CN110802236B - 一种通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开实施例是关于一种通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的装置及方法。该装置包括雾化室、送粉机构、热源、旋转机构及驱动机构，其中，送粉机构用以将第一金属粉末送入雾化室内；热源的发热部设置于雾化室的内部，用以将第一金属粉末融化成外围呈液态的第二金属粉末；旋转机构的旋转部伸入雾化室内并接收掉落至旋转部表面的第二金属粉末；驱动机构与旋转机构连接，驱动机构驱动旋转部旋转产生离心力以将第二金属粉末粉碎成多个第三金属粉末。本公开实施例可以将粗粒径金属粉末进行二次破碎制备得到细粒径金属粉末，且能够提高细粒径金属粉末的质量和收率，扩大金属粉末的应用范围。

Description

一种通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的装置及方法

技术领域

本公开实施例涉及粉末冶金技术领域，尤其涉及一种通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的装置及方法。

背景技术

近几年随着热等静压、金属增材制造、注射成型等粉末冶金技术的发展，对金属粉末的需求也迅速增长；同时，随着金属增材制造技术等新型技术的发展，对金属粉末的品质特别是粒径分布提出了更高的要求，以粉末床选区熔化成形为代表的3D打印技术对金属粉末的粒径需求主要集中在15～100μm。

目前金属粉末的生产技术主要有气雾化制粉、等离子熔丝雾化制粉和等离子旋转电极制粉等。其中气雾化制粉由于采用高压气体直接作用于金属溶液，制备的金属粉末存在较多的空心粉；等离子熔丝雾化制粉技术只能用于非脆性丝材的雾化制粉，粉体材料类型受限；等离子旋转电极制粉技术生产的金属粉末以其球形度高、流动性好、杂质含量低等诸多优良品质已经成为业界公认的高品质粉末制备技术。

传统的等离子旋转电极制粉技术受制于设备极限工作转速、电极棒料直径等技术瓶颈，生产的金属粉末粒径主要集中在20～250μm，且细粒径粉末占比较少。以钛合金粉末为例，目前粒径小于100μm的旋转电极粉末收率不到40％，较粗的粉末粒径限制了旋转电极制粉技术在3D打印领域的应用。

因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本公开实施例的目的在于提供一种通过对金属粉末颗粒的局部熔化粉碎制备细粒径金属粉末的装置及方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本公开实施例的第一方面，提供一种通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的装置，包括雾化室、送粉机构、热源、旋转机构及驱动机构；其中，送粉机构用以将第一金属粉末送入所述雾化室内；热源包括发热部，所述发热部设置于所述雾化室的内部，用以将所述第一金属粉末融化成外围呈液态的第二金属粉末；旋转机构包括旋转部，所述旋转部伸入所述雾化室内并接收掉落至所述旋转部表面的所述第二金属粉末；驱动机构与所述旋转机构连接，所述驱动机构驱动所述旋转机构的旋转部旋转产生离心力以将所述第二金属粉末粉碎成多个第三金属粉末。

在一个实施例中，所述旋转部位于所述发热部的下方；所述发热部与所述旋转部之间包括高温区域，所述送粉机构包括送粉管道，所述送粉管道伸入所述高温区域附近以将所述第一金属粉末送入所述高温区域。

在一个实施例中，所述送粉机构的送粉速度、送粉量以及热源在所述高温区域的温度场分布与所述第一金属粉末的材料和粒径中的至少一个相关；和/或，所述热源的功率范围为1～1000kW，所述送粉速度范围为10～10000g/min，所述旋转部的转速为1000～150000r/min。

在一个实施例中，所述驱动机构包括动力机构和传动机构；所述旋转机构包括与所述旋转部连接的转轴；所述动力机构通过所述传动机构为所述转轴提供扭矩。

在一个实施例中，所述旋转机构的转轴为空心轴；所述空心轴内设置冷却介质，所述冷却介质与所述旋转部接触，以冷却所述旋转部。

在一个实施例中，所述装置还包括收粉机构，位于所述雾化室的下方，用于收集所述雾化室内制备形成的所述第三金属粉末。

在一个实施例中，所述装置还包括抽真空机构和惰性气体供应机构，其中，所述抽真空机构用以对所述雾化室抽真空；所述惰性气体供应机构用以向抽真空后的所述雾化室填充惰性气体。

在一个实施例中，所述装置还包括支撑机构，位于所述旋转机构与所述雾化室之间，用以支撑所述旋转机构。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的方法，采用上述实施例所述的装置，所述方法包括：

所述送粉机构将所述第一金属粉末送入所述雾化室内；

所述热源的发热部将所述第一金属粉末融化成外围呈液态的所述第二金属粉末；

所述驱动机构驱动所述旋转机构的旋转部旋转将所述第二金属粉末粉碎成多个所述第三金属粉末。

在一个实施例中，在所述送粉机构将所述第一金属粉末送入所述雾化室内的步骤之前，所述方法还包括：

所述抽真空机构对所述雾化室抽真空；

所述惰性气体供应机构向抽真空后的所述雾化室填充惰性气体。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本公开的实施例中，通过上述通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的装置及方法，将粗粒径金属粉末进行二次破碎制备得到细粒径金属粉末，可作为等离子旋转电极雾化制粉技术的补充，制备得到的细粒径金属粉末球形度高、流动性好及压缩性好，且制备效率高、批次一致性好，能够提高细粒径金属粉末的收率和质量，扩大金属粉末的应用范围。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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的附图。

图1示出本公开示例性实施例中一个通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的装置的结构示意图；

图2示出本公开示例性实施例中一个第一金属粉末破碎成多个第三金属粉末的过程示意图；

图3示出本公开示例性实施例中一个通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本示例实施方式中首先提供了一种通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的装置。参考图1中所示，该装置可以包括雾化室1、送粉机构2、热源3、旋转机构4和驱动机构5；其中，送粉机构2用以将第一金属粉末6送入雾化室1内；热源3包括发热部301，发热部301设置于雾化室1的内部，用以将第一金属粉末融化成外围呈液态的第二金属粉末7；旋转机构4包括旋转部401，旋转部401伸入雾化室1内并接收掉落至旋转部401表面的第二金属粉末7；驱动机构5与旋转机构4连接，驱动机构5驱动旋转机构4的旋转部401旋转产生离心力以将第二金属粉末7粉碎成多个第三金属粉末8。

通过上述通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的装置，将粗粒径金属粉末进行二次破碎制备得到细粒径金属粉末，可作为等离子旋转电极雾化制粉技术的补充，制备得到的细粒径金属粉末球形度高、流动性好及压缩性好，且制备效率高、批次一致性好，能够提高细粒径金属粉末的收率和质量，扩大金属粉末的应用范围。

下面，将参考图1至图2对本示例实施方式中的上述装置的各个部分进行更详细的说明。

在一个实施例中，雾化室1是一个密封的封闭空间，且满足雾化制粉成形工艺的高纯惰性气氛环境。雾化室1的形状总体呈两个对称设置的直角梯形，直角梯形的两个腰101通过法兰固定连接，为保证雾化室1的密封性，法兰固定连接的位置处使用L型密封件10和V型密封件11密封。

在一个实施例中，热源3的发热部301从雾化室1的上壁伸入雾化室1的内部，旋转机构4的旋转部401从雾化室1的两个直角梯形的腰的连接处伸入雾化室1内，且旋转部401位于发热部301的下方，发热部301与旋转部401之间包括一高温区域9。送粉机构2包括储粉装置201、送粉管道202及泵(图中未示出)，送粉管道202从雾化室1的上壁伸入高温区域9附近，以将第一金属粉末6送入高温区域9，具体的，送粉机构2通过送粉管道202在泵的作用下将储存在储粉装置201中的第一金属粉末6泵入高温区域9。本公开实施例中，热源3可以是等离子弧、电弧或电子束等热源方式，本公开实施例对此不作限定；送粉机构2可以是刮板式、转盘气动式、电磁振动式、鼓轮式或双筒式等结构，本公开实施例对此不作限定。

在一个实施例中，参考图2中所示，第一金属粉末6进入高温区域后，掉落至旋转部401表面的过程中，其外围材料逐渐被热源3熔化，但其内核仍然保持固体结构，形成外围材料被熔化但内核仍然是固体的第二金属粉末7。第二金属粉末7掉落至旋转部401表面后，在旋转部401高速旋转产生的离心力的作用下，固体内核甩出并脱离母体形成单独的第三金属粉末8，外围液态材料也形成单独的第三金属粉末8。在一些实施例中，外围液态材料在离心力的作用下也可以进一步破碎形成多个第三金属粉末8。通常，第一金属粉末6的粒径主要集中在20～250μm，第一金属粉末6在离心力作用下被粉碎成多个第三金属粉末8，一般为2～3个第三金属粉末8，第三金属粉末8的粒径主要集中在10～100μm。

在一个实施例中，送粉机构2可以定速定量的将第一金属粉末6送入高温区域9，通过控制第一金属粉末6的送粉速度、送粉量和热源3的温度场分布，将第一金属粉末6熔化成外围成液态但内核仍然是固体的第二金属粉末7。送粉机构2的送粉速度、送粉量以及热源3在高温区域9的温度场分布与第一金属粉末6的材料和粒径中的至少一个相关，通常，第一金属粉末的熔点越高、粒径越大，送粉机构2的送粉速度越慢、送粉量越小，热源3的功率越大；第一金属粉末的熔点越低、粒径越小，送粉机构2的送粉速度越快、送粉量越大，热源3的功率越小。热源3的功率范围可以是1～1000kW，送粉机构2的送粉速度范围可以是10～10000g/min，旋转部401的转速可以是1000～150000r/min。在一个具体实施例中，热源3的功率范围可以是100～1000kW，送粉机构2的送粉速度范围可以是100～1000g/min，旋转部401的转速可以是10000～150000r/min。根据第一金属粉末6的材料和粒径，选择合适的热源3的功率、送粉机构2的送粉速度和旋转部401的转速，可以提高细粒径金属粉末的收率和质量。

在一个实施例中，驱动机构5包括动力机构501和传动机构502；旋转机构4还包括与旋转部401连接的转轴402，动力机构501通过传动机构502为转轴402提供扭矩。旋转部401与转轴402之间可以刚性连接，两者接触面通过O型密封圈密封；动力机构501可以是电机或其他原动机，传动机构502可以是带、齿轮或其他扭矩传输机构，本公开实施例对此不做具体限定；传动机构502设置于转轴402与动力机构501之间，动力机构501通过传动机构502驱动转轴402高速旋转，进而带动旋转部401高速旋转以产生离心力，使掉落至旋转部401表面的第二金属粉末7在离心力作用下被粉碎成多个第三金属粉末8。在一个实施例中，旋转部401可以是圆盘状，第二金属粉末7掉落至旋转部401的盘面上，旋转部401的盘面直径可以是10～1000mm，在一个具体实施例中，旋转部401的盘面直径可以是100～1000mm，旋转部401的盘面直径不宜过小，过小可能造成部分第二金属粉末7不能掉落在旋转部401的盘面上而被破碎，导致细粒径金属粉末的收率和质量下降，旋转部401的盘面直径也不宜过大，过大可能影响旋转部401的转速和细粒径金属粉末的制备效率。

在一个实施例中，通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的装置还可以包括支撑机构12，支撑机构12位于旋转机构4与雾化室1之间，用以支撑旋转机构4。具体的，在工作环境下，转轴402高速旋转，位置易发生偏移，为防止转轴402的位置偏移，在雾化室1的两个腰101的外壁与转轴402之间设置支撑机构12，支撑机构12可以是支撑轴承，为高速旋转的转轴402提供支撑。

在一个实施例中，为防止旋转部401因长时间在高温环境下工作而被熔化，旋转机构4的转轴402可以是空心轴，空心轴内设置冷却介质，冷却介质与旋转部401接触，以冷却旋转部401。具体的，冷却介质可以是水或其他介质，本公开实施例对比不做具体限定。在一个具体实施例中，通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的装置还可以包括水冷管13，水冷管13贯穿空心轴402并与旋转部401接触，以冷却旋转部401。水冷管13与空心轴402之间可以存在缝隙，水冷管13与旋转部401接触处可以存在缝隙，冷水不断从水冷管13进入，流经水冷管13与旋转部401的接触面后，从水冷管13与空心轴402之间的缝隙流出，达到持续冷却旋转部401的效果。在一个实施例中，因旋转部401的上表面更靠近热源3，为进一步防止旋转部401的上表面因长时间在高温环境下工作而被熔化，旋转部401可以具有一开口向下的凹槽，水冷管13可以延伸至该凹槽中，使冷水更接近旋转部401的上表面。

在一个实施例中，通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的装置还包括收粉机构14，收粉机构14可以包括气动蝶阀141和收粉罐142，收粉机构14位于雾化室1的下方，用于收集雾化室1内制备形成的第三金属粉末8。在一个实施例中，通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的装置包括2个收粉机构14，分别位于雾化室101下方的边缘位置处，且靠近雾化室101的两个腰，用于收集从雾化室101的两个腰上滚落的第三金属粉末8。

在一个实施例中，通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的装置还包括抽真空机构15和惰性气体供应机构16，其中，抽真空机构15用以对雾化室1抽真空，使雾化室1内的环境达到合适的真空度，例如5×10^-3Pa的真空度；惰性气体供应机构16用以向抽真空后的雾化室1填充惰性气体，如氩气、氖气等气体，但不限于此，可以向雾化室1充入纯度大于99.999％的惰性气体，充入惰性气体后，雾化室1的正压达到0.04～0.06Mpa，以满足雾化制粉成形工艺的高纯惰性气氛环境。

本示例实施方式中还提供了一种通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的方法，采用上述实施例所述的装置，参考图3中所示，该方法可以包括：

S101：送粉机构将第一金属粉末送入雾化室内；

S102：热源的发热部将第一金属粉末融化成外围呈液态的第二金属粉末；

S103：驱动机构驱动旋转机构的旋转部旋转将第二金属粉末粉碎成多个第三金属粉末。

在一个实施例中，步骤S101和步骤S102中，送粉机构2可以定速定量的将第一金属粉末6送入雾化室1的高温区域9，通过控制第一金属粉末6的送粉速度、送粉量和热源3的温度场分布，将第一金属粉末6熔化成外围成液态但内核仍然是固体的第二金属粉末7。送粉机构2的送粉速度、送粉量以及热源3在高温区域9的温度场分布与第一金属粉末6的材料和粒径中的至少一个相关，通常，第一金属粉末的熔点越高、粒径越大，送粉机构2的送粉速度越慢、送粉量越小，热源3的功率越大；第一金属粉末的熔点越低、粒径越小，送粉机构2的送粉速度越快、送粉量越大，热源3的功率越小。热源3的功率范围可以是1～1000kW，送粉机构2的送粉速度范围可以是10～10000g/min，旋转部401的转速可以是1000～150000r/min。

在一个实施例中，步骤S102和步骤S103中，第一金属粉末6进入高温区域9后，掉落至旋转部401表面的过程中，其外围材料逐渐被热源3熔化，但其内核仍然保持固体结构，形成外围材料被熔化但内核仍然是固体的第二金属粉末7。第二金属粉末7掉落至旋转部401表面后，在旋转部401高速旋转产生的离心力的作用下，固体内核甩出并脱离母体形成单独的第三金属粉末8，外围液态材料也形成单独的第三金属粉末8。在一些实施例中，外围液态材料在离心力的作用下也可以进一步破碎形成多个第三金属粉末8。通常，第一金属粉末6的粒径主要集中在20～250μm，第一金属粉末6在离心力作用下被粉碎成多个第三金属粉末8，一般为2～3个第三金属粉末8，第三金属粉末8的粒径主要集中在10～100μm。

在一个实施例中，在步骤S101之前，所述方法还可以包括：

S201：抽真空机构对雾化室抽真空；

S202：惰性气体供应机构向抽真空后的雾化室填充惰性气体。

在一个实施例中，步骤S201中，抽真空机构15用以对雾化室1抽真空，使雾化室1内的环境达到合适的真空度，例如5×10^-3Pa的真空度。步骤S202中，惰性气体供应机构16向抽真空后的雾化室1填充惰性气体，如氩气、氖气等气体，但不限于此，具体的，可以向雾化室1充入纯度大于99.999％的惰性气体，充入惰性气体后，雾化室1的正压达到0.04～0.06Mpa，以满足雾化制粉成形工艺的高纯惰性气氛环境。

本公开实施例中，通过上述通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的装置及方法，将粗粒径金属粉末进行二次破碎制备得到细粒径金属粉末，可作为等离子旋转电极雾化制粉技术的补充，制备得到的细粒径金属粉末球形度高、流动性好及压缩性好，且制备效率高、批次一致性好，能够提高细粒径金属粉末的收率和质量，扩大金属粉末的应用范围。

需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本公开实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的装置，其特征在于，包括：

雾化室；

送粉机构，用以将第一金属粉末送入所述雾化室内；

热源，包括发热部，所述发热部设置于所述雾化室的内部，用以将所述第一金属粉末熔化成外围呈液态的第二金属粉末；

旋转机构，包括旋转部，所述旋转部伸入所述雾化室内并接收掉落至所述旋转部表面的所述第二金属粉末；

驱动机构，与所述旋转机构连接，所述驱动机构驱动所述旋转机构的旋转部旋转产生离心力以将所述第二金属粉末粉碎成多个第三金属粉末。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述旋转部位于所述发热部的下方；所述发热部与所述旋转部之间包括高温区域，所述送粉机构包括送粉管道，所述送粉管道伸入所述高温区域附近以将所述第一金属粉末送入所述高温区域。

3.根据权利要求2所述装置，其特征在于，

所述送粉机构的送粉速度、送粉量以及热源在所述高温区域的温度场分布与所述第一金属粉末的材料和粒径中的至少一个相关；和/或，

所述热源的功率范围为1～1000kW，所述送粉速度范围为10～10000g/min，所述旋转部的转速为1000～150000r/min。

4.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述驱动机构包括动力机构和传动机构；所述旋转机构包括与所述旋转部连接的转轴；所述动力机构通过所述传动机构为所述转轴提供扭矩。

5.根据权利要求4所述装置，其特征在于，所述旋转机构的转轴为空心轴；所述空心轴内设置冷却介质，所述冷却介质与所述旋转部接触，以冷却所述旋转部。

6.根据权利要求1所述装置，其特征在于，还包括收粉机构，位于所述雾化室的下方，用于收集所述雾化室内制备形成的所述第三金属粉末。

7.根据权利要求1所述装置，其特征在于，还包括：

抽真空机构，用以对所述雾化室抽真空；

惰性气体供应机构，用以向抽真空后的所述雾化室填充惰性气体。

8.根据权利要求1所述通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的装置，其特征在于，还包括支撑机构，位于所述旋转机构与所述雾化室之间，用以支撑所述旋转机构。

9.一种通过颗粒局部熔化制备细粒径金属粉末的方法，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的装置，所述方法包括：

所述送粉机构将所述第一金属粉末送入所述雾化室内；

所述热源的发热部将所述第一金属粉末熔化成外围呈液态的所述第二金属粉末；

所述驱动机构驱动所述旋转机构的旋转部旋转将所述第二金属粉末粉碎成多个所述第三金属粉末。

10.根据权利要求9所述方法，其特征在于，在所述送粉机构将所述第一金属粉末送入所述雾化室内的步骤之前，所述方法还包括：

所述抽真空机构对所述雾化室抽真空；

所述惰性气体供应机构向抽真空后的所述雾化室填充惰性气体。