CN110195963B - 一种终端粉末实时干燥装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及特种加工领域，具体地是指一种终端粉末实时干燥装置。其由加热器和过滤器组成，加热器和过滤器通过螺纹连接。加热管中间缠绕有一定数量的线圈，在谐波交流电的作用下，产生局部涡流热，使粉末中的水分气化成水蒸气；过滤器原理为粉末与水蒸气混合物通过滤芯时，在载气作用下，不断与过滤薄膜碰撞，使得蒸汽分子透过过滤薄膜被干燥剂吸收，而粉末被阻碍在过滤薄膜外，随着载气向喷头运动，经激光束作用在工件表面。本发明可用于激光熔覆和激光3D打印。

Description

一种终端粉末实时干燥装置及方法
技术领域
本发明涉及特种加工领域，具体地是指一种终端粉末实时干燥装置及方法。
背景技术
激光熔覆一般指使用不同种类的熔覆粉末，通过激光高温作用下熔覆在基体表层，从而形成一层具有耐腐蚀、耐高温、耐磨等优异性能的熔覆层，达到表面改性或修复的目的，即满足材料表面特定性能的要求，又节约了成本。由于对材料粉末、整个工作环境要求较高，高性能激光熔覆设备一般安置在密闭环境中，从而避免空气中的水蒸气与粉末相结合，使得熔覆层产生气孔。气孔是激光熔覆过程中的常见缺陷，它对熔覆层的可靠性有不利影响。一般来说，孔隙度缺陷会提高局部应力水平，并大大降低机械部件的疲劳寿命。孔隙率缺陷也会显著影响磨损和腐蚀性能。粉末中的水蒸气就是气孔产生的主要原因。传统粉末的加热干燥环节一般放置于送粉前一阶段，故将已干燥的粉末放入熔覆设备时，整个装置要密闭处理，隔绝空气中的水蒸气。但考虑到实际情况下设备密闭环境的不确定性以及较高的密闭环境维护成本，高精度激光熔覆的质量和成本一般都不太理想。
发明内容
针对以上技术的不足，提供一种终端粉末实时干燥装置，可以在送粉终端将粉末中残留的微量水分去除，进而获得高质量的激光熔覆层。
本发明的一种终端粉末实时干燥装置，由加热器和过滤器组成，加热器和过滤器通过螺纹连接。
所述的加热器包括加热管和线圈，线圈缠绕在加热管中间部位。
所述加热管设有加热管右侧外螺纹，位于加热管右侧尾部表面。
所述过滤器包括滤管；滤管内设有过滤腔一、过滤腔二；在过滤腔一和过滤腔二之间的滤管腔体内设有滤芯，滤芯将滤管腔体均匀分割成4个截面积相同的滤芯腔体，滤芯用于吸附粉末中的水蒸气。
所述滤芯的制备方法如下：向干燥剂中加入粘接剂，在预制模具中制成所需的螺旋形，在干燥剂的8个曲面上附上过滤薄膜组成滤芯。
过滤薄膜为聚四氟乙烯高分子材料，其表面布满蜂窝状网格，网格尺寸为大于水分子直径，小于1纳米，为3×10-10～5×10-10m，于此同时薄膜还具有耐高温、耐磨功能。
干燥剂采用无水氯化钙，粘结剂使用环氧树脂，干燥剂与粘结剂的质量比为19:1。
滤芯长度为d3，d3为10～15*d1，其中d1为加热管右侧外螺纹大径，实际生产中可根据具体要求适当改变滤芯长度d3及自转角度，来满足粉末含水率要求。
滤管内指定位置设有挡环，用于确定滤芯位置。
滤管左右两端分别设有滤管左侧内螺纹、滤管右侧内螺纹，滤管左侧内螺纹与加热器右侧外螺纹紧密连接，滤管右侧内螺纹与喷头外螺纹紧密连接。
加热管右侧外螺纹与滤管左侧内螺纹深度一致，均为d2。
为保证水蒸气吸收效果，故尽可能提高滤芯在过滤器中所占的长度比例，过滤器中各部分长度比为过滤腔一：滤芯：过滤腔二＝1:4:1。
所述的粉末可以是金属粉末、陶瓷粉末或混合粉末。
所述的加热管腔体、过滤腔一、滤芯腔体和过滤腔二内的送粉压力均小于0.15MPa。
加热管中间缠绕有一定数量的线圈，在谐波交流电的作用下，产生局部涡流热，使粉末中的水分气化成水蒸气；过滤器原理为粉末与水蒸气混合物通过滤芯时，在载气作用下，不断与过滤薄膜碰撞，使得蒸汽分子透过过滤薄膜被干燥剂吸收，而粉末被阻碍在过滤薄膜外，随着载气向喷头运动，经激光束作用在工件表面。
由线圈缠绕的加热管加载一定频率的谐波交流电，随即稳定地产生焦耳热，但由于管内送粉的不断进行，同时带走一部分热量，故加热管周围温度实现动态平衡。调节电流大小，使得周围温度上升至110℃，便可使夹杂在粉末中，随载气而来的水份受热蒸发形成水蒸气。滤芯将滤管腔体均匀分成4个截面积相同的滤芯腔体，滤芯首尾自转90°，确保少量水蒸气可以在4个滤芯腔体内被充分吸收干净。送气过程中，高温粉末和水蒸气分子运动加剧，不断撞击4个滤芯腔壁，由于干燥剂表面覆盖一层过滤薄膜，其间隙大于水分子而小于1纳米，故水分子撞击时，便可穿过薄膜，被薄膜内的干燥剂所吸收，而粉末则无法进入，随着载气向前运动，直至送入喷头被喷出。
发明的有益效果
1本发明采用终端粉末加热干燥方式，可以有效避免粉末在输送过程中，吸收空气中的水蒸气，大大降低了熔覆系统的工作环境要求，节约生产成本；2粉末干燥的同时，并对其进行预热，缩小粉末与基体温差，减小热物性参数失配导致的裂纹产生；3粉末粒度可达到纳米级别，适用于高质量、高精度激光熔覆系统；4送粉压力小于0.15MPa，可以很大程度避免粉末飞溅的浪费；5干燥剂采用无水氯化钙，属于中性干燥剂，不用考虑送粉气体的酸碱性，扩大了载气的种类范围；6加热管和滤管通过螺纹连接，日后可使用工具将滤芯从滤管左侧取出，方便定期更换；7干燥剂制成螺旋形，确保气体与粉末在流动过程整体均匀地与过滤薄膜撞击，使水蒸气被更充分吸收；8经过干燥过滤后，粉末终含水量为0.1～0.5％，远优于熔覆指标，影响基本可以忽略不计。
附图说明
图1为粉末加热器的结构示意图。
图中包括，1-1加热管；1-2加热管右侧外螺纹；2线圈；3加热管腔体。
图2为水蒸气过滤器的结构示意图。
图中包括，4-1滤管左侧内螺纹；4-2滤管；4-3滤管右侧内螺纹；5过滤腔一；6滤芯腔体；7过滤薄膜；8干燥剂；9喷头；10喷头左侧外螺纹；11过滤腔二；12挡环；13滤芯。
具体实施方式
为了更好地阐述发明的实施细节，下面结合附图对本发明的一种终端粉末实时干燥装置进行详细说明。
本发明的加热器原理为加热管中间缠绕有一定数量的线圈，在谐波交流电的作用下，产生局部涡流热，使粉末中的水分气化成水蒸气；过滤器原理为粉末与水蒸气混合物通过滤芯时，在载气作用下，不断与过滤薄膜碰撞，使得蒸汽分子透过过滤薄膜被干燥剂吸收，而粉末被阻碍在过滤薄膜外，随着载气向喷头运动，经激光束作用在工件表面。其中，过滤器中的过滤薄膜为聚四氟乙烯高分子材料，其表面布满蜂窝状网格，网格尺寸为大于水分子直径，小于1纳米，为3×10-10～5×10-10m，于此同时薄膜还具有耐高温、耐磨功能；干燥剂中使用粘结剂，预制成所需的螺旋形，在干燥剂的8个曲面上附上所述过滤薄膜组成滤芯，其长度d3为10～15*d1，其中d1为加热管右侧外螺纹大径，实际生产中可根据具体要求适当改变滤芯长度d3及自转角度，来满足粉末含水率要求；加热管右侧外螺纹与滤管左侧内螺纹深度一致，均为d2；滤管内指定位置设有挡环，固定滤芯位置，滤芯将滤管腔体均匀分割成4个截面积相同的滤芯腔体，保证所有高温载气粉末和水蒸气混合物在运输过程中均匀地、充分地与过滤薄膜相碰撞，将水蒸气吸收干净。为保证水蒸气吸收效果，故尽可能提高滤芯在过滤器中所占的长度比例，过滤器中各部分长度比为过滤腔一：滤芯：过滤腔二＝1:4:1。
实施实例一：
实验工艺参数：加热管腔体与滤管内压强0.1MPa，喷口处送粉速度为0.24cm3/min，熔覆粉末为IN718。加热器右侧外螺纹大径d1为30mm，深度d2为50mm，过滤器中滤芯深度d3为30cm。首先将线圈断电、滤芯去除进行送粉，取适量喷出粉末样品放入粉末水分测试仪进行检测；后将线圈通电、滤芯放置滤管中，在相同的工艺参数下进行送粉取样，放入粉末水分测试仪中进行检测。经检验，未通电及取除滤芯的含水量约为2～3％，通电并放置滤芯后的粉末含水量约为0.2％，水分减少率高达93％，远超出熔覆粉末含水量技术要求。更换实验工艺参数，将加热管腔体与滤管内压强减少至0.8MPa，喷口处送粉速度降低至0.15cm3/min，其他参数保持不变，进行送粉检测。经计算，水分减少率为90.5％。多次更换工艺参数进行送粉检测，并进行计算统计，水分减少率基本保持在90％～95％，远远满足实验技术要求。
实施实例二：
实验工艺参数：激光功率1500W，加热管腔体与滤管内压强0.1MPa，喷口处送粉速度为0.24cm3/min，扫描速度250mm/min，熔覆基材为IN718，熔覆粉末为IN718+30％WC。加热器右侧外螺纹大径d1为30mm，深度d2为50mm，过滤器中滤芯深度d3为30cm。首先将线圈断电、滤芯去除进行送粉，单道扫描10cm；后将线圈通电、滤芯放置滤管中，在相同的工艺参数下进行单道扫描10cm。后将试样切割，进行XRD检测，观察气孔率。观察得到将线圈断电、滤芯去除进行送粉得到的样件截面气泡个数为12，通电并添加滤芯后，样件截面气泡个数为1，气泡减少率为91.7％，与实施实例一水分减少率基本一致。更换部分工艺参数与粉末材料，送粉速度降低至0.15cm3/min，熔覆粉末为Fe901合金粉末，基体为45#钢，其他均保持不变。进行两次扫描熔覆后切割检测发现，线圈断电、滤芯去除进行送粉得到的样件截面气泡个数为9个，通电并添加滤芯后，样件截面气泡不明显，基本可以忽略不计。经多次重复试验，计算统计得截面气泡减少率基本保持在90％～95％之间，远超实验技术要求。

Claims (8)

1.一种终端粉末实时干燥装置，其特征在于，所述终端粉末实时干燥装置由加热器和过滤器组成，加热器和过滤器通过螺纹连接；所述的加热器包括加热管和线圈，线圈缠绕在加热管中间部位；所述过滤器包括滤管；滤管内设有过滤腔一、过滤腔二；在过滤腔一和过滤腔二之间的滤管腔体内设有滤芯，滤芯为具有8个曲面的螺旋形结构，滤芯将滤管腔体均匀分割成4个截面积相同的滤芯腔体，滤芯用于吸附粉末中的水蒸气；滤芯长度为d3，d3为10~15*d1，其中d1为加热管右侧外螺纹大径，改变滤芯长度d3及自转角度，来满足粉末含水率要求；过滤器中各部分长度比为过滤腔一：滤芯：过滤腔二=1:4:1；所述加热管的腔体、过滤腔一、滤芯腔体和过滤腔二内的送粉压力均小于0.15MPa。
2.如权利要求1所述的一种终端粉末实时干燥装置，其特征在于，所述加热管设有加热管右侧外螺纹，位于加热管右侧尾部表面。
3.如权利要求1所述的一种终端粉末实时干燥装置，其特征在于，所述滤芯的制备方法如下：向干燥剂中加入粘结剂，在预制模具中制成螺旋形，在干燥剂的8个曲面上附上过滤薄膜组成滤芯。
4.如权利要求3所述的一种终端粉末实时干燥装置，其特征在于，过滤薄膜为聚四氟乙烯高分子材料，其表面布满蜂窝状网格，网格尺寸大于水分子直径，小于1纳米，为3×10-10~5×10-10 m，于此同时薄膜还具有耐高温、耐磨功能。
5.如权利要求3所述的一种终端粉末实时干燥装置，其特征在于，干燥剂采用无水氯化钙，粘结剂使用环氧树脂，干燥剂与粘结剂的质量比为19:1。
6.如权利要求1所述的一种终端粉末实时干燥装置，其特征在于，滤管内指定位置设有挡环，用于确定滤芯位置；滤管左右两端分别设有滤管左侧内螺纹、滤管右侧内螺纹，滤管左侧内螺纹与加热器右侧外螺纹紧密连接，滤管右侧内螺纹与喷头外螺纹紧密连接；滤管左侧内螺纹与加热管右侧外螺纹深度一致。
7.如权利要求1所述的一种终端粉末实时干燥装置，其特征在于，所述的粉末是金属粉末、陶瓷粉末或混合粉末。
8.利用如权利要求1-7任一所述装置实施粉末实时干燥的方法，其特征在于，由线圈缠绕的加热管加载谐波交流电，随即稳定地产生焦耳热，但由于管内送粉的不断进行，同时带走一部分热量，故加热管周围温度实现动态平衡；调节电流大小，使得周围温度上升至110℃，便可使夹杂在粉末中，随载气而来的水分受热蒸发形成水蒸气；滤芯将滤管腔体均匀分成4个截面积相同的滤芯腔体，滤芯首尾自转90°，确保水蒸气可以在4个滤芯腔体内被充分吸收干净；送气过程中，高温粉末和水蒸气分子运动加剧，不断撞击4个滤芯腔壁，由于干燥剂表面覆盖一层过滤薄膜，其间隙大于水分子而小于1纳米，故水分子撞击时，便可穿过薄膜，被薄膜内的干燥剂所吸收，而粉末则无法进入，随着载气向前运动，直至送入喷头被喷出。
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