CN111889691A - 一种制备金属粉体的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备金属粉体的系统，所述系统的改进在于，所述系统包括，位于所述制粉腔室另一侧与所述制粉腔室固定连接地用于旋转棒状阳极的励磁电机；套接于所述励磁电机的转子中的棒状阳极；在所述励磁电机固定于所述制粉腔室的接触面处设置一个通孔，所述通孔用于棒状阳极通过；位于所述棒状阳极供给端的碳刷，所述碳刷用于为所述棒状阳极电连接至正极；位于所述励磁电机未连接于所述制粉腔室另一侧的供给装置，用于驱动所述棒状阳极轴向运动。本发明的棒状阳极位于转子中间，不再存在现有结构中因为棒状阳极过长带来的供给偏心导致的旋转摆动以及旋转过程中存在的偏心问题。
Description
技术领域
本发明涉及粉体冶金领域，具体涉及一种制备金属粉体的系统。
背景技术
第201811598290.9号中国发明专利申请公开了一种旋转电极制粉装置，其棒状阳极的旋转进给部分采用现有的机床形式，核心是一个独立的机床底座、一个导轨、一个励磁电机，机床底座用于支撑、稳定整个装置，希望其在高速旋转时不会产生抖动或摆动。
但事实上，作为形成金属粉体的原材料，金属棒状阳极通过螺纹连接与励磁电机的转轴连接在一起，励磁电机高速运动时，棒状阳极随之高速转动。但是，因为是螺纹连接、以及棒状阳极的准直度加工特性，都不可避免的存在加工或安装误差，导致棒状阳极旋转过程中存在中心偏差；又因为棒状阳极是安装的励磁电机的前面，棒状阳极伸进制粉腔室的部分，距离励磁电极自动对中平衡的转子太远，必然导致棒状阳极的熔融端部产生更大的偏差，这样在旋转熔融制粉过程中，棒状阳极不断偏离等离子体射流中心，导致能量利用效率下降；而且在棒状阳极进入制粉腔室的法兰面，因为中心偏离，必然导致需要设置于所述法兰面的更大口径的通孔才能保证棒状阳极的正常旋转，这种更大口径的间隙通孔，使得制粉过程中，制粉腔室内的正压惰性气体不断扩散出来，所制备的金属粉体也被带了出来，导致环境的金属粉尘污染；第三，偏心的棒状阳极旋转，会与通孔的密封线圈和密封法兰等产生巨大的摩擦，一方面是导致密封线圈和密封法兰快速失效需要更换，另一方面是产生巨大噪音，使得工作环境严重恶化；最后，偏心的旋转带来的更大的摩擦力、噪音等，也导致棒状阳极旋转速率难以提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备金属粉体的系统，解决现有技术中的等离子体炬旋转电极制粉过程中的棒状阳极旋转的偏心问题，进而提高等离子体射流中心的能量利用效率，制备更小粒径的粉体。
为解决上述问题，本发明提供了一种制备金属粉体的系统，所述系统包括制粉腔室；位于所述制粉腔室底部的与所述制粉腔室可拆卸连接的粉体收集室；位于所述制粉腔室一侧依次设置的等离子体炬喷嘴和等离子体炬；与所述制粉腔室密封连通的真空装置和输气装置，用于对所述制粉腔室抽真空和输入惰性气体；为所述系统提供动力的电源；其特征在于，所述系统还包括，位于所述制粉腔室另一侧与所述制粉腔室固定连接地用于旋转棒状阳极的励磁电机；套接于所述励磁电机的转子中的棒状阳极；在所述励磁电机固定于所述制粉腔室的接触面处设置一个通孔，所述通孔用于棒状阳极通过；位于所述棒状阳极供给端的碳刷，所述碳刷用于为所述棒状阳极电连接至正极；位于所述励磁电机未连接于所述制粉腔室另一侧的供给装置，用于驱动所述棒状阳极轴向运动。
优选地，所述励磁电机、所述棒状阳极、所述等离子体炬喷嘴和所述等离子体炬同轴设置；所述供给装置的轴线低于所述励磁电机的轴线；并且所述棒状阳极和所述等离子体炬喷嘴相对设置。
优选地，所述通孔具有密封件，防止制备的粉体进入所述励磁电机。
优选地，所述转子和所述棒状阳极之间设置衬套。
优选地，所述衬套的长度大于所述转子的轴向长度，所述衬套轴向延伸进入并终止于所述通孔。
优选地，所述衬套与所述转子过盈配合。
优选地，所述衬套与所述棒状阳极间隙配合。
优选地，所述供给装置是伺服电机或步进电机，所述伺服电机或步进电机具有螺杆和螺母，所述螺母设置垂直于所述螺杆的传动件。
优选地，所述传动件套接有绝缘头，从而实现所述棒状阳极的接触式供给。
优选地，所述传动件朝向所述棒状阳极的一端设置磁铁，所述棒状阳极朝向所述传动件的一端设置同样极性的磁铁，从而实现所述棒状阳极的非接触式供给。
本发明相比于现有技术的有益效果在于：将棒状阳极设置于励磁电机的转子中，借用励磁电机的旋转提高了转速，而转子本身对棒状阳极起到了限位的作用，从而解决现有技术中的等离子体炬旋转电极制粉过程中的棒状阳极旋转的偏心问题，进而提高等离子体射流中心的能量利用效率，制备更小粒径的粉体；同时将励磁电机的机身固定于制粉腔室，能够将励磁电机旋转本身产生的震动影响降到最低，并减少了现有的等离子体炬旋转电极制粉系统的励磁电机底座等结构，从而简化了系统结构。本发明将现有技术中的通过移动励磁电机、从而间接推动棒状阳极进给的方式(棒状阳极是固定在励磁电机中间的传动轴上面的，棒状阳极与励磁电机之间没有相互位移)转变为通过进给装置直接作用于棒状阳极，而励磁电机轴向不发生位移，以励磁电机与棒状阳极之间存在相互位移的方式实现了本发明。
附图说明
图1是本发明的制备金属粉体的系统的结构示意图。
附图标号：
1.制粉腔室；2.等离子体炬；3.励磁电机；4.转子；5.棒状阳极；6.碳刷；7.供给装置；8.电源；9.粉体收集室；10.真空装置；11.输气装置；12.喷嘴；13.螺杆；14.螺母；15.传动件。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和此外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。
高的转速、高的能量密度，是获得3D打印用更小粒径、更好球形度金属粉体的保障。因为，对于等离子体炬旋转电极制粉，其粒径与等离子体射流能量、棒状阳极电极旋转速率之间有如下关系：
式中，vD为粉体冷却前液滴的颗粒尺度，
为棒状阳极转速，R为棒状阳极直径，ρ为棒状阳极比重，κ为为静电引力常数，π为为圆周率，a为为原子空间表征尺度，x为为与带电电荷数量有关的系数。式中a为与温度成正比(类似热膨胀)，所以，转速越高、温度越高(即能量密度越高)、粒度越小。将棒状阳极设置于励磁电机的转子中，借用励磁电机的旋转提高了转速，而转子本身对棒状阳极起到了限位的作用，从而解决现有技术中的等离子体炬旋转电极制粉过程中的棒状阳极旋转的偏心问题，进而提高等离子体射流中心的能量利用效率，为制备更小粒径的粉体奠定了基础；同时将励磁电机的机身固定于制粉腔室，能够将励磁电机旋转本身产生的震动影响降到最低，并减少了现有的等离子体炬旋转电极制粉系统的励磁电机底座等结构，从而简化了系统结构。本发明将现有技术中的通过移动励磁电机、从而间接推动棒状阳极进给的方式(棒状阳极是固定在励磁电机中间的传动轴上面的，棒状阳极与励磁电机之间没有相互位移)转变为通过进给装置直接作用于棒状阳极，而励磁电机轴向不发生位移，以励磁电机与棒状阳极之间存在相互位移的方式实现了本发明。
如图1所示，显示了本发明的制备金属粉体的系统的结构示意图。其中，所述系统包括：制粉腔室1；位于所述制粉腔室1底部的与所述制粉腔室1可拆卸连接的粉体收集室9；位于所述制粉腔室1一侧依次设置的等离子体炬喷嘴12和等离子体炬2；与所述制粉腔室1密封连通的真空装置10和输气装置11，用于对所述制粉腔室1抽真空和输入惰性气体；为所述系统提供动力的电源8；所述系统还包括，位于所述制粉腔室1另一侧与所述制粉腔室1固定连接地用于旋转棒状阳极5的励磁电机3，所述固定连接是焊接或法兰连接，将励磁电机3固定于制粉腔室1，减少了现有的等离子体炬旋转电极制粉系统的励磁电机3的底座；套接于所述励磁电机3的转子4中的棒状阳极5；在所述励磁电机3固定于所述制粉腔室1的接触面处设置一个通孔，所述通孔用于棒状阳极5通过；位于所述棒状阳极5供给端的碳刷6，所述碳刷6用于为所述棒状阳极5电连接至正极，所述等离子体炬2电连接至负极，从所述喷嘴12喷射出等离子体射流至所述棒状阳极5形成完整回路，所述棒状阳极5旋转时，所述碳刷6与所述棒状阳极5紧密接触，但是所述碳刷6不发生转动，所述碳刷6、所述棒状阳极5与所述等离子体炬2形成一个完整的等离子体系统；位于所述励磁电机3未连接于所述制粉腔室1另一侧的供给装置7，用于驱动所述棒状阳极5轴向运动。其中，所述碳刷6、所述真空装置10、所述输气装置11、所述励磁电机3、所述供给装置7、所述等离子体炬2分别设置有各自独立的控制电源，并且均串接于为所述系统提供动力的电源8。
所述励磁电机3、所述棒状阳极5、所述等离子体炬喷嘴12和所述等离子体炬2同轴设置；所述供给装置7的轴线低于所述励磁电机3的轴线；并且所述棒状阳极5和所述等离子体炬喷嘴12相对设置。
所述通孔具有密封件，防止制备的粉体进入所述励磁电机3。
所述转子4和所述棒状阳极5之间设置衬套(图中未示出)，所述衬套起到密封、磨损、绝缘保护的作用。
所述衬套的长度大于所述转子4的轴向长度，所述衬套轴向延伸进入并终止于所述通孔，从而所述衬套起到导向所述棒状阳极5进入通孔的作用，而且其终止于所述通孔，也起到了二次密封的作用。
所述衬套与所述转子4过盈配合，从而旋转更加一致。
所述衬套与所述棒状阳极5间隙配合，从而使得所述棒状阳极5能够顺利推进。
其中，所述通孔的内径大于等于所述密封件的外径；所述密封件的内径大于等于所述衬套的外径；所述衬套的内径大于所述棒状阳极5的外径。
所述供给装置7是伺服电机或步进电机，所述伺服电机或步进电机具有螺杆13和螺母14，所述螺母14设置垂直于所述螺杆13的传动件15。所述供给装置7可以固定连接于制粉腔室1的上面，或设置单独的支撑底座。
优选地，所述传动件15套接有绝缘头，从而实现所述棒状阳极5的接触式供给。
优选地，所述传动件15朝向所述棒状阳极5的一端设置磁铁，所述棒状阳极5朝向所述传动件15的一端设置同样极性的磁铁，从而实现所述棒状阳极5的非接触式供给。
本发明相比于现有技术的有益效果在于：将棒状阳极5设置于励磁电机3的转子4中，从而解决现有技术中的等离子体炬旋转电极制粉过程中的棒状阳极5旋转的偏心问题，进而提高等离子体射流中心的能量利用效率，制备更小粒径的粉体；同时将励磁电机3固定于制粉腔室1，减少了现有的等离子体炬旋转电极制粉系统的励磁电机3的底座，简化了系统结构。
实施例一：
励磁电机3固定于制粉腔室1上，制粉腔室1为不锈钢制造，制粉腔室1为立式圆柱结构，空间尺寸为：直径2000mm、高度500mm，侧立放置；
等离子体炬2和固定在转子4上面的棒状阳极5分别安装在制粉腔室1的圆形平面的中心，相互正对；原材料棒状阳极5的直径为80mm；
励磁电机3内部为永磁体，镶嵌在圆筒型不锈钢制造的外壳里面，不锈钢外壳的两端，为安装法兰，面对制粉腔室1的一端，励磁电机3通过法兰与制粉腔室1对应的法兰连接；远离制粉腔室1一端的法兰，连接励磁电机3的控制与驱动系统；
转子4为电磁线圈，内部设置衬套，衬套内部设置棒状阳极5；
棒状阳极5长度贯穿励磁电机3伸入到制粉腔室1内，与等离子体炬2相对，等离子体电弧工作过程中，棒状阳极5的该端部被不断熔融、甩出、成粉；
棒状阳极5的另一端，向后伸出了励磁电机3的工作区域，伸出长度为800mm，在棒状阳极5刚伸出来靠近励磁电机3的0-100mm位置区间，加载有碳刷6，碳刷6上面，安装有等离子体炬系统的电源线，碳刷6与等离子体炬系统的电源正极连接，等离子体炬2与等离子体炬系统的电源负极连接，从所述喷嘴12喷射出等离子体射流至所述棒状阳极5，所述棒状阳极5旋转时，所述碳刷6与所述棒状阳极5紧密接触，但是所述碳刷6不发生转动，所述碳刷6、所述棒状阳极5与所述等离子体炬2形成一个完整的等离子体系统；
棒状阳极5的终端由进给装置7的传动件15推进，传动件15与棒状阳极5接触的部分，由绝缘材料特氟龙加工制造，制粉过程中，在进给装置7的作用下，棒状阳极5不断被推入到制粉腔室1内熔融成粉，总进给长度设定为600mm，进给速率为0.1-10mm/s。
一个具体的制粉工艺过程如下：金属旋转棒状阳极由拟制备的基础金属粉体原材料316不锈钢组成。生产准备为，将加工好的316不锈钢棒状阳极5安装在转子4上，对制粉腔室1通过抽真空排除制粉腔室1内的杂质空气，然后通入惰性Ar气作为工艺气体，加入的Ar气的量，使得制粉腔室1内的压强达到1.5个大气压。
生产工艺过程为：首先启动旋转电极制粉系统工作，棒状阳极5旋转速度为8万转/分，等离子体炬2的工作功率为100kW，等离子体炬2的钨电极与棒状阳极5的端部保持间距为5cm，通过步进电机推进棒状阳极5不断向等离子体炬2方向进给，进给速率为2mm/s；制粉过程中，制粉腔室1环境Ar气压强保持1.5个大气压不变。在制粉棒状阳极5烧蚀结束、旋转电极制粉系统停止工作后，整个工艺过程完成。
本发明的棒状阳极5位于转子4中间，不再存在现有结构中因为棒状阳极5供给偏心导致的旋转摆动以及旋转过程中存在的偏心问题，提高了旋转速率，制备更小粒径的粉体。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述的仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种制备金属粉体的系统，所述系统包括制粉腔室；位于所述制粉腔室底部的与所述制粉腔室可拆卸连接的粉体收集室；位于所述制粉腔室一侧依次设置的等离子体炬喷嘴和等离子体炬；与所述制粉腔室密封连通的真空装置和输气装置，用于对所述制粉腔室抽真空和输入惰性气体；为所述系统提供动力的电源；其特征在于，所述系统还包括，位于所述制粉腔室另一侧与所述制粉腔室固定连接地用于旋转棒状阳极的励磁电机；套接于所述励磁电机的转子中的棒状阳极；在所述励磁电机固定于所述制粉腔室的接触面处设置一个通孔，所述通孔用于棒状阳极通过；位于所述棒状阳极供给端的碳刷，所述碳刷用于为所述棒状阳极电连接至正极；位于所述励磁电机未连接于所述制粉腔室另一侧的供给装置，用于驱动所述棒状阳极轴向运动。
2.根据权利要求1所述的制备金属粉体的系统，其特征在于，所述励磁电机、所述棒状阳极、所述等离子体炬喷嘴和所述等离子体炬同轴设置；所述供给装置的轴线低于所述励磁电机的轴线；并且所述棒状阳极和所述等离子体炬喷嘴相对设置。
3.根据权利要求1所述的制备金属粉体的系统，其特征在于，所述通孔具有密封件，防止制备的粉体进入所述励磁电机。
4.根据权利要求1所述的制备金属粉体的系统，其特征在于，所述转子和所述棒状阳极之间设置衬套。
5.根据权利要求4所述的制备金属粉体的系统，其特征在于，所述衬套的长度大于所述转子的轴向长度，所述衬套轴向延伸进入并终止于所述通孔。
6.根据权利要求4所述的制备金属粉体的系统，其特征在于，所述衬套与所述转子过盈配合。
7.根据权利要求4所述的制备金属粉体的系统，其特征在于，所述衬套与所述棒状阳极间隙配合。
8.根据权利要求1所述的制备金属粉体的系统，其特征在于，所述供给装置是伺服电机或步进电机，所述伺服电机或步进电机具有螺杆和螺母，所述螺母设置垂直于所述螺杆的传动件。
9.根据权利要求8所述的制备金属粉体的系统，其特征在于，所述传动件套接有绝缘头，从而实现所述棒状阳极的接触式供给。
10.根据权利要求8所述的制备金属粉体的系统，其特征在于，所述传动件朝向所述棒状阳极的一端设置磁铁，所述棒状阳极朝向所述传动件的一端设置同样极性的磁铁，从而实现所述棒状阳极的非接触式供给。
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