CN109454237B - 去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置及方法 - Google Patents

去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置及方法，属于多孔金属处理技术领域。该装置包括盛放器具和作用系统，盛放器具用于盛多孔金属。作用系统包括换能器、变幅杆、超声控制器，换能器分别与变幅杆以及超声控制器连接，变幅杆的远离换能器的一端用于插入盛放器具中。作用系统还可包括转子及转台，转台用于放置盛放器具，转子用于放置于盛放器具内。该装置结构简单，操作便捷。方法包括：采用上述装置，调节超声控制器并通过换能器将电能转化为超声波，经变幅杆将超声波传入装有液体的盛放器具中。开启转台使转子旋转并加速液体的流动。该方法能有效去除多孔金属内孔表面的残余金属粉末。

Description

去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置及方法
技术领域
本发明属于多孔金属处理技术领域，且特别涉及一种去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置及方法。
背景技术
激光(或电子束)增材制造技术可以实现复杂多孔结构设计与制造一体化成形，可方法于个性化植入体、过滤材料、散热材料、减震吸能材料的快速制造，在生物医疗、冶金化工、新能源、环境保护、航空航天、电子器件等领域具有重要的方法前景。
激光(或电子束)增材制造是金属粉末在高能激光(或电子束)的作用下熔化并一层层叠加实现的，由于工艺参数等原因，在激光(或电子束)增材制造多孔金属表面尤其是内表面往往会残存大量未融化金属粉末，传统的如喷砂、磨粒流很难去除内孔表面的残余粉末，影响增材制造多孔金属材料的服役效果。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置，该装置结构简单，操作便捷。
本发明的第二目的在于提供一种去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的方法，该方法能有效去除多孔金属内孔表面的残余金属粉末。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：
本申请提出了一种去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置，该装置包括盛放器具和作用系统，盛放器具用于盛放待处理的经增材制造后的多孔金属。
作用系统包括换能器、变幅杆、超声控制器，换能器分别与变幅杆以及超声控制器连接且换能器用于将电能转化为超声波，变幅杆的远离换能器的一端用于插入盛放器具中。
优选地，作用系统还包括转台，转台用于放置盛放器具。
更优选地，作用系统还包括转子，转子用于放置于盛放器具内。
进一步地，作用系统还包括抛光球，抛光球用于放置于盛放器具内。
本申请还提出了一种去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的方法，包括以下步骤：。
采用上述装置，调节超声控制器并通过换能器将电能转化为超声波，然后再经变幅杆将超声波传入装有液体的盛放器具中以使液体产生气泡并冲击多孔金属的内表面。
优选地，当作用系统包括转台和转子时，开启转台使转子在盛放器具中旋转并加速液体的流动，以增强气泡与多孔金属之间的作用。
进一步地，上述方法还包括：于盛放器具中加入抛光球并使抛光球碰撞盛放器具中的多孔金属。
进一步地，上述方法还包括：于盛放器具中装入酸性溶液。
进一步地，上述方法还包括：加热酸性溶液。
本申请去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置及方法的有益效果包括：
本申请提供的装置结构简单，操作便捷。提供的方法通过调节超声控制器以调节超声功率以及脉冲模式等，通过换能器将电能转化为超声波，然后再经变幅杆将超声波传入装有液体的盛放器具中产生空泡效应与机械振动，以使液体产生气泡并冲击多孔金属的内表面；加之在转台的转动作用下，转子不断旋转并加强烧杯内液体的流速，进一步增强冲击或撞击效果，从而有效去除多孔金属内孔表面的残余金属粉末。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例1提供的去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置在作用系统未包括转子和转台时的结构示意图；
图2为本申请实施例1提供的去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置在作用系统在包括转子和转台时的结构示意图；
图3为本申请实施例2和3提供的去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置的结构示意图；
图4为本申请实施例4至7提供的去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置的结构示意图。
图标：100-去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置；10-盛放器具；20-作用系统；21-换能器；22-变幅杆；23-超声控制器；24-转子；25-转台；26-抛光球；27-酸性溶液；30-多孔金属。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请提供的去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置及方法进行具体说明。
本申请提供的去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置包括盛放器具和作用系统。盛放器具用于盛放待处理的经增材制造后的多孔金属。
作用系统包括换能器、变幅杆、超声控制器，换能器分别与变幅杆以及超声控制器连接且换能器用于将电能转化为超声波，变幅杆的远离换能器的一端用于插入盛放器具中。
作用系统还可以包括转台，转台用于放置盛放器具。进一步的，作用系统还可以包括转子，转子用于放置于盛放器具内。
作为可选地，盛放器具可以为玻璃烧杯，也可以为塑料器皿或其它材质的器皿。
多孔金属经增材制造，如选区激光熔化或电子束选区激光熔化等方法制造而得。作为可选地，多孔金属的材质可以，但不仅限于包括钛合金、铝合金、不锈钢、钨和钽中的任意一种。在一些实施方式中，上述多孔金属的孔径不低于100μm。
本申请中，作用系统的第一作用主要用于提供超声波，具体地，超声控制器与换能器电连接，并且超声控制器用于调节包括超声时间、超声功率以及脉冲模式等超声参数。由超声控制器传输的电能在换能器处转化成超声波，然后通过与换能器连接的变幅杆将超声波传入装有液体的盛放器具中以在盛放器具中产生空泡效应及机械振动，引起气泡不断冲击多孔金属样品的内表面从而不断除去多孔金属样品表面的残粉。
作为可选地，上述液体可以为水，优选为去离子水。
作用系统的第二作用主要用于加强盛放器具内的物质与多孔金属之间的相互作用。作为可选地，转台和转子均可为磁性材质。具体地，盛放器具放于转台上，转子放于盛放器具内。通过旋转盛放器具以改变盛放器具内液体的流速，使液体发生流动；同时转子在转台的带动下在盛放器具内旋转，进一步改变液体的流动状态，增强液体与金属多孔样品内表面之间的冲击作用，提高残粉的去除率。
进一步的，上述作用系统还包括抛光球，抛光球用于放置于盛放器具内。抛光球在转台转动的条件下，与同在盛放器具内的金属多孔样品发生撞击，更加强化金属多孔样品内表面残余粉末的去除效果。
作为可选地，上述抛光球可以，但不仅限于包括氮化硅抛光球和碳化硅抛光球等。在一些实施方式中，抛光球的直径可以30-80μm，如30μm、40μm、50μm、60μm、70μm或80μm等，也可以为35μm、45μm、55μm、65μm或75μm等，还可以为30-80μm范围内的任一直径值。
较佳地，本申请中抛光球的硬度不低于25GPa，以使抛光球具有较高的硬度，提高与金属多孔样品之间的撞击效果。
进一步地，上述盛放器具中还可以装有酸性溶液。酸性溶液可以但不仅限于包括盐酸、硫酸、硝酸或氢氟酸等。
在一些实施方式中，酸性溶液的浓度不超过0.4mol/L，以避免对金属多孔样品造成不利影响，如腐蚀或酸化等现象。
在一些优选的实施方式中，酸性溶液将金属多孔样品完全浸没。在一些更优选地实施方式中，酸性溶液的温度为60-95℃，如60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃或95℃等。值得说明的是，酸性溶液可以是以60-95℃的温度装入盛放器具中，也可以是先加入盛放器具后再加热至60-95℃。
通过在盛放器具中加入酸性溶液，能够弱化残余粉末与样品的结合，溶解并加速去除残余粉末。将酸性溶液加热，可促进其溶解残余粉末的速率，缩短去除残余粉末所需的时间。
此外，本申请还提供了一种去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的方法，其可以包括以下步骤：
采用上述去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置，调节超声控制器并通过换能器将电能转化为超声波，然后再经变幅杆将超声波传入装有液体的盛放器具中以使液体产生气泡并冲击多孔金属的内表面。
当作用系统包括转台和转子时，开启转台使转子在盛放器具中旋转并加速液体的流动，以增强气泡与多孔金属之间的作用。每个步骤的相关内容还可一并参照前述内容，在此不做赘述。
在一些实施方式中，超声波的超声功率可以为200-2000W，如200W、500W、800W、1000W、1200W、1500W、1800W或2000W等，还可以为200-2000W范围内的任一超声功率值。
在一些实施方式中，超声时间可以为0.5-10h，例如0.5h、1h、2h、5h、8h或10h等，也可以为0.5-10h范围内的任一时间值。
在一些实施方式中，脉冲模式(也即工作时间与暂停时间的比值)可以为(1-5)：(1-5)。也即每个超声周期包括工作期和暂停期，工作期的工作时间可以为1-5s，暂停期的暂停时间也可以为1-5s，具体地，工作时间和暂停时间可在1-5s范围内自由组合。值得说明的是，本申请中涉及的超声时间为0.5-10h指整个超声过程中总的超声时间(所有超声周期中超声工作时间之和)。
当转台旋转时，其可以以50-200r/min，如50r/min、80r/min、100r/min、120r/min、150r/min、180r/min或200r/min的转速旋转。
与上述装置对应的，进一步地，方法还包括：于盛放器具中加入抛光球并使抛光球在转台旋转的带动下碰撞盛放器具中的多孔金属。
更进一步地，方法还可包括：加热酸性溶液。值得说明的是，加热可以是在酸性溶液装入盛放器具之前将其加热，也可以是在酸性溶液装入盛放器具之后将其加热。
承上，本申请的去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的方法主要通过三大方面对粉末进行去除：一是通过超声波产生的空泡效应和机械振动冲击金属多孔样品进行去除；二是通过抛光球与金属多孔样品进行撞击进行去除；三是通过酸性溶液腐蚀和溶解残余粉末进行去除。值得说明的是，通过上述任一方面或任意两方面或同时三方面对残余粉末进行去除均在本申请的保护范围内。
实施例1
请参照图本实施例提供一种去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置100，该装置包括盛放器具10和作用系统20。盛放器具10为玻璃烧杯，待处理的经增材制造后的多孔金属30放于玻璃烧杯中。
作用系统20包括换能器21、变幅杆22、超声控制器23，换能器21分别与变幅杆22以及超声控制器23连接且换能器21用于将电能转化为超声波，变幅杆22的远离换能器21的一端用于插入玻璃烧杯中。
请一并再结合图2，作用系统20还包括转子24及转台25，玻璃烧杯放于转台25上，转子24放置于盛放器具10内。
实施例2
请参照图3，本实施例提供一种去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置100，该装置包括盛放器具10和作用系统20。盛放器具10为塑料的圆柱型瓶，待处理的经增材制造后的多孔金属30放于圆柱型瓶中。作用系统20包括换能器21、变幅杆22、超声控制器23，换能器21分别与变幅杆22以及超声控制器23连接且换能器21用于将电能转化为超声波，变幅杆22的远离换能器21的一端用于插入圆柱型瓶中。
作用系统20还包括转子24、转台25及氮化硅抛光球26，圆柱型瓶放置于转台25上，转子24和氮化硅抛光球26均放置于盛放器具10内。
实施例3
请参照图3，本实施例提供一种去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置100，该装置包括盛放器具10和作用系统20。盛放器具10为不锈钢桶，待处理的经增材制造后的多孔金属30放于不锈钢桶中。
作用系统20包括换能器21、变幅杆22、超声控制器23，换能器21分别与变幅杆22以及超声控制器23连接且换能器21用于将电能转化为超声波，变幅杆22的远离换能器21的一端用于插入不锈钢桶中。
作用系统20还包括转子24、转台25及碳化硅抛光球26，不锈钢桶放置于转台25上，转子24和碳化硅抛光球26均放置于不锈钢桶内。
实施例4
请参照图4，本实施例提供一种去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置100，该装置包括盛放器具10和作用系统20。盛放器具10为玻璃烧杯，待处理的经增材制造后的多孔金属30放于玻璃烧杯中。
作用系统20包括换能器21、变幅杆22、超声控制器23，换能器21分别与变幅杆22以及超声控制器23连接且换能器21用于将电能转化为超声波，变幅杆22的远离换能器21的一端用于插入玻璃烧杯中。
作用系统20还包括转子24、转台25及氮化硅抛光球26，玻璃烧杯放置于转台25上，转子24和氮化硅抛光球26均放置于玻璃烧杯内，并且该玻璃烧杯中还装有作为酸性溶液27的浓度为0.4mol/L的稀盐酸以及部分去离子水。
实施例5
本实施例与实施例4的区别在于：玻璃烧杯中还装有温度为60℃的浓度为0.35mol/L的稀硫酸。
实施例6
本实施例与实施例4的区别在于：玻璃烧杯中还装有温度为80℃的浓度为0.3mol/L的稀硝酸。
实施例7
本实施例与实施例4的区别在于：玻璃烧杯中还装有温度为95℃的浓度为0.25mol/L的稀氢氟酸。
实施例8
本实施例提供一种去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的方法：采用本申请实施例5提供的去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置，将经选取激光熔化后的孔径为100μm的多孔钛合金放于玻璃烧杯中，调节超声控制器并通过换能器将电能转化为超声波，然后再经变幅杆将超声波传入装有去离子水的玻璃烧杯中。上述超声过程中超声功率为200W，超声时间为10h，脉冲模式为3:1。
于玻璃烧杯中加入氮化硅抛光球并装入浓度为0.35mol/L的稀硫酸，开启转台使其以转速为100r/min旋转，并带动转子在玻璃烧杯中旋转，加热烧杯中的液体至温度为60℃。上述氮化硅抛光球的直径为50μm，硬度为30GPa。
按上述方法，钛合金内孔表面残余金属粉末的去除率为95％。
实施例9
本实施例提供一种去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的方法：采用本申请实施例6提供的去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置，将经电子束选区激光熔化后的孔径为150μm的多孔不锈钢放于玻璃烧杯中，调节超声控制器并通过换能器将电能转化为超声波，然后再经变幅杆将超声波传入装有去离子水的玻璃烧杯中。上述超声过程中超声功率为1000W，超声时间为5h，脉冲模式为1:2。
于玻璃烧杯中加入氮化硅抛光球并装入浓度为0.3mol/L的稀硝酸，开启转台使其以转速为50r/min旋转，并带动转子在玻璃烧杯中旋转，加热烧杯中的液体至温度为80℃。上述氮化硅抛光球的直径为30μm，硬度为25GPa。
按上述方法，多孔不锈钢内孔表面残余金属粉末的去除率为92％。
实施例10
本实施例提供一种去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的方法：采用本申请实施例4提供的去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置，将经电子束选区激光熔化后的孔径为120μm的多孔钽放于玻璃烧杯中，调节超声控制器并通过换能器将电能转化为超声波，然后再经变幅杆将超声波传入装有去离子水的玻璃烧杯中。上述超声过程中超声功率为2000W，超声时间为0.5h，脉冲模式为3:3。
于玻璃烧杯中加入氮化硅抛光球并装入浓度为0.4mol/L的稀盐酸，开启转台使其以转速为200r/min旋转，并带动转子在玻璃烧杯中旋转。上述氮化硅抛光球的直径为80μm，硬度为32GPa。
按上述方法，多孔钽内孔表面残余金属粉末的去除率为85％。
实施例11
本实施例与实施例10的区别在于：玻璃烧杯中未加入氮化硅抛光球。
实施例12
本实施例与实施例10的区别在于：玻璃烧杯中未加入稀盐酸。
实施例13
本实施例与实施例10的区别在于：在去除残余金属粉末的过程在未进行超声处理。
试验例
以实施例8为例，设置对照组1-3，其中，对照组1与实施例8的区别在于：在去除残余金属粉末的过程中仅进行超声处理，无抛光球和酸性溶液作用；对照组2与实施例8的区别在于：在去除残余金属粉末的过程中仅通过抛光球作用，无超声处理和酸性溶液处理；对照组3与实施例8的区别在于：在去除残余金属粉末的过程中仅通过酸性溶液作用，无超声处理和抛光球处理。对比上述4组方法对残余金属粉末的去除率，其结果如表1所示。
表1去除率
实施例8 对照组1 对照组2 对照组3
去除率(％) 95 40 20 25
由表1可以看出，本申请方案提供的通过超声波产生的空泡效应和机械振动冲击金属多孔样品、通过抛光球与金属多孔样品进行撞击以及通过酸性溶液腐蚀和溶解残余粉末三方面对去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末具有协同增效作用。
综上，本申请提供的装置结构简单，操作便捷。提供的方法通过调节超声控制器以调节超声功率以及脉冲模式等，通过换能器将电能转化为超声波，然后再经变幅杆将超声波传入装有液体的盛放器具中产生空泡效应与机械振动，以使液体产生气泡并冲击多孔金属的内表面；加之在转台的转动作用下，转子不断旋转并加强烧杯内液体的流速，进一步增强冲击或撞击效果，从而有效去除多孔金属内孔表面的残余金属粉末。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置，其特征在于，所述装置包括盛放器具和作用系统，所述盛放器具用于盛放待处理的经增材制造后的多孔金属；
所述作用系统包括换能器、变幅杆、超声控制器，所述换能器分别与所述变幅杆以及所述超声控制器连接且所述换能器用于将电能转化为超声波，所述变幅杆的远离所述换能器的一端用于插入所述盛放器具中；所述作用系统还包括转台，所述转台用于放置所述盛放器具；
所述作用系统还包括转子，所述转子用于放置于所述盛放器具内；
所述作用系统还包括抛光球，所述抛光球用于放置于所述盛放器具内；所述盛放器具中还装有酸性溶液；
所述酸性溶液的浓度不超过0.4mol/L。
2.根据权利要求1所述的去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置，其特征在于，所述抛光球包括氮化硅抛光球或碳化硅抛光球。
3.根据权利要求1所述的去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置，其特征在于，所述抛光球的直径为30-80μm。
4.根据权利要求1所述的去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置，其特征在于，所述抛光球的硬度不低于25GPa。
5.一种去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用如权利要求1-4任一项所述的去除增材制造多孔金属内孔表面残余金属粉末的装置，调节所述超声控制器并通过所述换能器将电能转化为超声波，然后再经所述变幅杆将超声波传入装有液体的所述盛放器具中以使所述液体产生气泡并冲击所述多孔金属的内表面；
开启所述转台使所述转子在所述盛放器具中旋转并加速所述液体的流动，以增强所述气泡与所述多孔金属之间的作用；
于所述盛放器具中加入抛光球并使所述抛光球碰撞所述盛放器具中的所述多孔金属；
于所述盛放器具中装入酸性溶液。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述多孔金属的材质包括钛合金、铝合金、不锈钢、钨和钽中的任意一种。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述多孔金属的孔径不低于100μm。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，超声过程的超声功率为200-2000W和/或超声时间为0.5-10h。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述转台的转速为50-200r/min。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述多孔金属浸没于所述酸性溶液中。
11.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述酸性溶液包括盐酸、硫酸、硝酸和氢氟酸中的任意一种。
12.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：加热所述酸性溶液。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，加热温度为60-95℃。
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