CN109967751A - 超细金属粉末高压高频高速脉冲气流制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用高压高频高速脉冲气流粉碎的方法制造超细金属粉末的方法及其超细金属粉末。金属熔化成金属熔液液滴(1)在重力的作用下下落，喷嘴(2)喷出高压高频高速脉冲气流，高压高频高速脉冲氩气气流的相位可调控，气流总压峰值1MPa‑100MPa，气流速度峰值100m/s‑1200m/s，频率10Hz‑3000Hz。熔化的金属熔液液滴(1)落入高压高频高速脉冲气流作用区域后，被气流粉碎成微细金属液滴(3)，微细金属液滴(3)冷却后收集可获得超细金属合金粉末。利用本发明的方法可大批量低成本制造多种不同材质的粒径分布均匀且小于5微米球形超细纯金属与合金金属粉末。

Description

超细金属粉末高压高频高速脉冲气流制造方法

技术领域

本发明涉及一种利用高压高频高速脉冲气流制造超细金属粉末，属于新材料技术领域，所制成超细金属粉末可成为3D打印技术使用的高性能原材料，可利用3D打印技术制造性能优异的各类金属材料部件。

背景技术

3D打印(3D printing)技术又称三维打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用激光或电子束高温烧熔金属粉末或高分子材料粉末等，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。高分子材料使用温度低，机械性能差等缺点大大限制其应用范围，而金属材料机械性能和高温性能优异，通过3D打印技术制造的各种高性能金属结构部件，极大的促进了多学科技术领域的发展。高性能的金属粉末是 3D打印技术制造高性能金属结构部件的关键原材料，其性能直接制约3D打印金属部件技术的发展。

常规的物理和化学方法制造超细金属粉末，只能得到超细单质金属粉末，很难获得超细的金属合金粉末，金属单质的各项技术性能指标均不理想，需要通过添加合金成份进行改善，由于3D打印技术的特点，很难像常规制造技术那样在3D打印制造过程中对单质金属粉末添加另几种单质金属形成合金成份，所以高性能超细金属合金粉末的制造技术，已经成为3D打印技术制造高性能金属部件的关键制约技术。

高性能的金属合金材料，强度高，韧性好，耐腐蚀，采用常规物理机械破碎的方法很难将其粉碎成细小的颗粒，而且制成的合金颗粒形貌不好，杂质含量高；将耐腐蚀的不锈钢材料在高温下熔化成液体，将金属液体分散成较小的液滴，倒入水中冷却获得不锈钢粉末，可以获得形貌接近球形的较好颗粒，但是不锈钢粉的颗粒粗大，很难获得微米级的超细粉末，金属氧化严重，化学活性较高的钛合金，不能采用这种方法制造；将金属材料在惰性气体的保护下高温熔化，分散成较小的金属液滴，然后采用气流粉碎的方式破碎成微细金属粉末，虽然可以获得微细的金属合金粉末，金属粉末的形貌也是非常理想的球形，但工艺工程过于复杂很难控制，所获得金属合金粉末粒径分布太宽，需要后续分级处理，直接影响了金属合金粉末的质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用高压高频高速脉冲气流冲击破碎金属熔液液滴，使大颗粒的金属熔液液滴分散成超细金属熔液液滴，然后冷却凝固获得超细金属粉末的方法。

本发明的另一目的在于提供一种高压高频高速脉冲气流对单个的熔化金属液滴而不是连续金属液柱进行冲击破碎的方法，这种方法的优点在于高压高频高速脉冲气流破碎液滴的可控性好，有利于获得形貌好，颗粒细，粒径分布范围窄的金属粉末。

利用高速气流冲击金属熔液液滴时，喷嘴入口的高压气体压力越高，喷嘴出口气体的速度越大，粉碎金属熔液液滴的效果越好，所获得的金属颗粒粒径越细小。当连续的金属熔液液柱落入高速气流作用区域时，被高速气流冲击粉碎成微细的金属液滴，同时也会对高速气流流场进行干扰，同时扰动也会被传递到熔化的金属液柱上，使金属液柱的流动紊乱，影响金属粉末的生成效果，导致粉末颗粒均匀度变差。

气源的压力有限，脉冲气流的特点，可以有效提升气流的峰值压力，提高射流对金属液滴的粉碎效果，同时脉冲气流与定压气流相比，只有当金属液滴落入气流作用区域时，脉冲气流才开始工作，可以有效减少气源的消耗。金属熔液液柱的流动容易受到干扰导致流动不稳定，如果采用液滴一滴一滴下落的方式，可以有效避免气流扰动向上传递，使液滴的粉碎可控性更优。

当液体滴入高速气流流场时，液体在高速气流的冲击下会被拉长细化然后断裂，形成微细液滴，高温熔化的金属液滴冷却后即可形成微细金属粉末。常规的连续气流雾化破碎方法，惰性气体流量大，直接影响高温熔化室的压力，对终端的惰性气体回收带来很大的负担，雾化破碎后段的粉末收集与分离会导致惰性气体流场变化，会对连续气流雾化破碎流场带来很大的干扰，此外，从高温熔化室流入的高温金属熔液也会对连续气流雾化破碎的流场产生很大的干扰，导致连续气流雾化破碎条件不稳，最终产生的金属合金粉末颗粒粗大和粒径分布不均。

本发明采用高压高频脉冲气流雾化器对从高温熔化室滴入气流粉碎室的金属熔液液滴进行气流粉碎，高压高频脉冲气流的压力、频率和相位都可以精确条件控制，气流总压峰值 1MPa-100MPa，气流速度峰值100m/s-1200m/s，频率10Hz-3000Hz。高温熔化室对金属合金的熔化采用无坩埚高频感应加热的方式，合理控制金属合金的进料和高频感应加热精确的能量控制，可精确控制滴入气流粉碎室的液滴的大小和流量，利用精确可控的高压高频脉冲气流雾化器对微细金属液滴进行雾化破碎，可以获得粒径小于5微米、颗粒形貌好、粒径分布均匀的超细金属合金粉末，应用在3D打印金属部件中，可有效提高产品性能。

实验研究与数值模拟分析表明，相同的入口压力，高频脉冲气流与连续射流相比，流场可控性更好，由于脉冲气流的脉动特性，脉冲气流的总压峰值可超过连续射流总压的2倍以上，可获得比连续射流更高的出口速度，此外，高频脉冲气流与连续射流相比所产生的压力脉动和气流速度脉动更强烈，对破碎高温合金液滴更有效。高压高频脉冲气流优良的可控性，可对雾化破碎流场进行精确有效控制，获得粒径分布均匀的金属合金颗粒，与连续射流相比可以节约高压压缩空气的用量，具有很好的节能效果与较低的费用。

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是本发明的实施示意简图，附图中图标：1-金属熔液液滴，2-喷嘴，3-超细金属液滴。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

熔化的金属熔液液滴(1)在重力作用下按照一定的规律下落，喷嘴(2)中喷射出高压高频高速脉冲气流，当金属熔液液滴(1)落入喷嘴(2)喷射出高压高频高速脉冲气流作用区域，被气流撞击破碎成超细金属液滴(3)，超细金属液滴(3)冷却凝固后形成超细金属粉末。

【实施例1】

高压高频高速脉冲气流雾化器的入口氩气的压力为20MPa，所产生的高压高频脉冲气流的总压峰值可达24MPa，脉冲气流出口速度峰值720m/s，脉冲气流频率480Hz。

将7075高强铝合金放置在高温熔化室的坩埚内，坩埚下部设置一个孔径为1mm的滴管伸入气流破碎室，电热丝电阻加热7075铝合金到800℃使其熔化，熔化的铝合金熔液通过滴管流入下面的气流破碎室。高压高频脉冲气流雾化器所产生的高压高频脉冲气流作用在7075铝合金高温液滴上，将液滴破碎成微细颗粒，冷却后即可形成超细7075高强铝合金粉末，此工艺条件下获得超细7075高强铝合金粉末的平均粒径3.7微米。

【实施例2】

高压高频高速脉冲气流雾化器的入口氩气的压力为30MPa，所产生的高压高频脉冲气流的总压峰值可达35MPa，脉冲气流出口速度峰值807m/s，脉冲气流频率520Hz。

将304不锈钢放置在高温熔化室的坩埚内，坩埚下部设置一个孔径为1mm的滴管伸入气流破碎室，感应加热304不锈钢到1600℃使其熔化，熔化的304不锈钢熔液通过滴管流入下面的气流破碎室。高压高频高速脉冲气流雾化器所产生的高压高频脉冲气流作用在304不锈钢高温液滴上，将液滴破碎成微细颗粒，冷却后即可形成超细304不锈钢粉末，粉末的平均粒径4.7微米。

【实施例3】

高压高频脉冲气流雾化器的入口氩气的压力为50MPa，所产生的高压高频脉冲气流的总压峰值可达57MPa，脉冲气流出口速度峰值975m/s，脉冲气流频率500Hz。

将GH907铁基高温合金放置在高温熔化室的坩埚内，坩埚下部设置一个孔径为1mm的滴管伸入气流破碎室，感应加热GH907铁基高温合金到1750℃使其熔化，熔化的GH907铁基高温合金熔液通过滴管流入下面的气流破碎室。高压高频高速脉冲气流雾化器所产生的高压高频高速脉冲气流作用在GH907铁基高温合金高温液滴上，将液滴破碎成微细颗粒，冷却后即可形成超细GH907铁基高温合金粉末，此工艺条件下获得超细GH907铁基高温合金粉末的平均粒径4.2微米。

【实施例4】

高压高频高速脉冲气流雾化器的入口氩气的压力为50MPa，所产生的高压高频高速脉冲气流的总压峰值可达57MPa，脉冲气流出口速度峰值975m/s，脉冲气流频率500Hz。

将GH4049镍基高温合金放置在高温熔化室的坩埚内，坩埚下部设置一个孔径为1mm的滴管伸入气流破碎室，感应加热GH4049镍基高温合金到1750℃使其熔化，熔化的GH4049镍基高温合金熔液通过滴管流入下面的气流破碎室。高压高频脉冲气流雾化器所产生的高压高频脉冲气流作用在GH4049镍基高温合金高温液滴上，将液滴破碎成微细颗粒，冷却后即可形成超细GH4049镍基高温合金粉末，平均粒径约4.4微米。

Claims (7)

1.一种利用高压高频高速脉冲气流粉碎方法制造超细金属粉末的方法，其特征在于利用高压高频高速脉冲气流将熔化的金属液滴粉碎成超细金属粉末，熔化的金属熔液液滴在重力作用下一滴一滴落入高频高压高速脉冲气流作用区域内被破碎成超细金属熔液液滴，冷却凝固后获得超细金属粉末，超细金属粉末的形貌为球形，粒径小于5微米，粒径分布均匀。

2.根据权利要求1所述高压高频高速脉冲气流，其特征在于所产生的高压高频高速脉冲氩气气流的相位可调控，气流总压峰值1MPa-100MPa，气流速度峰值100m/s-1200m/s，频率10Hz-3000Hz。

3.根据权利要求1所述超细金属合金粉末，其特征在于金属材料可以是铝、镁、锂、铁、铜、镍、钛、镍、金、银等纯金属，也可以是铝、镁、锂、铁、铜、镍、钛、镍、金、银等金属合金。

4.根据权利要求1所述高压高频高速气流，其特征在于气体成份可以是氩气、氢气、氦气、氯气、氮气、氧气、甲烷、乙炔、乙烯、丙烷、丁烷等及其混合气体。

5.根据权利要求1所述的熔化的金属液滴，其特征在于熔化金属的方法可以是感应加热、电阻加热、等离子加热、电子束加热、激光加热、电弧加热等。

6.根据权利要求1所述的熔化的金属液滴，其特征在于熔化的金属液滴按照特定的规律一滴一滴往下滴。

7.根据权利要求1所述的高压高频高速脉冲气流，其特在在于高压高频高速脉冲气流的脉冲规律与金属液滴的下落规律一致。