CN113618071B - 用于制备增材制造用高球形度金属粉末的雾化室、装置及方法 - Google Patents

用于制备增材制造用高球形度金属粉末的雾化室、装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于制备增材制造用高球形度金属粉末的雾化室、装置及方法，所述雾化室包括雾化室腔体及水冷夹层腔室；水冷夹层腔室包覆于雾化室腔体外侧且与雾化室腔体连通；雾化室腔体的顶部及底部分别开设有入口及出口；水冷夹层腔室的底部沿圆周分布有多个出粉口，多个所述出粉口与环形管道连通；雾化室腔体内部还设置有螺旋状挡板。所述装置包括熔炼室、用于制备增材制造用高球形度金属粉末的雾化室、第一分级机、第二分级机、第二集粉罐、第一旋风分离器、第三集粉罐、除尘布袋、引风机、第三分级机及第二旋风分离器。本发明可以从气雾化源头减少卫星粉所占比例，同时实现高效率制备高球形度增材制造用金属粉末。

Description

用于制备增材制造用高球形度金属粉末的雾化室、装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于制备增材制造用高球形度金属粉末的雾化室、装置及方法，属于真空气雾化制备金属粉末技术领域。
背景技术
3D打印技术是指根据“离散+叠加”原理，在计算机软件中建立三维实体模型，采用分层切片模式，通过激光或电子束使粉末熔化为熔池，然后经冷却、逐层累积的方式制造产品。该技术特别适合于制造网状、内空心及定制化的产品。与传统技术相比，3D打印技术因其近净成型、无切屑、对复杂零部件的快速响应能力及制造周期短等优点，已逐渐应用于航空航天、医疗、模具制造等领域。
其中，金属3D打印是3D打印中技术难度最高的一种制造技术，其打印制件能满足实际需求，因而成为各国学者争相研究的焦点。
金属3D打印的原材料为一定粒径段的金属粉末，要求其化学成分纯净、氧含量低、球形度高、流动性好及松装密度满足一定要求。与机械球磨法、电化学法相比，目前生产高性能球形金属粉末的方法是真空气雾化方法。该方法的生产原理是在惰性气体保护下，运用高压气体将熔融金属液流击碎为小液滴，将气体的动能转化为金属液流的表面能，小液滴飞行冷却后即为一定粒度范围内的金属粉末。该方法制备金属粉末工艺过程简单，污染小，符合工业化生产的要求。
然而，真空气雾化技术中由于高压气体与高温熔体之间发生强烈的交互作用，熔体逐渐转化为片状、丝状和液滴状，未完全凝固的金属熔滴之间、已凝固的粉末与未凝固的金属熔滴之间相互碰撞粘结形成卫星粉，而卫星粉的产生严重影响粉末的流动性，进而影响金属3D打印过程的顺利进行及最终打印件的机械和力学性能；另外，传统的金属粉末生产方式为由真空气雾化主设备获得各粒径段粉末，通过中转桶逐步完成筛分和分级流程，此流程涉及中转桶的吊装、翻转及对接等繁琐过程，存在粉末氧增及引入杂质的风险，且严重地耗费时间、人力及惰性气体，与当代绿色环保的发展理念不符。
因此，如何从气雾化源头减少卫星粉所占比例进而实现高效率制备高球形度增材制造用金属粉末已经成为目前亟需解决的重难点问题。
发明内容
为了解决上述的缺点和不足，本发明的一个目的在于提供一种用于制备增材制造用高球形度金属粉末的雾化室。
本发明的另一个目的还在于提供一种用于制备增材制造用高球形度金属粉末的装置。
本发明的又一个目的还在于提供一种用于制备增材制造用高球形度金属粉末的方法。本发明可以从气雾化源头减少卫星粉所占比例，同时实现高效率制备高球形度增材制造用金属粉末。
为了实现以上目的，一方面，本发明提供了一种用于制备增材制造用高球形度金属粉末的雾化室，其中，所述雾化室包括雾化室腔体及水冷夹层腔室；
所述水冷夹层腔室包覆于所述雾化室腔体外侧且与所述雾化室腔体连通；所述雾化室腔体的顶部及底部分别开设有入口及出口；所述水冷夹层腔室的底部沿圆周分布有多个出粉口，多个所述出粉口与环形管道连通；
所述雾化室腔体内部还设置有螺旋状挡板。
作为本发明以上所述雾化室的一具体实施方式，其中，所述螺旋状挡板以向下右旋或向下左旋的方式设置于所述雾化室腔体内部。
作为本发明以上所述雾化室的一具体实施方式，其中，所述螺旋状挡板的起始位置距雾化室顶部1-3m。
作为本发明以上所述雾化室的一具体实施方式，其中，所述螺旋状挡板的螺距为100-400mm。
作为本发明以上所述雾化室的一具体实施方式，其中，所述螺旋状挡板中的任一挡板与所述雾化室腔体的内侧壁之间所呈的夹角为30-80°。其中，将所述螺旋状挡板中的任一挡板与所述雾化室腔体的内侧壁之间所呈的夹角设置为30-80°可以进一步避免出现挡板存粉现象。
在本发明所提供的雾化室中，于所述雾化室腔体内部设置有螺旋状挡板，所述螺旋状挡板的设置方式以及相应的尺寸数据，如起始位置与雾化室顶部之间的距离、螺距、螺旋状挡板中的任一挡板与所述雾化室腔体的内侧壁之间所呈的夹角以及雾化区熔液被打散的边界角度等等与旋转雾化气流相匹配，雾化过程中，所述螺旋状挡板的内边缘与雾化区熔液被打散的边界接触，一方面可以引导雾化气流旋转往下运动，延长雾化区雾化气流以及液滴的运动路径，使液滴具有足够时间在表面张力的作用下进行球化，进而可提高所得金属粉末的球形度并且所述螺旋状挡板的设置也不会影响正常雾化过程；另一方面，所述螺旋状挡板还可以大幅度减少细粉翻腾至雾化室腔体上部，减少雾化区细粉的浓度，从而降低细粉与未凝固液滴撞击的机率，进而实现从气雾化源头上减少卫星粉的产生。
作为本发明以上所述雾化室的一具体实施方式，其中，所述雾化室腔体的侧壁沿着圆周开设有多个通孔，即多个所述通孔环绕分布于雾化室腔体的侧壁，且所述通孔位于所述螺旋状挡板之上，所述水冷夹层腔室通过多个所述通孔与所述雾化室腔体连通。
作为本发明以上所述雾化室的一具体实施方式，其中，所述雾化室腔体的侧壁沿着圆周开设有多个通孔，且多个所述通孔均匀分布于所述雾化室腔体的侧壁。
作为本发明以上所述雾化室的一具体实施方式，其中，所述通孔的数量为4-20个；优选为8-20个。
作为本发明以上所述雾化室的一具体实施方式，其中，所述通孔的直径范围为10-80mm。
作为本发明以上所述雾化室的一具体实施方式，其中，所述雾化室腔体包括圆筒状腔体以及连接于所述圆筒状腔体上下两端的上锥和下锥。此时，所述通孔可以设置于圆筒状腔体的侧壁，也可以设置在上锥的侧壁，只要保证所述通孔位于所述螺旋状挡板之上即可。
作为本发明以上所述雾化室的一具体实施方式，其中，所述水冷夹层腔室的厚度为100-400mm。
作为本发明以上所述雾化室的一具体实施方式，其中，所述水冷夹层腔室的底部沿圆周均匀分布有多个出粉口。
作为本发明以上所述雾化室的一具体实施方式，其中，所述出粉口的数量为3-10个。
在本发明所提供的雾化室中，于所述雾化室腔体外围设置有水冷夹层腔室，所述水冷夹层腔室为水冷套结构，具有水冷功能，且冷却效率较高，雾化后所得金属粉末中的部分翻腾至雾化区上方后悬停的细粉于高压惰性气体作用下通过通孔进入水冷夹层腔室并于水冷夹层腔室底部冷却为固体粉末，可进一步降低雾化区细粉的浓度，从而降低卫星粉的产生，且可以实现细粉的回收利用。
另一方面，本发明还提供了一种用于制备增材制造用高球形度金属粉末的装置，其中，所述装置包括熔炼室、以上所述的用于制备增材制造用高球形度金属粉末的雾化室、第一分级机、第二分级机、第二集粉罐、第一旋风分离器、第三集粉罐、除尘布袋、引风机、第三分级机及第二旋风分离器；
其中，所述熔炼室设于所述雾化室的上方并与所述雾化室连通；
所述雾化室腔体的出口通过主斜管道经由第一分级机与所述第二分级机的入口连通，所述雾化室的环形管道的出口通过副斜管道与第三分级机的入口相连，所述第二分级机、第三分级机的第一出口分别通过第一出粉管道、第三出粉管道与所述第二集粉罐的入口连通；所述第二分级机、第三分级机的第二出口分别通过管道与所述第一旋风分离器、第二旋风分离器的入口连通，所述第一旋风分离器、第二旋风分离器的第一出口分别通过第二出粉管道、第四出粉管道与所述第三集粉罐的入口连通；所述第一旋风分离器、第二旋风分离器的第二出口分别通过管道与所述除尘布袋连通，所述除尘布袋还与所述引风机连通。
作为本发明以上所述装置的一具体实施方式，其中，所述熔炼室与所述雾化室的连接处设置有雾化喷盘，以对雾化气体(如氮气等高压惰性气体)进行加速。
作为本发明以上所述装置的一具体实施方式，其中，所述第二分级机、第三分级机的外围分别设置有进气管道，多个气流喷嘴均匀设于所述进气管道上，且多个所述气流喷嘴连通进气管道和第二分级机、第三分级机内部，以通过多个所述气流喷嘴分别向第二分级机、第三分级机内部喷射超音速气流的惰性气体。
作为本发明以上所述装置的一具体实施方式，其中，所述气流喷嘴的直径为2-8mm。
作为本发明以上所述装置的一具体实施方式，其中，所述第一分级机的第一出口与第一集粉罐连通。
作为本发明以上所述装置的一具体实施方式，其中，所述除尘布袋的出口与第四集粉罐连通。
作为本发明以上所述装置的一具体实施方式，其中，连通所述第一旋风分离器、第二旋风分离器的第二出口与所述除尘布袋之间的管道上分别设置有排气阀及流量控制器。
其中，本发明所用的第一旋风分离器、第二旋风分离器均为常规设备，其主要通过离心力原理实现气体与固体粉末的分离，因其内部结构参数不同可实现大批量的粉末的收集，而仅使少量粒度为0-5μm的超细粉在引风机抽吸作用进入下段工序；
例如在本发明一具体实施例中，所述第一旋风分离器、第二旋风分离器均为倒锥形结构，上部为圆柱结构，其直径为200-300mm，长度为100-300mm，锥形底部(下锥)的直径为100-150mm。
又一方面，本发明还提供了一种用于制备增材制造用高球形度金属粉末的方法，其中，所述方法包括：
(1)将金属原料装入熔炼室并对其进行熔炼，得到熔液；
(2)使所述熔液注入雾化室，然后对熔液进行雾化得到各粒度段金属粉末；
雾化过程中，金属粉末中的部分翻腾至雾化区上方后悬停的细粉于高压惰性气体作用下通过通孔进入水冷夹层腔室并于水冷夹层腔室底部冷却为固体粉末；
(3)使金属粉末通过主斜管道依次进入第一分级机及第二分级机进行分级，得到粒度为15-53μm的金属粉末；然后使第二分级机中分级后所得的粒度为0-15μm的金属粉末经第一旋风分离器进行气固分离后收集；再使少量粒度为0-5μm的超细金属粉末通过除尘布袋过滤后进行收集；
(4)待熔炼室和雾化室腔体内压力保持稳定不变，即步骤(3)稳定收粉时，使所述固体粉末通过副斜管道进入第三分级机进行分级，得到粒度为15-53μm的金属粉末；然后使第三分级机中分级后所得的粒度为0-15μm的金属粉末经第二旋风分离器进行气固分离后收集；再使少量粒度为0-5μm的超细金属粉末通过除尘布袋后进行收集。
作为本发明以上所述方法的一具体实施方式，其中，步骤(2)中，雾化压力为3-6MPa。
作为本发明以上所述方法的一具体实施方式，其中，步骤(2)中，待熔液温度达到1500-1800℃后，再打开引风机，并设定其频率为30-120Hz，待引风机稳定运行后再进行后续操作。
作为本发明以上所述方法的一具体实施方式，其中，所述方法还包括：通过气流喷嘴分别向第二分级机、第三分级机内部喷射超音速气流的惰性气体，以使所述超音速气流的惰性气体将卫星粉上的粉末打散解聚，降低卫星粉含量的同时提升粉末收率。
作为本发明以上所述方法的一具体实施方式，其中，所述金属原料为本领域使用的常规原料，本发明中所述金属原料包括纯金属原料及合金原料，本领域技术人员可以根据现场实际作业情况合理选择所用的金属原料；例如，在本发明一具体实施方式中，所述合金原料包括：
(1)铁基：316L、18Ni300、17-4PH、S136、H13及ZSX；
(2)镍基：GH3230、GH3536、In718、In625、NiCoCr及NiCrW；
(3)钴基：CoCrW及CoCrMo；
(4)钛基：TC4及TA15；
所述纯金属原料例如可为TA1。
作为本发明以上所述方法的一具体实施方式，其中，所述惰性气体的压力为0.2-1.0MPa，流量为90-250Nm3/h，更优选为100-250Nm3/h。
作为本发明以上所述方法的一具体实施方式，其中，所述惰性气体包括氩气或氮气。
作为本发明以上所述方法的一具体实施方式，其中，所述第一分级机的分级轮频率为30-50Hz，所述第二分级机的分级轮频率为8-25Hz，所述第三分级机的分级轮频率为8-25Hz；
优选地，所述第二分级机的分级轮频率为18-20Hz，所述第三分级机的分级轮频率为18-20Hz。
作为本发明以上所述方法的一具体实施方式，其中，当连通所述第一旋风分离器、第二旋风分离器的第二出口与所述除尘布袋之间的管道上分别设置有第一流量控制器及第二流量控制器时，所述第一流量控制器的流量为600-1500Nm3/h，第二流量控制器的流量为200-800Nm3/h。
本发明采用气雾化技术制备高球形度增材制造用金属粉末，其中，所述熔炼室需要外接高压惰性气体管道，再通过雾化喷盘向雾化室喷射高压惰性气体，待熔炼室流出一定直径的熔液并进入所述雾化室后开始雾化过程，雾化过程中，高压惰性气体与熔液发生强烈的交互作用，熔体被击碎为小液滴。
在本发明一具体实施方式中，所述雾化过程于雾化室腔体的上锥内进行。
综上，本发明中，雾化后所得金属粉末中的部分翻腾至雾化区上方后悬停的细粉于高压惰性气体作用下通过通孔进入水冷夹层腔室并于水冷夹层腔室底部冷却为固体粉末，再通过引风机将所述固体粉末抽至分级机进行分级和破碎，一方面可以降低雾化区细粉的浓度，极大地降低了雾化区卫星粉的产生，另一方面，于分级和破碎工序中利用超音速气流的惰性气体对卫星粉上的粉末进行破碎(打散解聚)，以进一步减少卫星粉的含量，提高目标段细粉收率。
本发明中，主斜管道中采用双分级轮设计，金属粉末经过分级和破碎后可以直接获得15-53μm目标段金属粉末，无需进行重新吊运及翻转集粉罐进行精筛的流程，降低了粉末氧增量，降低了卫星粉含量的同时还提升了细粉收率，极大地提高了生产效率。
本发明将相同规格的金属粉末收集于固定集粉罐，如在本发明一具体实施方式中，粒度为53-250μm的金属粉末收集于第一集粉罐，粒度为15-53μm的金属粉末均收集于第二集粉罐，粒度为0-15μm的金属粉末均收集于第三集粉罐，粒度为0-15μm的超细金属粉末收集于第四集粉罐，避免了集粉罐的吊运、对接及混合的过程，进而可实现高效稳定地生产。
本发明创造性地将主排气管道(即主斜管道所在的管道)和副排气管道(即副斜管道所在的管道)结合，并使用引风机和流量控制器控制各管道的排气风量，实现工艺可调，节省人力物力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明实施例1提供的用于制备增材制造用高球形度金属粉末的雾化室的结构示意图。
图2为本发明实施例1提供的用于制备增材制造用高球形度金属粉末的雾化室的雾化室腔体内所设置的螺旋状挡板的局部放大示意图。
图3为本发明实施例2提供的用于制备增材制造用高球形度金属粉末的装置的结构示意图。
图4为本发明实施例3制备得到的Inconel625金属粉末的形貌示意图。
图5为本发明实施例4制备得到的GH3230金属粉末的形貌示意图。
主要附图标号说明：
1、熔炼室，2、雾化室，2-1、雾化室腔体，3、螺旋状挡板，4、水冷夹层腔室，5、通孔，6、主斜管道，7、副斜管道，8、第一分级机，9、第一集粉罐，10、第二分级机，11、第一气流喷嘴，12、第一出粉管道，13、第二集粉罐，14、第一旋风分离器，15、第二出粉管道，16、第三集粉罐，17、第一排气阀，18、第一流量控制器，19、除尘布袋，20、第四集粉罐，21、引风机，22、第三分级机，23、第二气流喷嘴，24、第三出粉管道，25、第二旋风分离器，26、第四出粉管道，27、第二排气阀，28、第二流量控制器。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体实施例对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、系统、装置、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本发明中，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶”及“底”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。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“设置”、“连接”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本实施例提供了一种用于制备增材制造用高球形度金属粉末的雾化室，其结构示意图如图1所示，从图1中可以看出，所述雾化室2包括：雾化室腔体2-1及水冷夹层腔室4；其中，所述雾化室腔体2-1包括圆筒状腔体以及连接于所述圆筒状腔体上下两端的上锥和下锥；
所述水冷夹层腔室4包覆于所述雾化室腔体2-1外侧且与所述雾化室腔体2-1连通；所述雾化室腔体2-1的顶部及底部分别开设有入口及出口；所述水冷夹层腔室4的底部沿圆周均匀分布有4个出粉口，4个所述出粉口与环形管道连通；
所述雾化室腔体2-1内部还设置有螺旋状挡板3。
本实施例中，所述螺旋状挡板以向下右旋的方式(如图2所示)设置于所述雾化室腔体内部，所述螺旋状挡板的起始位置距雾化室顶部2.7m，所述螺旋状挡板的螺距为150mm，所述螺旋状挡板中的任一挡板与所述雾化室腔体的内侧壁之间所呈的夹角β为45°。
本实施例中，所述雾化室腔体(进一步为圆筒状腔体)的侧壁沿着圆周均匀地开设有12个通孔，且所述通孔位于所述螺旋状挡板3之上，所述水冷夹层腔室4通过12个所述通孔与所述雾化室腔体2-1连通，其中，所述通孔的直径为40mm。
本实施例中，所述水冷夹层腔室4的厚度为250mm.
实施例2
本实施例提供了一种用于制备增材制造用高球形度金属粉末的装置，其结构示意图如图3所示，从图3中可以看出，所述装置包括：
熔炼室1、实施例1提供的用于制备增材制造用高球形度金属粉末的雾化室2、第一分级机8、第一集粉罐9、第二分级机10、第二集粉罐13、第一旋风分离器14、第三集粉罐16、除尘布袋19、第四集粉罐20、引风机21、第三分级机22及第二旋风分离器25；
其中，所述熔炼室1设于所述雾化室2的上方并与所述雾化室2连通，所述熔炼室1内设置有真空坩埚，所述熔炼室1与所述雾化室2的连接处设置有雾化喷盘(图中未示出)，以对雾化气体(如氮气等高压惰性气体)进行加速；
所述雾化室腔体的出口通过主斜管道6经由第一分级机8与所述第二分级机10的入口连通，所述雾化室2的环形管道的出口通过副斜管道7与第三分级机22的入口相连，所述第二分级机10、第三分级机22的第一出口(即底部出口)分别通过第一出粉管道12、第三出粉管道24与所述第二集粉罐13的入口连通；所述第二分级机10、第三分级机22的第二出口(即上部出口)分别通过管道与所述第一旋风分离器14、第二旋风分离器25的入口连通，所述第一旋风分离器14、第二旋风分离器25的第一出口(即底部出口)分别通过第二出粉管道15、第四出粉管道26与所述第三集粉罐16的入口连通；所述第一旋风分离器14、第二旋风分离器25的第二出口(即顶部出口)分别通过第一管道、第二管道经三通阀门汇聚后再经第三管道与所述除尘布袋19连通，所述除尘布袋19还与所述引风机21连通；
所述第一分级机8的第一出口(即底部出口)与第一集粉罐9连通，所述除尘布袋19的底部出口与第四集粉罐20连通。
本实施例中，所述第二分级机10、第三分级机22的外围分别设置有第二进气管道以及第三进气管道，四个第一气流喷嘴11均匀设于所述第二进气管道上，且四个所述第一气流喷嘴11连通第二进气管道和第二分级机10内部，以通过四个所述第一气流喷嘴11向第二分级机10内部喷射超音速气流的惰性气体；
四个第二气流喷嘴23均匀设于所述第三进气管道上，且四个所述第二气流喷嘴23连通第三进气管道和第三分级机22内部，以通过四个所述第二气流喷嘴23向第三分级机22内部喷射超音速气流的惰性气体；其中，第一气流喷嘴11的直径为4mm，第二气流喷嘴23的直径为3mm。
本实施例中，第一管道上设置有第一排气阀17及第一流量控制器18，第二管道上设置有第二排气阀27及第二流量控制器28。
实施例3
本实施例提供了一种制备金属3D打印用Inconel625金属粉末的方法，其中，所述方法是利用实施例2提供的用于制备增材制造用高球形度金属粉末的装置实现的，其包括以下具体步骤：
1)在熔炼室的真空坩埚中装入牌号为Inconel625的金属原料，经过抽真空及惰性气体回填后，使用中频电或等离子束对金属原料进行加热熔炼，得到熔液；
2)待熔液温度达到工艺所需的1600-1680℃后，打开引风机，设定其频率为55Hz，待引风机稳定运行5s后，开启第一排气阀并设定第一流量控制器的流量为1100Nm3/h；依次开启第一分级机及第二分级机，并将第一分级机及第二分级机的分级轮频率分别设置为45Hz及18Hz；再开启第一气流喷嘴的开关，使用氩气进行破碎，氩气的压力为0.4MPa，氩气流量为120Nm3/h；
3)倾倒真空坩埚，流下一定直径(3-8mm)的熔液并使所述熔液进入雾化室腔体，打开雾化气体开关以使所述熔液于雾化室腔体内雾化得到各粒度段金属粉末，其中，雾化区熔液被打散的边界角度α(该角度主要由雾化喷盘的形状和结构决定)为38°，雾化压力为4.2MPa；
雾化过程中，雾化室腔体内的金属粉末中的部分翻腾至雾化区上方后悬停的细粉于高压惰性气体(即所用雾化气体)作用下通过通孔进入水冷夹层腔室并于水冷夹层腔室底部冷却为固体粉末；
4)使金属粉末通过主斜管道依次进入第一分级机及第二分级机进行分级，具体而言，所述第一分级机用于区分粒度为53μm的金属粉末，第一分级机分级后所得到的粒度为53-250μm的金属粉末收集于第一集粉罐；第一分级机分级后所得到的粒度为0-53μm的金属粉末由引风机抽吸至第二分级机并通过所述第二分级机区分粒度为15μm的金属粉末，第二分级机分级后所得到的粒度为15-53μm的金属粉末并收集于第二集粉罐；
利用第二分级机进行分级时，通过第一气流喷嘴向第二分级机内部喷射超音速气流的氩气，以使所述超音速气流的氩气将卫星粉上的粉末破碎，降低卫星粉含量的同时提升粉末收率；然后使第二分级机中分级后所得的粒度为0-15μm的金属粉末经第一旋风分离器进行气固(即气体与金属粉末)分离后收集于第三集粉罐；少量粒度为0-5μm的超细金属粉末在引风机抽吸作用下进入除尘布袋，通过除尘布袋后收集于第四集粉罐；
5)待熔炼室和雾化室腔体内压力保持稳定不变，即主排气管道(即主斜管道所在管道)，也即步骤4)中稳定收粉时，开启第三分级机，并将第三分级机的分级轮频率设置为20Hz，再依次开启第二排气阀、第二气流喷嘴，设定第二流量控制器的流量为300Nm3/h，使用氩气进行破碎，氩气的压力为0.3MPa，氩气的流量为100Nm3/h；
6)使所述固体粉末通过副斜管道进入第三分级机进行分级，得到粒度为15-53μm的金属粉末并收集于第二集粉罐；
其中，利用第三分级机进行分级时，通过第二气流喷嘴向第三分级机内部喷射超音速气流的氩气，以使所述超音速气流的氩气将卫星粉上的粉末破碎，降低卫星粉含量的同时提升粉末收率；然后使第三分级机中分级后所得的粒度为0-15μm的金属粉末经第二旋风分离器进行气固分离后也收集于第三集粉罐；少量粒度为0-5μm的超细金属粉末在引风机抽吸作用下进入除尘布袋，通过除尘布袋后收集于第四集粉罐；
7)待真空坩埚中熔液雾化完毕，关闭雾化气开关，依次关闭第二气流喷嘴、第二流量控制器、第二排气阀、第三分级机，再依次关闭第一气流喷嘴、第二分级机、第一分级机、第一流量控制器、第一排气阀，关闭引风机；最后关闭各集粉罐手阀，出粉。
采用激光粒度仪测量第二集粉罐所收集得到的粒度为15-53μm的金属粉末成品的粒度，其D50值为27μm≤D50≤35μm。
再对第二集粉罐所收集得到的粒度为15-53μm的金属粉末成品进行扫描电镜分析，所述金属粉末的形貌如图4所示；由此可见，激光粒度仪所测得的中值粒径D50满足27μm≤D50≤35μm，这表明相较于采用本领域现有常规方法制得的金属粉末的粒度分布，本实施例制备得到的金属粉末的粒度分布更窄，粒度更集中；并且从图4所示的形貌可以看出，本实施例制备得到的金属粉末的球形度高，表明其流动性更好，更加适于3D打印的铺粉流程。
实施例4
本实施例提供了一种制备金属3D打印用GH3230金属粉末的方法，其中，所述方法是利用实施例2提供的用于制备增材制造用高球形度金属粉末的装置实现的，其包括以下具体步骤：
1)在熔炼室的真空坩埚中装入牌号为GH3230的金属原料，经过抽真空及惰性气体回填后，使用中频电或等离子束对金属原料进行加热熔炼，得到熔液；
2)待熔液温度达到工艺所需的1640-1720℃后，打开引风机，设定其频率为58Hz，待引风机稳定运行5s后，开启第一排气阀并设定第一流量控制器的流量为1200Nm3/h；依次开启第一分级机及第二分级机，并将第一分级机及第二分级机的分级轮频率分别设置为48Hz及20Hz；再开启第一气流喷嘴的开关，使用氩气进行破碎，氩气的压力为0.45MPa，氩气流量为135Nm3/h；
3)倾倒真空坩埚，流下一定直径(3-8mm)的熔液并使所述熔液进入雾化室腔体，打开雾化气体开关以使所述熔液于雾化室腔体内雾化得到各粒度段金属粉末，其中，雾化区熔液被打散的边界角度α(该角度主要由雾化喷盘的形状和结构决定)为38°，雾化压力为4.5MPa；
雾化过程中，雾化室腔体内的金属粉末中的部分翻腾至雾化区上方后悬停的细粉于高压惰性气体(即所用雾化气体)作用下通过通孔进入水冷夹层腔室并于水冷夹层腔室底部冷却为固体粉末；
4)使金属粉末通过主斜管道依次进入第一分级机及第二分级机进行分级，具体而言，所述第一分级机用于区分粒度为53μm的金属粉末，第一分级机分级后所得到的粒度为53-250μm的金属粉末收集于第一集粉罐；第一分级机分级后所得到的粒度为0-53μm的金属粉末由引风机抽吸至第二分级机并通过所述第二分级机区分粒度为15μm的金属粉末，第二分级机分级后所得到的粒度为15-53μm的金属粉末收集于第二集粉罐；
利用第二分级机进行分级时，通过第一气流喷嘴向第二分级机内部喷射超音速气流的氩气，以使所述超音速气流的氩气将卫星粉上的粉末破碎，降低卫星粉含量的同时提升粉末收率；然后使第二分级机中分级后所得的粒度为0-15μm的金属粉末经第一旋风分离器进行气固分离后收集于第三集粉罐；少量粒度为0-5μm的超细金属粉末在引风机抽吸作用下进入除尘布袋，通过除尘布袋后收集于第四集粉罐；
5)待熔炼室和雾化室腔体内压力保持稳定不变，即主排气管道(即主斜管道所在管道)，也即步骤4)中稳定收粉时，开启第三分级机，并将第三分级机的分级轮频率设置为20Hz，再依次开启第二排气阀、第二气流喷嘴，设定第二流量控制器的流量为300Nm3/h，使用氩气进行破碎，氩气的压力为0.3MPa，氩气的流量为100Nm3/h；
6)使所述固体粉末通过副斜管道进入第三分级机进行分级，得到粒度为15-53μm的金属粉末并收集于第二集粉罐；
其中，利用第三分级机进行分级时，通过第二气流喷嘴向第三分级机内部喷射超音速气流的氩气，以使所述超音速气流的氩气将卫星粉上的粉末破碎，降低卫星粉含量的同时提升粉末收率；然后使第三分级机中分级后所得的粒度为0-15μm的金属粉末经第二旋风分离器进行气固分离后也收集于第三集粉罐；少量粒度为0-5μm的超细金属粉末在引风机抽吸作用下进入除尘布袋，通过除尘布袋后收集于第四集粉罐；
7)待真空坩埚中熔液雾化完毕，关闭雾化气开关，依次关闭第二气流喷嘴、第二流量控制器、第二排气阀、第三分级机，再依次关闭第一气流喷嘴、第二分级机、第一分级机、第一流量控制器、第一排气阀，关闭引风机；最后关闭各集粉罐手阀，出粉。
采用激光粒度仪测量第二集粉罐所收集得到的粒度为15-53μm的金属粉末成品的粒度，其D50值为25μm≤D50≤32μm。
再对第二集粉罐所收集得到的粒度为15-53μm的金属粉末成品进行扫描电镜分析，所述金属粉末的形貌如图5所示；由此可见，激光粒度仪所测得的中值粒径D50满足25μm≤D50≤32μm，这表明相较于采用本领域现有常规方法制得的金属粉末的粒度分布，本实施例制备得到的金属粉末的粒度分布更窄，粒度更集中；并且从图5所示的形貌可以看出，本实施例制备得到的金属粉末的5球形度高，表明其流动性更好，更加适于3D打印的铺粉流程。
对比例3-3
本对比例采用本领域现有常规方法制备金属3D打印用Inconel625金属粉末，与实施例3相比，常规方法是在现有常规雾化室内对熔液进行雾化制粉，再通过后段风机及旋风分离器收集金属粉末，所得金属粉末的粒度范围为0-250μm；
其中，现有常规雾化室不设水冷夹层腔室以及雾化室腔体内不设置螺旋状挡板，仅设置有从雾化室腔体底部出口连出的一条出粉管道，所述出粉管道连通旋风分离器；现有常规方法也未使用双分级轮和破碎结构(即气流喷嘴)，并且出粉后还需进行后段筛分和分级流程，效率低下，金属粉末中卫星粉比例较多，流动性较差。
对比例4-4
本对比例采用本领域现有常规方法制备金属3D打印用GH3230金属粉末，与实施例4相比，常规方法是在现有常规雾化室内对熔液进行雾化制粉，再通过后段风机及旋风分离器收集金属粉末，所得初始金属粉末的粒度范围为0-250μm；
其中，现有常规雾化室不设水冷夹层腔室以及雾化室腔体内不设置螺旋状挡板，仅设置有从雾化室腔体底部出口连出的一条出粉管道，所述出粉管道连通旋风分离器；现有常规方法也未使用双分级轮和破碎结构(即气流喷嘴)，并且出粉后还需进行后段筛分和分级流程，效率低下，金属粉末中卫星粉比例较多，流动性较差。
其中，本发明实施例3-4制备得到的粒度为15-53μm的金属粉末成品以及对比例3-3、对比例4-4中制得的金属粉末成品的球形度数据以及实施例3-4、对比例3-3、对比例4-4的生产效率数据见如下表1所示。
表1
Figure BDA0003204411130000151
注：表1中的球形度数据是采用本领域常规方法计算得到的。
从以上表1中可以看出，相较于对比例3-3及对比例4-4，本发明实施例采用的金属粉末制备方法的生产效率较高，且所制备得到的金属粉末具有高球形度。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术发明之间、技术发明与技术发明之间均可以自由组合使用。

Claims (22)

1.一种用于制备增材制造用高球形度金属粉末的装置，其特征在于，所述装置包括熔炼室、用于制备增材制造用高球形度金属粉末的雾化室、第一分级机、第一集粉罐、第二分级机、第二集粉罐、第一旋风分离器、第三集粉罐、除尘布袋、引风机、第三分级机及第二旋风分离器；
其中，用于制备增材制造用高球形度金属粉末的雾化室包括雾化室腔体及水冷夹层腔室；
所述水冷夹层腔室包覆于所述雾化室腔体外侧且与所述雾化室腔体连通；所述雾化室腔体的顶部及底部分别开设有入口及出口；所述水冷夹层腔室的底部沿圆周分布有多个出粉口，多个所述出粉口与环形管道连通；
所述雾化室腔体内部还设置有螺旋状挡板；
所述熔炼室设于所述雾化室的上方并与所述雾化室连通；
所述雾化室腔体的出口通过主斜管道经由第一分级机与所述第二分级机的入口连通，所述雾化室的环形管道的出口通过副斜管道与第三分级机的入口相连，所述第二分级机、第三分级机的第一出口分别通过第一出粉管道、第三出粉管道与所述第二集粉罐的入口连通；所述第二分级机、第三分级机的第二出口分别通过管道与所述第一旋风分离器、第二旋风分离器的入口连通，所述第一旋风分离器、第二旋风分离器的第一出口分别通过第二出粉管道、第四出粉管道与所述第三集粉罐的入口连通；所述第一旋风分离器、第二旋风分离器的第二出口分别通过管道与所述除尘布袋连通，所述除尘布袋还与所述引风机连通；
所述雾化室腔体的侧壁沿着圆周开设有多个通孔，且所述通孔位于所述螺旋状挡板之上，所述水冷夹层腔室通过多个所述通孔与所述雾化室腔体连通；
所述第一分级机的第一出口与第一集粉罐连通。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二分级机、第三分级机的外围分别设置有进气管道，多个气流喷嘴均匀设于所述进气管道上，且多个所述气流喷嘴连通进气管道和第二分级机、第三分级机内部，以通过多个所述气流喷嘴分别向第二分级机、第三分级机内部喷射超音速气流的惰性气体。
3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述气流喷嘴的直径为2-8 mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述除尘布袋的出口与第四集粉罐连通。
5.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，连通所述第一旋风分离器、第二旋风分离器的第二出口与所述除尘布袋之间的管道上分别设置有排气阀及流量控制器。
6.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述螺旋状挡板以向下右旋或向下左旋的方式设置于所述雾化室腔体内部。
7.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述螺旋状挡板的起始位置距雾化室顶部1-3m。
8.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述螺旋状挡板的螺距为100-400mm。
9.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述螺旋状挡板中的任一挡板与所述雾化室腔体的内侧壁之间所呈的夹角为30-80°。
10.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述通孔的数量为4-20个。
11.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述通孔的直径范围为10-80mm。
12.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述水冷夹层腔室的厚度为100-400mm。
13.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述水冷夹层腔室的底部沿圆周均匀分布有多个出粉口。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述出粉口的数量为3-10个。
15.一种用于制备增材制造用高球形度金属粉末的方法，其特征在于，所述方法是利用权利要求1-14任一项所述的用于制备增材制造用高球形度金属粉末的装置实现的，其包括：
（1）将金属原料装入熔炼室并对其进行熔炼，得到熔液；
（2）使所述熔液注入雾化室，然后对熔液进行雾化得到各粒度段金属粉末；
雾化过程中，金属粉末中的部分翻腾至雾化区上方后悬停的细粉于高压惰性气体作用下通过通孔进入水冷夹层腔室并于水冷夹层腔室底部冷却为固体粉末；
（3）使金属粉末通过主斜管道依次进入第一分级机及第二分级机进行分级，得到粒度为15-53μm的金属粉末；然后使第二分级机中分级后所得的粒度为0-15μm的金属粉末经第一旋风分离器进行气固分离后收集；再使少量粒度为0-5μm的超细金属粉末通过除尘布袋过滤后进行收集；
（4）待熔炼室和雾化室腔体内压力保持稳定不变，即步骤（3）稳定收粉时，使所述固体粉末通过副斜管道进入第三分级机进行分级，得到粒度为15-53μm的金属粉末；然后使第三分级机中分级后所得的粒度为0-15μm的金属粉末经第二旋风分离器进行气固分离后收集；再使少量粒度为0-5μm的超细金属粉末通过除尘布袋后进行收集。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：通过气流喷嘴分别向第二分级机、第三分级机内部喷射超音速气流的惰性气体，以使所述超音速气流的惰性气体将卫星粉上的粉末打散解聚，降低卫星粉含量的同时提升粉末收率。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述惰性气体的压力为0.2-1.0MPa，流量为90-250Nm3/h。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述惰性气体的流量为100-250Nm3/h。
19.根据权利要求16-18任一项所述的方法，其特征在于，所述惰性气体包括氩气或氮气。
20.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述第一分级机的分级轮频率为30-50Hz，所述第二分级机的分级轮频率为8-25Hz，所述第三分级机的分级轮频率为8-25Hz。
21.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，当连通所述第一旋风分离器、第二旋风分离器的第二出口与所述除尘布袋之间的管道上分别设置有第一流量控制器及第二流量控制器时，所述第一流量控制器的流量为600-1500Nm3/h，第二流量控制器的流量为200-800Nm3/h。
22.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，雾化压力为3-6MPa。
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