CN110303162A - 一种超声波制备金属球形粉体装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波制备金属球形粉体装置，包括熔化室、制粉室、冷却装置，装置内充入惰性气体；所述熔化室内设有能够熔化金属原料的加热装置以及金属原料；制粉室内设有超声振动部件，超声振动部件包括依次连接的超声波换能器、变幅杆、雾化头，雾化头的顶面为工作面，金属液滴由熔化室滴落在工作面上，冷却装置包括喷嘴，喷嘴设置在雾化头的底部。本发明的有益效果：通过超声方法振荡液滴/液流，制得粉末球形度高，品质极好，相比较气雾化工艺，缩减惰性气体的使用缩减了98％以上；通过冷却保证了超声设备的稳定性和寿命。

Description

一种超声波制备金属球形粉体装置

技术领域

本发明涉及一种金属球形粉体制备装置，尤其涉及的是一种超声波制备金属球形粉体装置。

背景技术

增材制造，即3D打印，日益为世界各国所重视，发达国家已将3D打印作为未来工业发展的关键，因为它可以缩短供应链，减少开发、设计和测试新产品的时间和成本。值得注意的是，3D打印技术还通过减少材料浪费和促进按需(甚至是本地化)生产，为更可持续的工业实践创造了机会。

金属3D打印所用的球形金属粉末，当前一般通过气雾化、等离子旋转电极、等离子雾化等方法制得。

EIGA，即电极感应熔融气雾化(Electrode Induction Melting GasAtomization)，工艺原理是，该技术以金属或预制合金棒为原料，棒材底部置于感应线圈中，其底端熔化产生的熔融液滴进入气体喷嘴中心而被惰性气体所雾化，冷却固化后得到球形粉体，该技术不使用坩埚，有助于提高产品纯度。当前3D打印金属球形粉末，较多采用气雾化法制得。气雾化技术，即通过使用高压气体喷嘴，使高压的气体将金属液流/液滴冲击破碎，形成微小液滴，经冷却后得到粉末。该技术路线，对喷嘴的要求较高，消耗的惰性气体也较多，实际生产中大多采用直排模式，浪费了较多气体；如申请号：201910322947.7，本发明公开了一种气雾化制备球形铬粉的方法，属于粉末冶金技术领域。具体方法步骤包括：1)铬粉制备，将铬块进行低温研磨破碎制粉，温度控制在-50～10℃；2)压制，将铬粉装入胶套内并进行震动、反向墩料后压制，压力为150MPa～300MPa，保压时间为5min-15min；3)烧结，将压制好的铬棒装入真空烧结炉内进行烧结，烧结最高温度控制在1000℃～1200℃，保温时间30～480min，真空度<100pa；4)气雾化EIGA，将烧结后铬棒装入EIGA(旋转电极感应熔炼真空气雾化)进行制粉，加热功率10～40Kw。气雾化方法制得球形粉末粒径范围较宽，且目标粒度粉末比例较低，粉末存在卫星粉、空心球等问题。

等离子旋转电极方法，受当前电极旋转速度等影响，制得细粉比例较低；

等离子雾化方法也存在目标粒度收得比例较低的问题。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有的制粉工艺存在粉末品质无法达到要求的问题。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：本发明一种超声波制备金属球形粉体装置，其特征在于，包括熔化室、制粉室、冷却装置，制粉室设置在熔化室的下方，且熔化室与制粉室之间设有用于熔化的金属液滴通过的通道，冷却装置设置在制粉室的外部，并与制粉室连通，该装置内被抽真空后，充入惰性气体；

所述熔化室内设有能够熔化金属原料的加热装置以及金属原料；

所述制粉室内设有超声振动部件，超声振动部件包括超声波换能器、变幅杆、雾化头，超声波换能器与变幅杆连接，变幅杆与雾化头连接，雾化头的顶面为工作面，被融化的金属原料产生的金属液滴由熔化室滴落在工作面上；

所述冷却装置包括喷嘴，喷嘴设置在雾化头的底部。

本发明通过采用通过超声方法振荡液滴/液流，制得粉末球形度高，品质极好，大幅缩减惰性气体使用，相比较气雾化工艺，缩减量达98％以上；通过对超声设备冷却，保证了超声设备的稳定性和寿命，利于工业级制粉；因此本发明制得的粉末品质好，纯净度高、球形度高；该装置稳定，适合工业级生产，推广性强；设备简单，稳定，投入成本低；粉末目标粒度占比高；粉末生产成本低廉。

其中，超声波制粉的工作原理是：换能器将输入的电能转换成机械能，即超声波。其表现形式是换能器在纵向作来回伸缩运动，振幅一般在几个微米。这样的振幅功率密度不够，是不能直接使用的。变幅杆按设计需要放大振幅，隔离金属熔体和热能传递，同时也起到固定整个超声波振动系统的作用。雾化头的一端与变幅杆相连，变幅杆将超声波能量振动传递给雾化头。熔融的液体金属流淌到雾化头的另一端，这里是超声波振幅最大的地方。液体金属在超声波振动的激发下，被打散，然后飞溅出去。再经快速冷却后收集，从而达到金属制粉。

所述加热装置为感应加热线圈，金属原料为金属棒，金属棒垂直的置于感应加热线圈中心位置。感应加热线圈对金属棒加热方法，无坩埚接触，保证了材料的纯净度；

优选的，所述加热装置为感应加热坩埚，感应加热坩埚内装有金属原料。坩埚底部设有用于金属熔化后产生的金属液滴的通道；或者直接将坩埚倾斜，金属液滴流出。

优选的，所述加热装置为等离子体发生器，等离子体可以直接将金属棒熔化，金属液滴滴落，也可以与坩埚组合使用，等离子体将坩埚中的金属熔化，坩埚底部设有用于金属熔化后产生的金属液滴的通道；或者采用倾转的方式流出。

优选的，所述加热装置是电弧发生器，电弧可以直接将金属棒熔化，金属液滴滴落，也可以与坩埚组合使用，电弧将坩埚中的金属熔化，坩埚底部设有用于金属熔化后产生的金属液滴的通道；或者采用倾转的方式流出。

当然除此之外，除了坩埚加热，等离子体加热，还可以使用其他的熔化方式，使用者可以根据其需要进行选择，不限于本申请中提到的加热装置。

优选的，所述感应加热线圈为螺旋状结构，该螺旋状结构由上至下，变径逐渐变小，螺旋状结构的圈数为1-9圈。

金属棒的底部设置成尖端，在螺旋锥形线圈中受到感应加热作用而逐渐熔化形成熔体液流，在重力的作用下熔体液流直接流入到工作面，另外可以通过优化螺旋线圈的圈数、直径等来优化金属棒液滴的形态和流速。

优选的，所述熔化室内还设有夹取金属棒的送料装置。

送料装置可以进行旋转和/或上下运动，可以使受热均匀，并根据上下运动，调整熔化的速度，液流直径1.2-2.5mm或细小液滴，使用效果较佳。

优选的，所述超声振动部件还包括超声波发生器，超声波换能器与超声波发生器通过导线连接。

超声波发生器包括整流电路，振荡电路，放大电路，反馈电路，跟踪电路、保护电路，匹配电路、显示仪表等。用于产生高频高功率电流，驱动超声波振动部件工作；超声波发生器的功率可调，以适应不同的工作状态；发生器内还可根据需要集成有时序控制器，设定控制超声波发振时间和间歇时间；采用现有技术中的超声波发生器即可。

优选的，所述雾化头为圆盘型，工作面为圆形平面或弧面；所述雾化头为圆锥形，工作面为圆锥面。

优选的，所述冷却装置还包括冷却器、风机、过滤装置，过滤装置的一侧通过管道连接制粉室，另一端连接冷却器，冷却器的另一侧通过管道连接风机，风机连接喷嘴。

优选的，所述冷却装置还包括惰性气体气源，与风机与冷却器之间的管道连接。

过滤装置可以对循环使用的惰性气体进行过滤，冷却器可以对惰性气体进行冷却，惰性气体源用于充入惰性气体。

冷却装置还可以是水冷，具体的，可以是：所述冷却装置包括循环连接的水管、水泵、补水箱，水管内有冷却水，水管设置在超声振动部件上，水泵与补水箱设置在制粉室的外部。还可以用冷却水的循环，将超声振动部件进行冷却，具体的，水管可以缠绕在超声波换能器、变幅杆、雾化头上。

优选的，所述制粉室的底端还设有集粉装置，制粉室的侧面设有真空泵，真空泵连接熔化室和制粉室。

集粉装置可以对球形粉体进行收集，真空泵能够将熔化室与制粉室工作之前保持真空状态，后在充入惰性气体，惰性气体可以是氩气、氮气或其他种类不与粉体发生反应的惰性气体

本发明相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明通过超声方法振荡液滴/液流，制得粉末球形度高，品质极好，大幅缩减惰性气体使用，相比较气雾化工艺，缩减量达98％以上；通过对超声设备冷却，保证了超声设备的稳定性和寿命，利于工业级制粉；因此本发明制得的粉末品质好，纯净度高、球形度高；该装置稳定，适合工业级生产，推广性强；设备简单，稳定，投入成本低；粉末目标粒度占比高；粉末生产成本低廉；

(2)采用感应加热线圈对金属棒加热方法，无坩埚接触，保证了材料的纯净度；

(3)金属棒的底部设置成尖端，在螺旋锥形线圈中受到感应加热作用而逐渐熔化形成熔体液流，在重力的作用下熔体液流直接流入到工作面，另外可以通过优化螺旋线圈的圈数、直径等来优化金属棒液滴的形态和流速；

(4)集粉装置可以对球形粉体进行收集，真空泵能够将熔化室与制粉室工作之前保持真空状态，后在充入惰性气体，惰性气体可以是氩气、氮气或其他种类不与粉体发生反应的惰性气体。

附图说明

图1是本发明实施例一种超声波制备金属球形粉体装置的结构示意图；

图2是实施例一中超声振动部件的结构示意图；

图3是感应加热线圈的结构示意图；

图4是实施例一中冷却装置的结构示意图；

图5是实施例四中超声振动部件的结构示意图；

图6是实施例五中超声振动部件的结构示意图；

图7是实施例六中冷却装置的结构示意图。

图中标号：熔化室1、感应加热线圈11、金属棒12、制粉室2、超声波换能器21、变幅杆22、雾化头23、超声波发生器24、冷却装置3、喷嘴31、冷却器32、风机33、过滤装置34、惰性气体气源35、水管36、水泵37、补水箱38、集粉装置4、真空泵5。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一：

如图1、图2所示，本实施例一种超声波制备金属球形粉体装置，包括熔化室1、制粉室2、冷却装置3，制粉室2设置在熔化室1的下方，且熔化室1与制粉室2之间设有用于熔化的金属液滴通过的通道，冷却装置3设置在制粉室2的外部，并与制粉室2连通，该装置内被抽真空后，充入惰性气体；

如图2所示，所述熔化室1内设有感应加热线圈11、金属棒12，金属棒12垂直的置于感应加热线圈11中心位置，金属棒12是被感应加热线圈11包围在中心的，但不能接触；所述感应加热线圈11为螺旋状结构，该螺旋状结构由上至下，变径逐渐变小，螺旋状结构的圈数为1-9圈，本实施例中为3圈；感应加热线圈11一般为紫铜管制成，内部通水，紫铜管可以是圆管、方管或其他形状的管；对感应加热线圈11为通电进行加热。其中金属棒的底部设置成尖端，垂直安装，直径1.5-150mm，尖端的角度为30-75度，在螺旋锥形线圈中受到感应加热作用而逐渐熔化形成熔体液流，在重力的作用下熔体液流直接流入到工作面；

结合图3所示，可以通过优化感应加热电源、螺旋线圈的圈数、直径等来优化金属棒液滴的形态和流速。如：将感应加热线圈最上层线圈的直径D1设置为金属棒直径的1.2-1.7倍，感应线圈最下层线圈的直径D2的0.1-1.5倍，感应线圈层数为2-9层,感应线圈角度为c为10°-75°。

同时，所述熔化室内还设有夹取金属棒的送料装置。送料装置可以进行旋转和/或上下运动，可以使受热均匀，并根据上下运动，调整熔化的速度，再结合线圈的相关参数，控制液流直径为1.2-2.5mm或细小液滴，使用效果较佳。实现旋转可以由电机实现，实现上下运动可以由丝杆螺母、齿轮驱动等现有技术中的方式，均可以参照，此处不做赘述。

优选的，金属棒的转速为0.5-2.7r/min，金属棒下降速度为30-150mm/min。

如图2所示，所述制粉室2内设有超声振动部件，超声振动部件包括超声波换能器21、变幅杆22、雾化头23、超声波发生器24，超声波换能器21与变幅杆22连接，变幅杆22与雾化头23连接，雾化头23的顶面为工作面，金属液滴由熔化室滴落在工作面上；超声波换能器21与超声波发生器24通过导线连接。

本实施例中，由上至下依次为雾化头23、变幅杆22、超声波换能器21。

本实施例中，所述雾化头23为圆盘型，工作面为圆形平面。

感应加热线圈11与超声振动部件是上、下垂直结构，同心设置，结构各自独立，能够使金属液滴垂直滴落时滴在工作面上。

如图4所示，所述冷却装置3包括喷嘴31、冷却器32、风机33、过滤装置34、惰性气体气源35，喷嘴31设置在雾化头23的底部、过滤装置34的一侧通过管道连接制粉室2，另一端连接冷却器32，冷却器32的另一侧通过管道连接风机33，风机33连接喷嘴31，与风机33与冷却器32之间的管道连接。喷嘴31为一个圆筒结构，端部为出风口，在风机33的带动下，可以将冷却后的惰性气体喷射在雾化头的底部，从而进行热交换，并可以将较热惰性气体由管道带出，进入过滤装置34，过滤装置34可以对循环使用的惰性气体进行过滤，冷却器32可以对惰性气体进行冷却，惰性气体源35用于充入惰性气体。

如图1所示，所述制粉室2的底端还设有集粉装置4，集粉装置4可以对球形粉体进行收集，采用现有技术中的即可。

制粉室2的侧面设有真空泵5，真空泵5连接熔化室1和制粉室2。真空泵5能够将熔化室1与制粉室2工作之前保持真空状态，后在充入惰性气体，惰性气体可以是氩气、氮气或其他种类不与粉体发生反应的惰性气体。

本发明通过采用感应加热线圈对金属棒加热方法，无坩埚接触，保证了材料的纯净度；其次，通过超声方法振荡液滴/液流，制得粉末球形度高，品质极好，大幅缩减惰性气体使用，相比较气雾化工艺，缩减量达98％以上；通过对超声设备冷却，保证了超声设备的稳定性和寿命，利于工业级制粉；因此本发明制得的粉末品质好，纯净度高、球形度高；该装置稳定，适合工业级生产，推广性强；设备简单，稳定，投入成本低；粉末目标粒度占比高；粉末生产成本低廉。

其中，超声波制粉的工作原理是：换能器将输入的电能转换成机械能，即超声波。其表现形式是换能器在纵向作来回伸缩运动，振幅一般在几个微米。这样的振幅功率密度不够，是不能直接使用的。变幅杆按设计需要放大振幅，隔离金属熔体和热能传递，同时也起到固定整个超声波振动系统的作用，雾化头23的一端与变幅杆22相连，变幅杆22将超声波能量振动传递给雾化头23，熔融的液体金属流淌到雾化头23的另一端，这里是超声波振幅最大的地方，液体金属在超声波振动的激发下，被打散，然后飞溅出去，再经快速冷却后收集，从而达到金属制粉。

其中，超声波发生器24包括整流电路，振荡电路，放大电路，反馈电路，跟踪电路、保护电路，匹配电路、显示仪表等。用于产生高频高功率电流，驱动超声波振动部件工作；超声波发生器的功率可调，以适应不同的工作状态；发生器内还可根据需要集成有时序控制器，设定控制超声波发振时间和间歇时间；采用现有技术中的超声波发生器即可。

实施例二：

本实施与实施例一的区别在于：加热装置不同；

本实施例中，所述加热装置为感应加热坩埚，感应加热坩埚内装有金属原料，坩埚底部设有用于金属熔化后产生的金属液滴的通道。坩埚的具体结构，可以采用现有技术中的坩埚，并在此基础上加工出一个小孔，可以通过加热的温度、小孔的大小来控制金属液滴滴下的速度。或者直接将坩埚倾斜，金属液滴流出。

实施例三：

本实施与实施例一的区别在于：加热装置不同；

本实施例中，所述加热装置为等离子体发生器，等离子体可以直接将金属棒熔化，金属液滴滴落，也可以与坩埚组合使用，等离子体将坩埚中的金属熔化，坩埚底部设有用于金属熔化后产生的金属液滴的通道，可以通过加热的温度、小孔的大小来控制金属液滴滴下的速度，或者采用倾转的方式流出。

实施例四：

本实施与实施例一的区别在于：加热装置不同；

本实施例中，所述加热装置是电弧发生器，电弧可以直接将金属棒熔化，金属液滴滴落，也可以与坩埚组合使用，电弧将坩埚中的金属熔化，坩埚底部设有用于金属熔化后产生的金属液滴的通道；或者采用倾转的方式流出。

实施例五：

如图5所示，本实施与实施例一的区别在于：超声振动部件的布置不同。

本实施例中，超声振动部件同样包括超声波换能器21、变幅杆22、雾化头23、超声波发生器24，超声波换能器21与变幅杆22连接，变幅杆22与雾化头23连接；

本实施例中，由上至下依次为超声波换能器21、雾化头23、变幅杆22；雾化头23的朝向金属棒12的面为工作面。

实施例六：

如图6所示，本实施与实施例一的区别在于：雾化头23的结构不同。

所述雾化头23为圆锥形，工作面为顶端的圆锥面。

实施例七：

如图7所示，本实施与实施例一的区别在于：冷却装置不同。

本实施例中，所述冷却装置3包括循环连接的水管36、水泵37、补水箱38，水管36内有冷却水，水管36设置在超声振动部件上，水泵37与补水箱38设置在制粉室2的外部。

本实施例采用冷却水的循环，将超声振动部件进行冷却，具体的，水管36可以缠绕在超声波换能器21、变幅杆22、雾化头23上；也可以仅设置在雾化头23的下方，根据实际需要设置。

上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声波制备金属球形粉体装置，其特征在于，包括熔化室、制粉室、冷却装置，制粉室设置在熔化室的下方，且熔化室与制粉室之间设有用于熔化的金属液滴通过的通道，冷却装置设置在制粉室的外部，并与制粉室连通，该装置内被抽真空后，充入惰性气体；

所述熔化室内设有能够熔化金属原料的加热装置以及金属原料；

所述制粉室内设有超声振动部件，超声振动部件包括超声波换能器、变幅杆、雾化头，超声波换能器与变幅杆连接，变幅杆与雾化头连接，雾化头的顶面为工作面，被融化的金属原料产生的金属液滴由熔化室滴落在工作面上；

所述冷却装置包括喷嘴，喷嘴设置在雾化头的底部。

2.根据权利要求1所述的一种超声波制备金属球形粉体装置，其特征在于，所述加热装置为感应加热线圈，金属原料为金属棒，金属棒垂直的置于感应加热线圈中心位置。

3.根据权利要求1所述的一种超声波制备金属球形粉体装置，其特征在于，所述加热装置为感应加热坩埚，感应加热坩埚内装有金属原料。

4.根据权利要求1所述的一种超声波制备金属球形粉体装置，其特征在于，所述加热装置为等离子体发生器。

5.根据权利要求1所述的一种超声波制备金属球形粉体装置，其特征在于，所述加热装置为电弧发生器。

6.根据权利要求2所述的一种超声波制备金属球形粉体装置，其特征在于，所述感应加热线圈为螺旋状结构，该螺旋状结构由上至下，变径逐渐变小，螺旋状结构的圈数为1-9圈。

7.根据权利要求1所述的一种超声波制备金属球形粉体装置，其特征在于，所述超声振动部件还包括超声波发生器，超声波换能器与超声波发生器通过导线连接。

8.根据权利要求1所述的一种超声波制备金属球形粉体装置，其特征在于，所述雾化头为圆盘型，工作面为圆形平面或弧面；或者所述雾化头为圆锥形，工作面为圆锥面。

9.根据权利要求1所述的一种超声波制备金属球形粉体装置，其特征在于，所述冷却装置还包括冷却器、风机、过滤装置、惰性气体气源，过滤装置的一侧通过管道连接制粉室，另一端连接冷却器，冷却器的另一侧通过管道连接风机，风机连接喷嘴；惰性气体源与风机与冷却器之间的管道连接。

10.根据权利要求1所述的一种超声波制备金属球形粉体装置，其特征在于，所述制粉室的底端还设有集粉装置；制粉室的侧面设有真空泵，真空泵连接熔化室和制粉室。