CN111390192A - 一种制备球形金属微粉的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料加工设备领域，公开了一种制备球形金属微粉的设备和方法，该设备包括送料系统、激光加热系统、气路系统、球化处理腔和粉末收集装置；球化处理腔上部的激光加热系统包括环向均匀布置且具有相同聚焦点的多路激光器，聚焦点位于进料金属丝的径向界面中心点；球化处理腔上部外接气路系统，底部连接粉末收集装置；其中气路系统的进气装置包括与激光器连接的多路激光同轴送气机构。利用该设备制备球形金属微粉不会引入杂质，制备金属微球过程中随时可以暂停而不影响粉体的品质，能够灵活控制金属球形微粉的细度，细粉收得率高。

Description

一种制备球形金属微粉的设备和方法
技术领域
本发明涉及材料加工设备领域，具体涉及一种制备球形金属微粉的设备和方法。
背景技术
增材制造(也称“3D打印”)作为一项前瞻性、战略性技术，其工程应用性很强，领域跨度大，对未来制造业，尤其是高端制造的发展十分重要。目前，增材制造技术在研究部门和媒体上比较热门，但在产业化上仍处于起步阶段。究其原因，随着激光技术、数控技术和信息技术的发展，增材制造技术在成型设备、加工尺寸和精度上取得了显著成就，但在材料研发特别是金属材料上，还未跟上发展的脚步。发展的瓶颈是材料选择面窄、通用性差和价格高等问题。从某种意义上说，3D打印最关键的不是机械制造，而是材料研发。
目前，3D打印金属粉末材料包括钴铬合金、不锈钢、工业钢、青铜合金、钛合金和镍铝合金等。当前国内用于3D打印金属构件的材料如：不锈钢粉、模具钢粉、高温镍基合金粉、钛合金粉等主要依赖进口。但是3D打印金属粉末除需具备良好的可塑性外，还必须满足粉末粒径细小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松装密度高等要求。
目前针对3D打印用金属粉末的制备方法主要有雾化法、旋转电极法、球化法等，其中主要采用气雾化法生产。真空气雾化制粉工艺可以满足粉末的低氧、低杂质要求，所制备的粉末具有粒度细小、球形度高、氧含量低、纯度高等优点。然而，真空气雾化制粉过程中，熔融金属会腐蚀坩埚，不可避免地存在陶瓷夹杂、卫星球、空心粉等缺陷。因此近几年来，随着3D打印技术的发展，3D打印领域对高性能、高品质的金属粉末需求急剧增加。相应地，无坩埚电极感应熔化气体雾化法(EIGA法)、等离子火炬法(PA法)以及等离子旋转电极雾化法(PREP法)等制粉工艺在高性能金属粉末制备领域中得到迅速发展。
等离子旋转电极雾化虽然避免了夹杂的问题，且具有球形度高、伴生颗粒少、空心/卫星粉少、低氧含量、粒度分布窄等优势，但目前只能制备粒径范围较大的金属粉末，由于粉末的粗细即液滴尺寸的大小主要依靠提高棒料的转速或增大棒料的直径，转速提高必然会对设备密封、振动等提出更高的要求。该方法制备的金属粉可部分用于电子束3d打印成型，不适合普及度更高的激光3d打印成型。无坩埚电极感应熔化气体雾化法由于熔体过热度不够，也容易造成局部过快凝固形成片状粉、卫星粉等异形粉，造成球形度和流动性较差。等离子火炬法(PA法)制备的粉体质量较好，国际上采用等离子火炬雾化法生产高性能球形钛合金粉体材料的厂家主要分布于北美地区，但是这些国家针对该项技术实施严格的封锁保密政策，鲜有设备及产品性能的报道。国内湖南鼎立科技、湖南久泰冶金科技等公司进行相关技术攻关，但一直未有成熟的产品推出。
发明内容
本发明针对现有等离子体火炬法制粉工艺的不足，旨在提供一种制备球形金属微粉的设备，将等离子火炬高温热源与高压气体雾化功能独立开来，采用激光为热源，温度控制更加灵活、高效，设备操作简单、安全性好，制备的金属粉末流动性好。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种制备球形金属微粉的设备，包括送料系统、激光加热系统、气路系统、球化处理腔和粉末收集装置；
所述球化处理腔上端设有动密封的送料系统，所述送料系统包括送丝马达、传动机构、准直机构和冷却机构；
所述球化处理腔上部设有激光加热系统，所述激光加热系统包括环向均匀布置且具有相同聚焦点的多路激光器，所述聚焦点位于进料金属丝的径向界面中心点；多路激光器用环形固定器固定；所述球化处理腔上部外接气路系统，底部连接粉末收集装置；
所述的气路系统包括进气装置和尾气处理装置，所述进气装置包括与激光器连接的多路激光同轴送气机构。
优选地，所述气路系统还包括与所述多路激光同轴送气机构交替对称布置多路辅助送气机构，为熔融后的金属微球提供调整液滴喷射角度的作用，防止形成紊流区导致雾化后的金属液滴重新碰撞到一起形成卫星颗粒，影响金属粉体的流动性。
本发明中通过激光将金属丝熔化成液滴，然后再通过与激光器同轴的送气机构输入高压气体将熔化的液滴吹散成液态的雾珠，雾珠在高温下自然收缩成球，通过惰性气体实现表面冷却后，再于粉末收集装置中快速冷却固化定型，将金属丝材变成球形金属微粉。
所述多路激光器中包含一路可沿金属丝送料方向转动扫描的激光器，可转动扫描的激光器通过锚链与环形固定器固定。其中沿着金属丝送料方向移动扫描的激光器对金属丝预热、金属熔滴保持合适的温度梯度和过热度的效果，防止温度液滴温度过高出现爆沸。另一方面可以起到调整液滴喷射角度的作用，不同时间喷射的液滴沿不同的方向进行运动，防止形成紊流区导致雾化后的金属液滴重新碰撞到一起形成卫星颗粒，影响金属粉体的流动性。根据需要，将收集后的粉末进行筛分后，再选用不同的粒度的粉末进行级配，形成满足3d打印需求的金属粉。
所述的粉末收集装置包括收集器和设于收集器外围的冷却装置。
所述球化处理腔的腔体从内之外依次包括石英内胆、吸光层和不锈钢水冷外壳，所述石英内胆与吸光层在通孔处密封。既起到透光作用，又防止金属微粉吸附吸光材料上，同时还能避免吸光材料挥发对球形金属微粉造成污染。
所述吸光层为石墨或表面具有多孔结构的铜管，防止激光反射对设备造成破坏。
所述多路激光器包括3～15路激光器。
所述激光器包括三路路，呈120°均匀布置，其中两路与环形固定器固定，另一路与环形固定器锚链连接，沿金属丝送料方向转动扫描。激光加热与高压气体输送集成在一起，高压气体采用圆管进行输送，激光器固定在圆管末端，激光沿圆管轴线照射，简化设计及控制系统难度。优选地，激光器采用YAG激光器，功率30～500W。
优选地，所述的设备还包括控制单元，负责整台设备的水、电、气显示和控制。
本发明还提供一种利用所述的设备制备球形金属微粉的方法，包括如下步骤：
(1)球化处理腔内抽真空，充入惰性气体填充整个球化处理腔；
(2)通过送料系统向球化处理腔内送入金属丝原料；
(3)启动多路激光器和多路激光器同轴送气机构，将金属丝熔融并分散成金属雾珠；
(4)金属雾珠在重力沉降过程中冷却凝结成金属液滴，金属液滴进入粉末接收装置，经冷却固化定型。
抽真空换气步骤使系统内部的氧含量在一个较低的水平，再通过送丝马达带动传动机构，将高纯金属丝原料通过准直机构均匀输送至球化处理腔中，金属丝在激光加热系统处，经激光器加热至熔化状态，然后通过与激光器同轴的送气机构输入高压气体将雾化的金属液滴吹散形成金属雾珠，经过高温热处理的粉末先使用冷的气体进行外部定型，然后落在水冷金属壳体上，快速冷却定型。
所述多路激光器包含多路环向均匀布置且具有相同聚焦点的激光器和一路沿金属丝送料方向转动扫描的激光器。
所述的金属丝原料直径为1～10mm，金属丝原料不易过粗，太粗激光不能完全熔化；太细刚度不够，在气流中容易抖动，稳定性不好。因此本发明的设备选用直径为1～10mm的金属丝原料最合适。
高压气体通过与激光器同轴的送气机构直接输送到雾化端，压力损失小，气流稳定性更好，气雾化过程更加可控，更适合小尺寸球形金属微粉的制备。本发明的设备及相应球形微粉制备工艺通用性好，制备粉末流动性好，操作简单、安全性好、易于推广。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的设备中无坩埚，不会引入杂质，材料适用面广，活泼或者不活泼金属都能使用该设备制造。
(2)本发明的设备整体运行稳定较低，能源使用效率高，节能环保，设备集成度高、操作简单、维护简便、易于推广。
(3)利用本发明的设备制备金属微球过程中随时可以暂停而不影响粉体的品质，能够灵活控制金属球形微粉的细度，而且细粉收得率高。
附图说明
图1为实施例1中设备整体结构示意图。
图2为实施例1中设备送料系统示意图。
图3为实施例1中设备激光加热系统示意图。
图4为实施例1中设备气路系统示意图。
图5为实施例1中设备球化处理腔腔体结构示意图。
图6为实施例1中设备粉末收集装置结构示意图。
图7为实施例1中制备的粉末SEM图。
其中，控制单元1、气路系统2、真空泵2-1、气瓶组2-2、尾气处理装置2-3、送料系统3、送丝马达3-1、传动机构3-2、准直机构3-3，冷却机构3-4、激光加热系统4、激光器4-1、激光同轴送气机构4-2、环形固定器4-3、辅助送气机构4-4、球化处理腔5、石英内胆5-1、吸光层5-2、不锈钢水冷外壳5-3、密封圈5-4、粉末收集装置6、冷却装置6-1、收集器6-2、阀门6-3。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换，而未脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围内。
实施例1
一种制备球形金属微粉的设备如图1-6所示，包括控制单元1、气路系统2、送料系统3、激光加热系统4、球化处理腔5和粉末收集装置6。
其中控制单元1负责整台设备的水、电、气显示和控制。球化处理腔5腔体包括石英内胆5-1、石墨的吸光层5-2和不锈钢水冷外壳5-3，石英内胆5-1与吸光层5-2在通孔处用密封圈5-4密封。
球化处理腔5上端设动密封的送料系统3，包括送丝马达3-1、传动机构3-2、准直机构3-3和冷却机构3-4；球化处理腔5上部设激光加热系4统，包括环向均匀布置且具有相同聚焦点的三路激光器4-1，激光器的聚焦点位于进料金属丝的径向界面中心点；激光器4-1中两路激光器通过环形固定器4-3固定，另一路激光器与环形固定器4-3锚链连接，沿金属丝送料方向转动扫描。
球化处理腔5外接气路系统2，2包括进气装置和尾气处理装置2-3，其中进气装置包括真空泵2-1、气瓶组2-2、以及与激光器4-1连接激光同轴送气机构4-2和三路辅助送气机构4-4，激光同轴送气机构4-2和辅助送气机构4-4交替对称布置。
球化处理腔5底部连接粉末收集装置6，粉末收集装置包括收集器6-2和设于收集器外围的冷却装置6-1，粉末收集装置6与球化处理腔5间设有阀门6-3。
利用上述设备制备球形金属微粉，包括步骤：利用真空泵2-1对球化处理腔5内抽真空，打开气瓶组2-2开关充入惰性气体填充整个球化处理腔5；再通过送丝马达3-1带动传动机构3-2，将高纯金属丝原料通过准直机构3-3和冷却机构3-4均匀输送至球化处理腔5中，启动激光器4-1和激光同轴送气机构4-2，将金属丝经激光器4-1加热至熔化状态，然后通过与激光器同轴的送气机构4-2输入高压气体将雾化的金属液滴吹散形成金属雾珠。沿金属丝送料转动扫描的激光器可预热金属丝，防止爆沸。
经过高温热处理的粉末先经冷气体进行外部定型，然后落在球化处理腔5的石英内胆5-1上，快速冷却定型，再进入冷却收集装置中，经过冷却装置6-1的冷却，获得需要的球形金属微粉。收集器6-2上设置有观察窗，收集器6-2集满后，关闭阀门6-3，取下收集器6-2，换上新的收集器，然后打开阀门，开始新一轮的收集，所获的金属粉末经扫描电子显微镜观察，其SEM图如图7所示，可见金属粉末颗粒圆润度高，且尺寸较小。
待完全冷却后在保护气氛下转移到筛分系统，根据需要将收集后的粉末进行筛分后，再选用不同的粒度的粉末进行级配，形成满足3d打印需求的金属粉，整个处理过程在保护气氛下完成，防止氧化对粉体品质造成影响。

Claims (10)

1.一种制备球形金属微粉的设备，其特征在于，包括送料系统、激光加热系统、气路系统、球化处理腔和粉末收集装置；
所述球化处理腔上端设有动密封的送料系统，所述送料系统包括送丝马达、传动机构、准直机构和冷却机构；
所述球化处理腔上部设有激光加热系统，所述激光加热系统包括环向均匀布置且具有相同聚焦点的多路激光器，所述聚焦点位于进料金属丝的径向界面中心点；多路激光器用环形固定器固定；所述球化处理腔上部外接气路系统，底部连接粉末收集装置；
所述的气路系统包括进气装置和尾气处理装置，所述进气装置包括与激光器连接的多路激光同轴送气机构。
2.根据权利要求1所述的制备球形金属微粉的设备，其特征在于，所述多路激光器中包含一路可沿金属丝送料方向转动扫描的激光器，可转动扫描的激光器通过锚链与环形固定器固定。
3.根据权利要求1所述的制备球形金属微粉的设备，其特征在于，所述的气路系统还包括与多路激光同轴送气机构交替对称布置的多路辅助送气机构。
4.根据权利要求1所述的制备球形金属微粉的设备，其特征在于，所述的粉末收集装置包括收集器和设于收集器外围的冷却装置。
5.根据权利要求1所述的制备球形金属微粉的设备，其特征在于，所述球化处理腔的腔体从内之外依次包括石英内胆、吸光层和不锈钢水冷外壳，所述石英内胆与吸光层在通孔处密封。
6.根据权利要求5所述的制备球形金属微粉的设备，其特征在于，所述吸光层为石墨或表面具有多孔结构的铜管。
7.根据权利要求1所述的制备球形金属微粉的设备，其特征在于，所述多路激光器包括3～15路激光器。
8.根据权利要求1或7所述的制备球形金属微粉的设备，其特征在于，所述激光器包括三路路，呈120°均匀布置，其中两路与环形固定器固定，另一路与环形固定器锚链连接，沿金属丝送料方向转动扫描。
9.一种利用权利要求1～8任一项所述的设备制备球形金属微粉的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)球化处理腔内抽真空，充入惰性气体填充整个球化处理腔；
(2)通过送料系统向球化处理腔内送入金属丝原料；
(3)启动多路激光器和多路激光器同轴送气机构，将金属丝熔融并分散成金属雾珠；
(4)金属雾珠在重力沉降过程中冷却凝结成金属液滴，金属液滴进入粉末接收装置，经冷却固化定型。
10.根据权利要求9所述的制备球形金属微粉的方法，其特征在于，所述多路激光器包含多路环向均匀布置且具有相同聚焦点的激光器和一路沿金属丝送料方向转动扫描的激光器。
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