CN109967752A - 金属表面熔液超声波破碎装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用高频大功率超声波粉碎金属表面高温金属熔液制造超细金属粉末的方法及其超细金属粉末。金属工件(2)在高频感应加热锥形线圈(4)内自旋并垂直向下移动，金属表层在高频感应加热锥形线圈(4)高频感应加热作用下熔化，金属表面的高温金属熔液在重力的作用下滑落，超声换能器(3)产生高频大功率超声波，通过超声耦合头(1)将高频大功率超声波耦合到金属表面的高温金属熔液上，高频大功率超声波强烈的空化作用将金属表层的高温金属熔液粉碎成超微细金属熔液液滴(5)，超微细金属熔液液滴(5)冷却后收集可制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的球形超细纯金属与合金金属粉末。

Description

金属表面熔液超声波破碎装置
技术领域
本发明属于粉体工程技术领域，是一种对金属表面高温金属熔液进行粉碎的装置，涉及 利用高频大功率超声波对金属表面高温金属熔液进行破碎从而获得超微细合金粉末。
背景技术
金属粉末的工业应用非常广泛，传统的应用领域有粉末冶金、焊接、热喷涂和火箭发动 机的固体燃料等，与机械制造工业相比较，粉末冶金可通过环境更友好的方式低成本、大批 量制造高质量的金属零件；热喷涂技术可高效和高性能修复大型金属零件；焊接技术和工艺 更是现代高技术制造业不可缺少甚至是高性能工业零部件的核心技术。随着增材制造技术的 发展，更是突破了传统制造技术永远无法达到的高度，为低成本大批量制造内部具有精细结 构的高性能零部件提供了完美的解决方案，将制造技术推向了一个新高度。高性能的金属粉 末是增材制造技术不可缺少的原材料，直接制约最终产品的性能，金属粉末的粒度、纯度、 微观形貌、比表面及表面能、流动性与湿润性能等多项物理及化学性能指标等，结合增材制 造技术的工艺路线，共同形成增材制造的核心关键技术。
常规的超细金属粉末制造方法从凝聚方式可以分为固相法、液相法和气相法。气相法的 特点工艺复杂、能耗高、产量低和成本高昂；液相法通常属于化学方法，只能制造单质金属 粉末，无法制造合金金属粉末，而且需要大量水资源，工艺过程废液排放量大，污染环境； 固相法有机械粉碎法，热分解法和爆炸法等，合金材料的机械性能优良破碎困难，常规固相 法所制造的超细金属粉体，杂质含量高，微观形貌多为不规则形状，很难获得近球形和流动 性好的超细合金粉末。
高性能金属合金如钛合金和高温合金等金属材料，熔点高，熔化后比表面能大，粘度高， 在破碎熔化的高温金属熔液的时候必须维持在熔点以上的高温，否则金属熔液就会凝固导致 无法破碎细化。高压气体喷射雾化虽然具有较好的效果，但是气体膨胀过程会吸收大量热量， 导致雾化区域温度迅速降低，金属熔液凝固无法细化，对高压气体加热或采用更高的雾化温 度均会给制造工艺带来较大的难度。钛合金化学性质非常活泼，在高温下会和陶瓷坩埚材料 发生化学反应，在钛及其合金粉末内带来大量杂质，影响钛及其合金粉末的质量。
发明内容
本发明的目的是提出一种高频大功率超声波破碎技术，解决了现有物理雾化方法制造金 属粉末设备复杂，成本高，金属单质或合金粉末性能较差的缺点，采用无坩埚的加热方式， 避免熔化的金属和坩埚直接接触导致坩埚中材料向金属粉末中掺杂，所制得的金属粉末纯度 更高，采用高频大功率超声波破碎金属表面熔液是一种结构简单，效率高和效果优良的高纯 度金属粉末制造方法和装置，可节约大量的工业用气体，成本低廉，可控性优良。
本发明采用无坩埚方法制造超微细金属粉末，通过高频感应加热金属棒材，由于高频感 应加热的趋肤效应，加热电流在金属棒表面聚集，仅仅将金属棒表面的金属熔化并黏附在金 属棒表面，高频大功率超声波直接作用金属工件表面上熔化的高温金属熔液上，使大尺寸的 金属熔液球破碎成细小的熔液球，实质是通过超声振动给金属熔液注入能量，使大尺寸的金 属熔液球能够克服金属熔液表面的表面能束缚，粉碎成尺寸更微小的金属熔液液滴，微细的 金属熔液在失重的状态下凝固即可获得表面形貌球形的微细金属单质或合金颗粒。与其他为 金属熔液注入能量克服金属熔液表面的表面能方式相比，超声破碎可直接向目标区域注入高 频机械振动能量，效率高，破碎效果好，超声能量注入不会影响破碎区域的温度，结构简单， 制造过程可在真空或气氛保护的环境下进行，能够高效率大批量低成本制造高性能金属单质 或合金粉末。
尖形顶部结构的金属工件(2)的尖形部分在高频感应加热锥形线圈(4)中，高频感应 加热锥形线圈(4)通入高频大功率电流，以高频感应加热的方式将金属工件(2)表层厚度 1毫米的部分加热溶化，形成高温金属熔液并黏附在金属工件(2)表面，在重力的作用下沿 工件表面向下流动聚集在金属工件(2)的尖头处并滴落。高频超声波换能器(3)产生的高 频大功率超声波，通过超声耦合头(1)将高频大功率超声能量传递到金属工件(2)，作用在 黏附在金属工件(2)表面的高温金属熔液上，将其破碎形成细小的高温金属熔液液滴，金属 熔液液滴冷却凝固，就可以获得微细的金属粉末。金属材料可以是铜、铝、铁、钴、镍、钨、 钼、钛等及其合金。
本发明中的金属工件(2)在高频感应加热时按设定的速率旋转，使工件表层的加热更均 匀，一层一层将金属工件表层的金属熔化剥离，同时金属工件(2)按设定的速率向高频感应 加热锥形线圈(4)中移动，使金属的尖部形状维持不变，通过持续不断的送样，实现超微细 金属粉末的连续制造。
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-超声耦合头，2-金属工件，3-超声换能器， 4-高频感应加热锥形线圈，5-微细金属液滴。
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。
本发明根据高频大功率超声波的剧烈空化破碎效应对高温熔化的金属熔液进行破碎，无 坩埚的加热方式可以避免坩埚材料混入金属粉末形成杂质，所制得的超微细金属粉末纯度更 高。通过高频感应加热在金属工件表面形成薄层高温金属熔液并黏附在金属表面，将高频大 功率超声振动能量传递给金属表层的高温金属熔液，使高温金属熔液破碎成微细的高温金属 熔液液滴，微细的高温金属熔液液滴冷却凝固即可获得微细金属粉末，金属可以是单质也可 以是合金。绝大多数金属单质及合金材料具有很高的熔点和较大的表面能，虽然通过高温加 热的方式将其熔化成液体，但高温金属熔液在高温下化学性质活泼，表面能级高，粘度大， 很难被分散成微细的高温金属熔液液滴。通过高频大功率超声装置，可以实现超声振动频率 和功率的自动跟踪耦合，对需要破碎的高温金属熔液部分进行精准能量注入，不仅具有很高 的粉碎效率，同时具有很好的粉碎效果。
超声换能器(3)产生高频大功率超声波，通过超声耦合头(1)将超声换能器(3)产生 的大功率高频超声振动传递到超声耦合头(1)下部安装的金属工件(2)上，金属工件(2)的头部被加工成尖头，尖头放置在高频感应加热锥形线圈(4)中，高频感应加热锥形线圈(4) 中通入高频大电流加热金属工件(2)的尖头部分，将表面的金属熔化，金属表面黏附的金属 熔液在高频大功率超声振动的作用下，被破碎成微细金属液滴(5)，微细金属液滴(5)冷却 凝固后即可制成超微细金属粉末。
下面通过实施例对本发明做出详细的说明：
实施例1：
将直径为50毫米长度1米的镍基变形高温合金GH4169棒料一端加工成角度为30度的 尖头，另一端通过螺纹与超声换能器下部的超声耦合头连接。超声换能器、超声耦合头和 GH4169棒垂直放置，一个步进或伺服电机驱动其整体自转，另一个步进或伺服电机驱动其 整体在垂直方向上下移动。
GH4169棒的尖头部分放置在高频感应加热锥形线圈中，GH4169棒的尖头的自转速率 5-50转/分，向下移动速率2-30毫米/分；高频感应加热的加热功率为50-80kW，频率400-500kHz；高频大功率超声波的频率20-50kHz，功率1-10kW。
GH4169棒的尖头部分在高频感应加热锥形线圈中自旋并向下移动，高频感应加热线圈 产生的感应加热电流将GH4169棒的尖头部分的表面厚度为0.5毫米的金属熔化成高温金属 熔液，在重力作用下，金属表面熔化的高温金属熔液沿表面向下流动，聚集在尖头处并向下 滴落，高频大功率超声波产生的超声振动的强烈液体内部空化效应，将尖头表面的金属熔液 破碎成超微细金属熔液液滴，液滴的粒径小于20微米，当微细金属熔液液滴凝固后即可形成 微细镍基变形高温合金GH4169粉末。
实施例2：
将直径为50毫米长度1米的不锈钢1Cr18Ni9Ti棒料一端加工成角度为30度的尖头，另 一端通过螺纹与超声换能器下部的超声耦合头连接。超声换能器、超声耦合头和1Cr18Ni9Ti 棒垂直放置，一个步进或伺服电机驱动其整体自转，另一个步进或伺服电机驱动其整体在垂 直方向上下移动。
1Cr18Ni9Ti棒的尖头部分放置在高频感应加热锥形线圈中，1Cr18Ni9Ti棒的尖头的自转 速率5-50转/分，向下移动速率5-30毫米/分；高频感应加热的加热功率为40-80kW，频率 400-500kHz；高频大功率超声波的频率20-540kHz，功率2-5kW。
1Cr18Ni9Ti棒的尖头部分在高频感应加热锥形线圈中自旋并向下移动，高频感应加热线 圈产生的感应加热电流将1Cr18Ni9Ti棒的尖头部分的表面厚度为0.5毫米的金属熔化成高温 金属熔液，在重力作用下，金属表面熔化的高温金属熔液沿表面向下流动，聚集在尖头处并 向下滴落，高频大功率超声波产生的超声振动的强烈液体内部空化效应，将尖头表面的金属 熔液破碎成超微细金属熔液液滴，液滴的粒径小于20微米，当微细金属熔液液滴凝固后即可 形成微细不锈钢1Cr18Ni9Ti粉末。
实施例3：
将直径为50毫米长度1米的不锈钢0Cr18Ni9棒料一端加工成角度为30度的尖头，另一 端通过螺纹与超声换能器下部的超声耦合头连接。超声换能器、超声耦合头和0Cr18Ni9棒垂 直放置，一个步进或伺服电机驱动其整体自转，另一个步进或伺服电机驱动其整体在垂直方 向上下移动。
0Cr18Ni9棒的尖头部分放置在高频感应加热锥形线圈中，0Cr18Ni9棒的尖头的自转速率 5-50转/分，向下移动速率5-30毫米/分；高频感应加热的加热功率为40-80kW，频率400-500kHz；高频大功率超声波的频率20-540kHz，功率2-5kW。
0Cr18Ni9棒的尖头部分在高频感应加热锥形线圈中自旋并向下移动，高频感应加热线圈 产生的感应加热电流将0Cr18Ni9棒的尖头部分的表面厚度为0.5毫米的金属熔化成高温金属 熔液，在重力作用下，金属表面熔化的高温金属熔液沿表面向下流动，聚集在尖头处并向下 滴落，高频大功率超声波产生的超声振动的强烈液体内部空化效应，将尖头表面的金属熔液 破碎成超微细金属熔液液滴，液滴的粒径小于20微米，当微细金属熔液液滴凝固后即可形成 微细不锈钢0Cr18Ni9粉末。
实施例4：
将直径为50毫米长度1米的纯铝L3棒料一端加工成角度为45度的尖头，另一端通过螺 纹与超声换能器下部的超声耦合头连接。超声换能器、超声耦合头和纯铝L3棒垂直放置，一 个步进或伺服电机驱动其整体自转，另一个步进或伺服电机驱动其整体在垂直方向上下移动。
纯铝L3棒的尖头部分放置在高频感应加热锥形线圈中，纯铝L3棒的尖头的自转速率 20-100转/分，向下移动速率10-90毫米/分；高频感应加热的加热功率为40-80kW，频率400-500kHz；高频大功率超声波的频率20-540kHz，功率1-3kW。
纯铝L3棒的尖头部分在高频感应加热锥形线圈中自旋并向下移动，高频感应加热线圈产 生的感应加热电流将纯铝L3棒的尖头部分的表面厚度为0.5毫米的金属熔化成高温金属熔 液，在重力作用下，金属表面熔化的高温金属熔液沿表面向下流动，聚集在尖头处并向下滴 落，高频大功率超声波产生的超声振动的强烈液体内部空化效应，将尖头表面的金属熔液破 碎成超微细金属熔液液滴，液滴的粒径小于10微米，当微细金属熔液液滴凝固后即可形成微 细纯铝L3粉末。
实施例5：
将直径为50毫米长度1米的7075铝合金棒料一端加工成角度为45度的尖头，另一端通 过螺纹与超声换能器下部的超声耦合头连接。超声换能器、超声耦合头和7075铝合金棒垂直 放置，一个步进或伺服电机驱动其整体自转，另一个步进或伺服电机驱动其整体在垂直方向 上下移动。
7075铝合金棒的尖头部分放置在高频感应加热锥形线圈中，7075铝合金棒的尖头的自转 速率20-100转/分，向下移动速率10-90毫米/分；高频感应加热的加热功率为40-80kW，频 率400-500kHz；高频大功率超声波的频率20-540kHz，功率1-3kW。
7075铝合金棒的尖头部分在高频感应加热锥形线圈中自旋并向下移动，高频感应加热线 圈产生的感应加热电流将7075铝合金棒的尖头部分的表面厚度为0.5毫米的金属熔化成高温 金属熔液，在重力作用下，金属表面熔化的高温金属熔液沿表面向下流动，聚集在尖头处并 向下滴落，高频大功率超声波产生的超声振动的强烈液体内部空化效应，将尖头表面的金属 熔液破碎成超微细金属熔液液滴，液滴的粒径小于10微米，当微细金属熔液液滴凝固后即可 形成微细7075铝合金粉末。

Claims (7)

1.一种利用高频大功率超声波粉碎金属表面高温金属熔液制造超微细金属粉末的方法及其超微细金属粉末，其特征在于首先在做自旋和垂直向下运动的金属工件表面利用高频感应加热在金属工件表层形成高温金属熔液，然后利用高频大功率超声波作用在金属表面的高温金属熔液上，将其粉碎成超微细金属熔液，超微细金属熔液冷却凝固可制成超微细金属粉末，超微细金属合金粉末的形貌为球形，粒径小于20微米，粒径分布均匀。
2.根据权利要求1所述的制造超微细金属粉末的方法，其特征在于采用无陶瓷坩埚加热方式，可以在大气、真空或氧气、氮气、氩气等气氛保护下进行。
3.根据权利要求1所述的金属工件的自旋运动，其特征在于金属工件在高频感应加热线圈中绕其轴心自旋，旋转速率5-90转/分。
4.根据权利要求1所述的金属工件的垂直向下运动，其特征在于金属工件在高频感应加热线圈中垂直向下运动，补充金属粉末制备原料，移动速率1-90毫米/分。
5.根据权利要求1所述高频感应加热，其特征在于高频感应加热的频率400-500kHz，加热功率40-80kW。
6.根据权利要求1所述的高频大功率超声波，其特征在于高频大功率超声波的频率15-50kHz，功率0.5-10kW。
7.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。
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