾化，形成金属液滴，并与第一喷嘴喷出的气体换热形成金属粉末；
第二喷嘴喷出的气体进入第二室后，形成能够抑制金属粉末回旋上升的气幕。
作为优选，第一喷嘴还连接有加热器。
作为优选，流经第一喷嘴的气体质量流量与流经第二喷嘴的气体质量流量的比值为0.1-20。
作为优选，第一喷嘴为环孔式喷嘴或环缝式喷嘴，第二喷嘴为环孔式喷嘴、离散环缝式喷嘴或连续环缝式喷嘴。
作为优选，第一喷嘴位于第二喷嘴内部，且第一喷嘴的出气口低于第二喷嘴的出气口。
作为优选，熔炼器依次通过中间包和导流管与第二室连通，导流管的出口与第一喷嘴对应。
作为优选，导流管为柱形射流导流管、锥形射流导流管或环形射流导流管。
作为优选，第二室依次连接有多个分离器和除尘器。
作为优选，第二室和每个分离器的底部均设有粉末收集器。
一种金属粉末制备方法，包括以下步骤：
利用雾化气体对熔化的金属进行雾化，并凝固形成金属粉末；
将辅助气体通入金属粉末的上方，以对金属粉末进行阻隔。
本发明的有益效果：
本发明通过利用第一喷嘴喷出的气体将由熔炼器流出并进入第二室的金属熔体雾化，形成金属液滴，并与第一喷嘴喷出的气体换热形成金属粉末，第二喷嘴喷出的气体进入第二室后，形成能够抑制金属粉末回旋上升的气幕，从而降低了金属粉末与金属液滴的碰撞频率，减少了卫星粉的形成，进而解决了现有气体雾化工艺制备的金属粉末中存在卫星粉现象的问题。
附图说明
图1是本发明提供的金属粉末制备装置的结构示意图；
图2是图1中柱形射流导流管的结构示意图；
图3是图1中锥形或环形射流导流管的结构示意图；
图4是第二喷嘴为环孔式喷嘴的结构示意图；
图5是第二喷嘴为连续环缝式喷嘴的结构示意图；
图6是第二喷嘴为离散环缝式喷嘴的结构示意图。
图中：
1、第一室；11、熔炼器；12、中间包；13、导流管；14、加热线圈；15、盖体；
2、第二室；4、分离器；5、除尘器；6、粉末收集器；7、真空系统；
31、第一喷嘴；32、第二喷嘴；33、加热器。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，其为本发明提供的金属粉末制备装置的结构示意图。该金属粉末制备装置包括第一室1、第二室2和设于第一室1与第二室2之间的雾化系统，其中：
第一室1内设有用于熔化金属的熔炼器11、用于转接金属熔体的中间包12和用于引导金属熔体流出的导流管13，熔炼器11和中间包12的外部均环设有加热线圈14，用于给熔炼器11和中间包12加热。优选地，熔炼器11采用中频感应加热的方式，中间包12采用电阻加热的方式，以使熔炼器11的过热度(即超出熔点的温度)为50K-250K，中间包12的过热度为±300K。
第一室1的顶部设有盖体15，从而使得第一室1形成为密闭腔体，同时第二室2也为密闭腔体，第一室1和第二室2均连接有真空系统7和气源，通过利用真空系统7，使第一室1和第二室2具有一定的真空度，气源所采用的气体为保护金属不被氧化的气体，优选为惰性气体，且所通入的气体不局限于一种气体。真空系统7可以采用机械泵与罗茨泵串联的二级真空系统，也可以为提高真空度而采用机械泵、罗茨泵与扩散泵串联的三级真空系统。
雾化系统包括均与第二室2顶部连通的第一喷嘴31和第二喷嘴32，第一喷嘴31与第二喷嘴32均连接有气源，熔炼器11的出口(即导流管13的出口)与第一喷嘴31对应。本发明通过利用第一喷嘴31喷出的气体将由熔炼器11流出并进入第二室2的金属熔体雾化，形成金属液滴，并与第一喷嘴31喷出的气体换热形成金属粉末，第二喷嘴32喷出的气体进入第二室2后，形成能够抑制金属粉末回旋上升的气幕，从而降低了金属粉末与金属液滴的碰撞频率，减少了卫星粉的形成，进而解决了现有气体雾化工艺制备的金属粉末中存在卫星粉现象的问题。另外，采用第二喷嘴32喷出的辅助气体也可以减少金属粉末在第二室2内的一些管道端口与视窗(图中未示出)等部位的沉积，降低了清理成本与难度。
具体地，第一喷嘴31还连接有加热器33，加热器33内含有温度传感器与温度控制器，能够实现雾化气体的快速加热。加热雾化气体可以降低导流管13的壁与金属熔体之间的热交换速率，从而降低金属熔体在导流过程中的冷却凝固速率，使金属熔体在导流过程中不易发生堵塞，有利于金属熔体通过较小出口孔径的导流管13形成低维度的熔体射流，如纤维或液膜，提高了后续的气体雾化效率，进而提高了细粉收得率，降低了雾化气体消耗量。进一步地，加热雾化气体的内能亦可转化为雾化气体击碎熔体的动能，因此雾化过程可以采用较低的雾化气体压强，达到或优于在较高雾化气体压强下的雾化效果，进一步降低了雾化气体的消耗量。使用加热雾化气体，降低了金属熔体与雾化气体的热交换速率，延缓了金属熔体的冷却凝固过程，有利于提高金属熔体的分裂频率，因此提高了粉末的细粉收得率；亦可以使金属熔体有足够的时间进行微细球化，从而提高了粉末的球形度。
具体地，导流管13、第一喷嘴31和第二喷嘴32同轴设置，且第一喷嘴31与第二喷嘴32均通过管道(图中未示出)与第二室2的顶部连通，第一室1与第二室2通过导流管13连通。进一步地，流经第一喷嘴31的气体质量流量与流经第二喷嘴32的气体质量流量的比值为0.1-20，优选为0.8-5。
具体地，如图2和图3所示，当导流管13为柱形射流导流管时，导流管13的出口孔径为0.1mm-10mm，优选为0.5mm-3mm；金属熔体通过导流管13时，第一室1与第二室2需保持0.01MPa-0.50MPa的压力差。当导流管13为锥形或环形射流导流管时，导流管13的出口孔径为0.5mm-50mm，优选为1mm-20mm；金属熔体通过导流管13时，第一室1与第二室2需保持0.40MPa-2.50MPa的压力差。
具体地，如图4-图6所示，第一喷嘴31和第二喷嘴32的结构形式相同，图中仅示出第二喷嘴32的结构形式。当第一喷嘴31为环孔式喷嘴时，其喷孔数为2-60个，各喷射中心线与第一喷嘴31的中心线夹角为-20°-60°，优选为-5°-45°，喷孔的出口孔径为0.5mm-10mm。当第一喷嘴31为环缝式喷嘴时，其喷射中心线与第一喷嘴31的中心线夹角为-20°-70°，优选为-5°-55°，喷缝的出口缝宽为0.5mm-2mm。当第二喷嘴32为环孔式喷嘴时，其喷孔数为2-100个，各喷射中心线与第二喷嘴32的中心线夹角为±45°，喷孔的出口孔径为0.1mm-20mm。当第二喷嘴32为离散环缝式喷嘴时，其喷缝数为2-100个，各喷射中心线与第二喷嘴32的中心线夹角为±45°，喷缝的出口缝宽为0.1mm-10mm。当第二喷嘴32为连续环缝式喷嘴时，其喷射中心线与第二喷嘴32的中心线夹角为±45°，喷缝的出口缝宽为0.1mm-3mm。
具体地，第一喷嘴31位于第二喷嘴32内部，且第一喷嘴31的出气口低于第二喷嘴32的出气口，如此可保证从第二喷嘴32喷出的气体能更容易地处于第二室2的顶部，从而更好地对旋流上升的金属粉末进行阻隔。
具体地，第二室2依次连接有多个分离器4和除尘器5，分离器4优选为旋风分离器，本发明中分离器4的数量为两个，第二室2和每个分离器4的底部均设有粉末收集器6。在雾化过程中，冷凝后的金属粉末中较粗的部分直接落入第二室2底部的粉末收集器6，较细的部分随雾化气体从第二室2下部流出进入两个分离器4中，并依次在每个分离器4底部的粉末收集器6中沉积，超细的部分经过除尘器5进一步过滤，最后剩余的洁净气体排到大气中或进行回收。
本发明还提供了一种金属粉末制备的方法，上述金属粉末制备装置是该方法的优选实施例，该方法包括以下步骤：
S10.装料：清洁第一室1和金属物料，并将金属物料装入熔炼器11中，关闭盖体15。
S20.熔炼：将第一室1和第二室2进行抽真空并充入惰性气体，利用中频感应加热将熔炼器11中的金属物料熔化至预设过热度并保温，利用电阻加热将中间包12加热至预设温度并保温。第一室1和第二室2的预设真空度优选为10-3Pa-100Pa，充入惰性气体后的压力预设值不高于110kPa，惰性保护气体为氮气、氩气或氦气。熔炼器11的过热度(即超出熔点的温度)为50K-250K，中间包12的过热度为±300K。
S30.导流：将金属熔体从熔炼器11转移至中间包12，熔体在静压力、第一室1与第二室2的压力差以及由雾化气体引起的虹吸作用下通过中间包12底部的导流管13形成射流，进入第二室2。
S40.雾化：利用雾化气体对熔化的金属进行雾化，并凝固形成金属粉末。设置雾化气体压力和雾化气体加热温度，开启加热器33，加热后的雾化气体从第一喷嘴31喷出进入第二室2，形成超音速热气流；金属熔体射流与环绕导流管13的超音速热气流在雾化区相遇，在超音速热气流的撞击下，金属熔体破碎成金属液滴，金属液滴与高速气流发生热量与动量交换，快速凝固形成金属粉末。
S50.整流：将辅助气体通入金属粉末的上方，以对金属粉末进行阻隔。在雾化过程进行的同时，使第二喷嘴32工作，辅助气体从第二喷嘴32喷出进入第二室2，形成能够抑制金属粉末回旋上升的气幕。
S60.粉末收集：冷凝后的金属粉末中较粗的部分直接落入第二室2底部的粉末收集器6，较细的部分随雾化气体从第二室2下部流出进入两个分离器4中，并依次在每个分离器4底部的粉末收集器6中沉积，超细的部分经过除尘器5进一步过滤，最后剩余的洁净气体排到大气中或进行回收。
S70.粉末后处理：将收集的金属粉末利用超声振动和气流筛分等方法进行粒度分级，在混料机中将不同批次的粉末合批混合均匀，将粉末在真空或惰性气氛中封装储存。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式限定。对于所属领域的普通技术用户来说，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)
1.一种金属粉末制备装置，其特征在于，包括：
第一室(1)，其内设有用于熔化金属的熔炼器(11)；
第二室(2)；
雾化系统，其包括均与所述第二室(2)顶部连通的第一喷嘴(31)和第二喷嘴(32)，所述第一喷嘴(31)与所述第二喷嘴(32)均连接有气源，所述熔炼器(11)的出口与所述第一喷嘴(31)对应；
所述第一喷嘴(31)喷出的气体将由所述熔炼器(11)流出并进入所述第二室(2)的金属熔体雾化，形成金属液滴，并与所述第一喷嘴(31)喷出的气体换热形成金属粉末；
所述第二喷嘴(32)喷出的气体进入所述第二室(2)后，形成能够抑制所述金属粉末回旋上升的气幕。
2.根据权利要求1所述的金属粉末制备装置，其特征在于，所述第一喷嘴(31)还连接有加热器(33)。
3.根据权利要求1所述的金属粉末制备装置，其特征在于，流经所述第一喷嘴(31)的气体质量流量与流经所述第二喷嘴(32)的气体质量流量的比值为0.1-20。
4.根据权利要求1所述的金属粉末制备装置，其特征在于，所述第一喷嘴(31)为环孔式喷嘴或环缝式喷嘴，所述第二喷嘴(32)为环孔式喷嘴、离散环缝式喷嘴或连续环缝式喷嘴。
5.根据权利要求1所述的金属粉末制备装置，其特征在于，所述第一喷嘴(31)位于所述第二喷嘴(32)内部，且所述第一喷嘴(31)的出气口低于所述第二喷嘴(32)的出气口。
6.根据权利要求1所述的金属粉末制备装置，其特征在于，所述熔炼器(11)依次通过中间包(12)和导流管(13)与所述第二室(2)连通，所述导流管(13)的出口与所述第一喷嘴(31)对应。
7.根据权利要求6所述的金属粉末制备装置，其特征在于，所述导流管(13)为柱形射流导流管、锥形射流导流管或环形射流导流管。
8.根据权利要求1所述的金属粉末制备装置，其特征在于，所述第二室(2)依次连接有多个分离器(4)和除尘器(5)。
9.根据权利要求8所述的金属粉末制备装置，其特征在于，所述第二室(2)和每个所述分离器(4)的底部均设有粉末收集器(6)。
10.一种金属粉末制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用雾化气体对熔化的金属进行雾化，并凝固形成金属粉末；
将辅助气体通入所述金属粉末的上方，以对金属粉末进行阻隔。
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