CN112620642A - 制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化装置及方法 - Google Patents

Abstract

制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化装置和方法中，待离心雾化的高温高表面张力液态金属从离心盘上方落入离心盘；离心盘和外部动力输出装置连接获得离心旋转动力；高温高表面张力金属在熔融过程中或在熔融之前添加了用于减小高温金属表面张力的微量元素；在高温高表面张力液态金属雾化过程中，对高温高表面张力金属流施加直流电。双重降低金属表面张力的措施，使高温高表面张力金属能适用于连续雾化过程，且使制得的高温高表面张力金属粉末具有良好的球形度，非常适用于金属增材制造过程。

Description

制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化装置及方法

技术领域

本发明涉及金属制粉的装备和方法技术领域，尤其涉及制备高温高表面张力金属粉末离心雾化用的离心雾化装置及离心雾化方法。

背景技术

随着3D打印技术的发展，金属增材制造对铜合金、不锈钢、硅铝合金等高温金属粉末的需求越来越大。目前这类粉末普遍存在熔点温度高，表面张力大的特点。在现有技术中，普遍采用气雾化或者水雾化的方法制造，产品球形度差，氧含量高，表面光洁度和粒度集中度不能适应大规模增材制造的要求。离子旋转雾化法、金属丝爆破法生产的粉末虽然性能较好，但由于产能小，成本高，又无法满足大批量粉末生产的要求。

离心雾化技术能获得高球型度，光洁表面，粒度集中，氧含量低的粉末产品。离心雾化工艺要求金属液体粘度小，表面张力小，具有较好的流动性，高温高表面张力金属由于粘度大，表面张力大，液体流动性差，无法应用离心雾化方法进行大规模的雾化生产。现有技术中的离心雾化大都是应用于低温金属如锡和锡基合金、铅和铅基合金、铋和铋基合金这些金属;这些合金或合金液体的元素特征就是熔点低于280℃,流动性好，表面张力低。

现有技术中CN107225232A：一种增材制造用金属粉末的制备方法中首先要获取需求粒径范围内的金属粉末，然后送入整形设备球形化成粉。该技术为金属粉末的球化设备，且在整形过程中表面磨损碰撞严重，光洁度差，有微细粉粘带，不利于增材制造的应用。专利CN201811648714.8制备增材制造用Al/Cu基合金粉末的离心雾化装置及方法中直接对合金熔液进行离心雾化，由于其表面张力较大，流动性差，无法对高温合金熔液进行规模化生产。

本发明的宗旨就是根据高温高表面张力金属如鉄，不锈钢，铜及其合金的特点，采用金属学和物理学方法，降低这些高温高表面张力金属在离心雾化过程中的表面张力和粘度，使其适合离心雾化的工艺要求，从而可以使用成熟的离心雾化技术大批量地生产球形度好，粒度均匀的用于增材制造的高温高表面张力的球形金属粉末。本申请文件中的高温高表面张力金属是指熔点温度范围大于等于280⁰C，且表面张力大于800mN/m的金属。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于避免现有技术中，高温高表面张力金属液体不适宜离心雾化的不足之处，而提供一种制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化装置及离心雾化方法，使其能用于熔点大于等于280⁰C，且表面张力大于800mN/m的液态金属的连续雾化。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是一种制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化装置包括，用于旋转的离心盘，待离心雾化的高温高表面张力液态金属从离心盘上方落入离心盘；离心盘和外部动力输出装置连接获得离心旋转动力；高温高表面张力金属在熔融过程中或在熔融之前添加了用于减小高温金属表面张力的微量元素；在高温高表面张力液态金属离心雾化过程中，对高温高表面张力金属流体施加电场。

制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化装置，包括用于将高温高表面张力金属从外部容器引至旋转离心盘上方的流通管道；直流电源，用于对高温高表面张力金属流体施加直流电；流通管道的一端和外部的真空感应金属熔炉连接，流通管道的另一端设置在离心盘的上方；外部的金属熔炉中的高温高表面张力液态金属经由金属管道落向离心盘形成高温高表面张力金属流；直流电源的正极设置在流通管道的出口处；直流电源的负极设置在离心盘上；当高温高表面张力金属从流通管道流出至离心盘上时，高温高表面张力金属流上作用有直流电。

所述直流电源的电压范围是1V～5V；或所述直流电源的电流范围是0.1A～10A。

高温高表面张力金属是熔点温度范围大于等于280⁰C，且液态表面张力大于等于800mN/m的金属。

离心盘包括离心盘主体和托架；采用钛合金、高温钢、高温不锈钢中的任意一种或多种材料制成的托架，用于和外部动力输出装置连接获得离心旋转动力；采用石墨、氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷、钨钼合金、钨铌合金、碳化钨合金或球墨铸铁中的任意一种或多种材料制成的离心盘主体固定在托架上，待离心雾化的高温高表面张力金属从离心盘主体上方落入离心盘；直流电源的正极设置在流通管道的出口处；直流电源的负极设置在托架上。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案还可以是一种制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化方法，采用了上述制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化装置进行离心雾化。

高温高表面张力金属包括铜、铜合金、不锈钢、铝、铝合金、金、金合金、银、银合金中的任意一种或多种。

所述微量元素包括金属铋Bi、钠Na、钾K、锑Sb、钙Ca等表面张力范围在500mN/m以下的金属以及非金属元素硒Se、氧O、磷P、硫S中的任意一种或多种。

所述微量元素是低表面张力特性的金属;低表面张力是指在液体或熔体中作用与相邻分子间的黏着力低，液体或熔体的表面张力是作用于表面的分子之间力的直接量度，可定义为自由表面作用于单位长度上的力国际单位N/m,习惯上表述表面张力单位为mN/m,影响熔体表面张力的两个重要因素为熔体相的化学组成和温度；低表面张力特性的金属是指在在其熔点时的表面张力范围在500mN/m以下的金属。如铋Bi376mN/m、、锑Sb371mN/m、钙Ca 225mN/m、钾K 86mN/m、钠Na 191mN/m，以及非金属元素硒Se103mN/m、氧O、磷P、硫S。所述微量元素加入的量是以主金属为质量百分比的0~5%，优选微量元素的加入量为主金属对微量元素的固溶量。主金属即高温高表面张力金属；优选微量元素加入的量是微量元素在主金属中的最大溶解度，该微量元素的用量，刚好使该种微量元素能固溶于主金属。

所述高温高表面张力金属在熔融过程中，添加用于减小高温金属表面张力的微量元素，同时还在金属熔融过程进行对超声波处理，超声波频率20千赫兹～30千赫兹、时间30分钟～120分钟。

超声波处理，是使超声波作用于熔融过程中的高温高表面张力金属和微量元素混合物，使微量元素能均匀地添加在熔融的高温高表面张力金属中，以均匀性地降低高温高表面张力金属熔液的表面张力。

高温高表面张力金属雾化在惰性气体氛围中进行。惰性气体包括氮气、氩气；惰性气体中含有一定量的氧含量，氧含量范围在100~1000ppm。所述惰性气体的温度低于高温高表面张力金属熔融的温度，惰性气体用于将液态的高温高表面张力金属降温，使高温高表面张力金属快速冷却形成球形粉末。

同现有技术相比较，本发明的有益效果是：1、在高温高表面张力金属中添加降低其表面张力的微量元素，使其混合物的表面张力能适用于连续雾化过程；同时在液态的高温高表面张力金属流上施加直流电的作用，进一步降低了混合物的表面张力，使其能适用于连续雾化过程。2、采用本申请中的雾化方法，适用于制备高温高表面张力金属粉末的连续稳定制备；解决了制备高温高表面张力金属粉末制备中不能采用离心雾化的问题，使离心雾化方法也能适用于高温高表面张力金属的粉末制造；大大提高了工作效率；这样的双重降低表面张力的措施，使制得的高温高表面张力金属粉末具有良好的球形度，非常适用于金属增材制造过程。

附图说明

图1是制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化装置实施例的示意图；图中包括了真空感应金属熔炉5；金属液体管道6即流动管道，该管道还带有保温装置；高温高表面张力金属液滴1，高温高表面张力液态金属流9；直流电源7，离心盘2，雾化室8；阀门3以及筛分设备4。

图2为实施例四制备的高温高表面张力的金锡粉末图片；图片是在高倍放大镜放大了320倍数之后的图片。

图3为对比例三的高温高表面张力的金锡粉末图片；图片是在高倍放大镜放大了320倍数之后的图片。

具体实施方式

下面结合各实施例对本发明作进一步的描述。这些实施例是本发明各优选实施方式的一部分，但本发明的权利要求并不受到这些实施例的限定。

在一些附图中未显示的实施例中，制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化方法，在重力的作用下，金属熔液从真空感应金属熔炉5落入高速旋转的雾化盘即离心盘2内，在离心力的作用下，从离心盘2边缘飞出，以片状式或者液滴状雾化成高温高表面张力金属液滴1，冷却成型成球形状粉末。

在一些附图中未显示的实施例中，制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化方法中，所述高温高表面张力金属熔液熔点在280℃以上,且具有较高的表面张力,这些高熔点金属包括铜和铜合金、不锈钢、铝及其合金、金及其合金、银及其合金。所述高温高表面张力金属液体中添加了表面张力较小的微量元素，如金属铋Bi、钠Na、钾K、锑Sb、钙Ca，非金属元素硒Se、氧O、磷P、硫S。所述低表面张力元素的添加量，是以主金属为质量百分比的0~5%，优选以主金属对添加元素的固溶能力为准。金属熔液在微合金化加入低表面张力的微量元素后，可进行超声波处理，超声波频率20千赫兹～30千赫兹 时间30分钟～120分钟,以均匀化添加的低表面张力金属元素和降低高温高表面张力金属熔液的表面张力。

在一些附图中未显示的实施例中，所述离心雾化装置的特征在于以1V～5V的直流电流连接高温高表面张力金属的熔炉和金属熔液流与高速电机所夹持的离心盘或雾化盘，离心盘或雾化盘连接直流电液的负极，熔炉中的高温高表面张力金属熔液体或其容器连接直流电的正极，形成一闭合回路。在直流电流的作用下，金属熔液的表面张力亦可进一步降低。

在一些附图中未显示的实施例中，所述高温高表面张力金属流体经微合金化和微电流直流双重作用下降低其表面张力后，适合用蝶状、漏孔杯型等多种离心雾化盘进行离心雾化，特别地由于表面张力降低，特别适合用漏孔杯型雾化盘，得到滴状分裂型的单一雾化形式的均匀球形金属粉末。

在一些附图中未显示的实施例中，所述高温高表面张力金属雾化在惰性气体氛围中进行，可以是氮气、氩气等。惰性气体中含有一定量的氧含量，氧含量范围在100~1000ppm。所述惰性气体氛围可以对雾化盘进行强行冷却，使雾状的低表面张力高温高表面张力金属液体快递冷却形成均匀的球形粉末。

本发明的目的在于克服了高温合金熔液表面张力高，粘度高，无法在离心盘上均匀铺展，不适合离心雾化的缺点，通过添加低表面张力元素和对熔液施加直流电压的物理方法，降低了高温高表面张力合金熔液的表面张力，使其均匀铺展在离心盘上，适应离心雾化工艺的要求。

金属的表面张力依赖于作用在相邻原子之间粘附力的强度，并与该金属材料的其他物理化学性质有关。金属材料中少量的表面活性物质存在，就会对其表面张力值产生显著的影响，但对该金属相体的性质影响不大。本发明的原理就是根据不同的高温高表面张力金属对其它低表面张力元素的固溶能力，在其中加入适当的低表面张力元素，使其表面张力大大降低，粘度也降低。从而适应于离心雾化工艺中，熔液在高速雾化盘表面形成均匀的液面，在离心盘边缘得到均匀的片状和滴状雾化液滴的要求。

研究表面，熔融金属的表面张力是与元素的电子数有关的，电子数越多，表面张力越高，高温高表面张力金属如铜等，具有较大的表面张力，是因为其内层为未充满电子层。本发明的采用1V～5V的直流电通过熔融金属液体，使其内层电子层被外来的电荷充满，从而表面张力得到降低。

以下是本发明的一些实施例：一种制备高温高表面张力金属粉末的雾化方法，高温高表面张力金属包括铁及其合金、铜及其合金、不锈钢、铝及其合金、金及其合金、银及其合金，添加的低表面张力元素包括铋、锑、钠、钙、钾、硒、氧、磷、硫中的任意一种或多种，添加的质量百分比为被添加的高温高表面张力金属元素0~5%，优选被添加的高温高表面张力金属元素的固溶量。如在900℃的铜中可熔铋的最大固溶量是0.025%(wt为重量百分百),在1063℃铜中硒Se的最大固溶量是1.8%(wt),而铜的表面张力是1380mN/m(毫牛/米),硒的表面张力是103mN/m,铋的表面张力是376mN/m，由于这些低表面张力的元素原子固溶在铜的原子之间，故可以大大降低铜熔液的表面张力。

实施例一，在高温高表面张力金属铜熔化后添加0.025%(wt)的低表面张力的铋金属，进行超声波处理，超声波频率20千赫兹, 时间30分钟，固溶Bi金属后的铜复合熔液，转入离心雾化装置。高温高表面张力金属熔液的温度设置1200度，离心雾化过程中冲入氮气，其雾化室的氧含量控制在400ppm以内，离心雾化装置中在高温高表面张力金属熔液的熔炉和金属熔液流与高速电机所夹持的离心雾化盘间施加5V的直流电，离心雾化盘连接直流电的负极，熔炉中的高温高表面张力金属熔液体连接直流电的正极，形成一闭合回路。通过添加低表面张力元素和对熔液施加直流电压的物理方法，降低了高温高表面张力金属铜的表面张力粘度，可实现高温高表面张力金属铜的离心雾化，制备工艺稳定，筛选，得到T3(25um～45um)高温金属铜球形粉末，检测球形粉末的球形度为90%。

实施例二，在高温高表面张力不锈钢熔化后添加1.20%(wt)的低表面张力的非金属硒元素，进行超声波处理，超声波频率30千赫兹, 时间60分钟，固溶Se金属后的不锈钢熔液，转入离心雾化装置。不锈钢熔液的温度设置1600度，离心雾化过程中冲入氮气，其雾化室的氧含量控制在200ppm，离心雾化装置中在高温高表面张力金属熔液的熔炉和金属熔液流与高速电机所夹持的离心雾化盘间施加3V的直流电，离心雾化盘连接直流电的负极，熔炉中的高温高表面张力金属熔液体连接直流电的正极，形成一闭合回路。通过添加低表面张力元素和对熔液施加直流电压的物理方法，降低了高温高表面张力不锈钢的表面张力粘度，可实现高温高表面张力不锈钢的离心雾化，制备工艺稳定，筛选，得到T4(20um～38um)高温不锈钢球形粉末，检测球形粉末的球形度为92%。

实施例三，在高温高表面张力铝合金熔化后添加1.0%(wt)的低表面张力的钾金属，进行超声波处理，超声波频率20千赫兹, 时间90分钟，固溶钾金属后的铝合金熔液，转入离心雾化装置。铝合金熔液的温度设置700度，离心雾化过程中冲入氮气，其雾化室的氧含量控制在100ppm，离心雾化装置中在高温高表面张力金属熔液的熔炉和金属熔液流与高速电机所夹持的离心雾化盘间施加1V的直流电，离心雾化盘连接直流电的负极，熔炉中的高温高表面张力金属熔液体连接直流电的正极，形成一闭合回路。通过添加低表面张力元素和对熔液施加直流电压的物理方法，降低了高温高表面张力铝合金的表面张力粘度，可实现高温高表面张力铝合金的离心雾化，制备工艺稳定，筛选，得到T3(25um～45um)高温铝合金球形粉末，检测球形粉末的球形度为93%。

实施例四，在高温高表面张力金属金锡合金熔化后添加0.025%(wt)的低表面张力的铋金属，进行超声波处理，超声波频率20千赫兹, 时间30分钟，固溶Bi金属后的金锡复合熔液，转入离心雾化装置。高温高表面张力金属熔液的温度设置320度，离心雾化过程中冲入氮气，其雾化室的氧含量控制在200ppm以内，离心雾化装置中在高温高表面张力金属熔液的熔炉和金属熔液流与高速电机所夹持的离心雾化盘间施加3V的直流电，离心雾化盘连接直流电的负极，熔炉中的高温高表面张力金属熔液体连接直流电的正极，形成一闭合回路。通过添加低表面张力元素和对熔液施加直流电压的物理方法，降低了高温高表面张力金属金锡的表面张力粘度，可实现高温高表面张力金属金锡的离心雾化，制备工艺稳定，筛选，得到T3(25um～45um)高温金属金锡合金球形粉末，检测球形粉末的球形度为97%。

如图2所示，实施例四制备的高温高表面张力的金锡粉末在高倍放大镜放大了320倍之后获得的图片。图中可见金锡粉末颗粒与颗粒之间没有粘连，颗粒的均匀性较好，球形度较好。

如图3所示，是对比例三的高温高表面张力的金锡粉末在高倍放大镜放大了320倍之后获得的图片。图中可见金锡粉末颗粒与颗粒之间有粘连，颗粒的均匀性较差，球形度较差。

为了更好地研究对比，申请人设计了一些对比例以及在市场上销售的高温金锡合金粉末对比。

在对比例一中高温高表面张力金属处理方式同实施例一，但在金属熔液流与高速电机所夹持的离心雾化盘间不施加5V的直流电。仅通过低表面张力元素的方法，在离心雾化装置上制备高温高表面张力金属铜粉末，制备工艺稳定性差。得到T3(25um～45um)高温铜球形粉末的球形度仅为60%，粉末卫星球粘带明显，无法满足金属粉末的后端应用。

在对比例二中，是在实施例二的基础上不添加低表面张力元素，不施加直流电压雾化；高温高表面张力不锈钢熔液的温度设置1600度，离心雾化过程中冲入氮气，其雾化室的氧含量控制在200ppm，离心雾化装置中在高温高表面张力金属熔液的熔炉和金属熔液流与高速电机所夹持的离心雾化盘间不施加直流电，由于高温高表面张力不锈钢熔液的表面张力大，无法在离心盘上形成均匀的熔液膜，雾化出粉末大小不一致，且粉末在飞离离心盘时互相碰撞，卫星球粘带严重，球形度差，制备工艺稳定性较差。筛选，得到T4(20um～38um)高温不锈钢球形粉末，检测球形粉末的球形度50%。

对比例三，在市场上销售的高温金锡焊粉，检测球形粉末的球形度为85%，粉末颗粒与颗粒之间有粘连，颗粒的均匀性较差，粉末球形度差，粉末棱角明显。

上述实施例和对比的参数见表1。从上述实施例和对比例可见，在高温高表面张力金属中添加微量低表面张力元素，同时施加直流电并将直流电施加于高温高表面张力金属流体上，两者同时作用，克服了高温高表面张力金属表面张力大无法进行大批量离心雾化，雾化后球形度差的问题。使大批量离心制备高温高表面张力金属粉末的雾化工艺成为可能。且制得的球形粉末的球形度非常好，适用于大规模的工业化应用。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

表1

Claims (10)

1.一种制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化装置,用于高温高表面张力金属的离心雾化形成金属球形粉末，其特征在于包括，

用于旋转的离心盘，待离心雾化的高温高表面张力液态金属从离心盘上方落入离心盘；离心盘和外部动力输出装置连接获得离心旋转动力；

高温高表面张力金属在熔融过程中或在熔融之前添加了用于减小高温金属表面张力的微量元素；

在高温高表面张力液态金属离心雾化过程中，对高温高表面张力金属流体施加电场。

2.根据权利要求1所述制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化装置，其特征在于，

包括用于将高温高表面张力金属流体从外部容器引至旋转离心盘上方的流通管道；

直流电源，用于对高温高表面张力金属流体施加直流电；

流通管道的一端和外部的真空感应金属熔炉连接，流通管道的另一端设置在离心盘的上方；外部的金属熔炉中的高温高表面张力液态金属经由金属管道落向离心盘形成高温高表面张力金属流；

直流电源的正极设置在流通管道的出口处；

直流电源的负极设置在离心盘上；

当高温高表面张力金属从流通管道流出至离心盘上时，高温高表面张力金属流上作用有直流电。

3.根据权利要求2所述制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化装置，其特征在于，

所述直流电源的电压范围是1V～5V；或所述直流电源的电流范围是0.1A～10A。

4.根据权利要求1所述制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化装置，其特征在于，

高温高表面张力金属是熔点温度范围大于等于280⁰C，且液态表面张力大于等于800mN/m的金属。

5.根据权利要求2所述制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化装置，其特征在于，

离心盘包括离心盘主体和托架；

采用钛合金、高温钢、高温不锈钢中的任意一种或多种材料制成的托架，用于和外部动力输出装置连接获得离心旋转动力；

采用石墨、氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷、钨钼合金、钨铌合金、碳化钨合金或球墨铸铁中的任意一种或多种材料制成的离心盘主体固定在托架上，待离心雾化的高温高表面张力金属从离心盘主体上方落入离心盘；

直流电源的正极设置在流通管道的出口处；直流电源的负极设置在托架上。

6.一种制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化方法，用于高温高表面张力金属的离心雾化形成金属球形粉末，其特征在于，采用了权利要求1至5任意一项所述制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化装置进行离心雾化。

7.根据权利要求6所述制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化方法，其特征在于，

高温高表面张力金属包括铜、铜合金、不锈钢、铝、铝合金、金、金合金、银、银合金中的任意一种或多种。

8.根据权利要求6所述离心雾化方法，其特征在于，

所述微量元素包括金属铋Bi、钠Na、钾K、锑Sb、钙Ca等表面张力小于等于500mN/m的金属以及非金属元素硒Se、氧O、磷P、硫S中的任意一种或多种。

9.根据权利要求6所述制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化方法，其特征在于，

所述微量元素是低表面张力特性的元素；所述微量元素加入的量是以主金属为质量百分比的0~5%，优选微量元素的加入量为主金属对微量元素的固溶量。

10.根据权利要求6所述制备高温高表面张力金属粉末的离心雾化方法，其特征在于，

所述高温高表面张力金属在熔融过程中，添加用于减小高温金属表面张力的微量元素，同时还在金属熔融过程进行对超声波处理，超声波频率20千赫兹～30千赫兹 时间30分钟～120分钟。

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