CN114160814B - 一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置及混粉方法 - Google Patents
一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置及混粉方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114160814B CN114160814B CN202111538591.4A CN202111538591A CN114160814B CN 114160814 B CN114160814 B CN 114160814B CN 202111538591 A CN202111538591 A CN 202111538591A CN 114160814 B CN114160814 B CN 114160814B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- powder
- mixing
- mixing cavity
- powder mixing
- cone
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 675
- 238000002156 mixing Methods 0.000 title claims abstract description 213
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 239000000654 additive Substances 0.000 title claims abstract description 37
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 title claims abstract description 37
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 239000007769 metal material Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 238000009689 gas atomisation Methods 0.000 title claims description 6
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 claims abstract description 25
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 claims abstract description 22
- 238000012387 aerosolization Methods 0.000 claims abstract description 20
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 49
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 20
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 claims description 14
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 9
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 claims description 8
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 abstract 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 abstract 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 4
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 3
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 3
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 238000000053 physical method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/50—Means for feeding of material, e.g. heads
- B22F12/58—Means for feeding of material, e.g. heads for changing the material composition, e.g. by mixing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/20—Direct sintering or melting
- B22F10/25—Direct deposition of metal particles, e.g. direct metal deposition [DMD] or laser engineered net shaping [LENS]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/50—Means for feeding of material, e.g. heads
- B22F12/53—Nozzles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
- B33Y40/10—Pre-treatment
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Nozzles (AREA)
Abstract
本发明涉及一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置及混粉方法，属于金属激光增材制造技术领域。该装置包括高通量混粉器和同轴送粉喷头，高通量混粉器包括进粉器、出粉器、混粉腔体和混粉锥体，进粉器外接进粉管，出粉器通过粉末输送通道与同轴送粉喷头的进粉端连通，进粉器和出粉器均固定设置在混粉腔体的底端，进粉器的出粉口与混粉腔体内部连通，出粉器的进粉口与混粉腔体内部连通，混粉锥体固定设置在混粉腔体内的顶部，混粉锥体的中心轴与混粉腔体的中心轴位于同一直线上。原料粉末分别通过高通量混粉器的进粉管进入高通量混粉器的混粉腔体中，粉末冲击混粉锥体和混粉腔体内壁实现雾化和混合，形成均匀混合粉。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置及混粉方法，属于激光增材制造技术领域。
背景技术
金属激光增材制造工艺集高性能金属材料制备和复杂结构零件成形制造于一体。作为金属增材制造的主流技术之一，与粉床式金属激光增材制造工艺相比，同轴送粉式金属激光增材制造具有柔性高、成形快、可打印高性能大型复杂结构件等优势。因此，该工艺具有广阔的应用前景。
由于同轴送粉式金属激光增材制造过程中具有相当快的熔化和凝固特性，目前用于该工艺的粉末材料，主要以用于热喷涂工艺的粉末材料为主。因此，开发适用于该工艺的新型合金粉末体系，或在三维尺度上构建化学元素梯度变化等特殊结构，对于拓展该工艺的应用范围具有极其重要的意义。为了实现这一目标，混合粉末总是预先通过球磨法等物理法或液相法等化学方法制备，然后预设在金属基材上或通过同步送粉法输送到激光熔池中。这意味着混合粉末的制备过程和混合粉末的熔化、凝固过程是独立进行的，难以发挥该工艺的独特优势。
发明内容
本发明针对无法实现多种粉末稳定且均匀混合的技术难题，提出一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置及混粉方法，本发明利用惰性气体赋予粉末材料动能，使得粉末材料在雾化过程中实现混合，在混合过程中实现雾化，雾化后的粉末在粉末自身惯性和载气动能的作用下，与混粉腔内壁面反复发生碰撞，同时增加粉末颗粒之间的混乱度，从而形成均匀混合粉，有效解决多种粉末材料难以稳定且均匀混合的问题。
本发明为解决其技术问题而采用的技术方案是：
一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置，包括高通量混粉器1和同轴送粉喷头4，高通量混粉器1包括汇聚式进粉管道15、出粉管道16、混粉腔体14和混粉锥体13，
汇聚式进粉管道15外接进粉管，出粉管道16通过粉末输送通道3与同轴送粉喷头4的喷头粉末入口6连通，汇聚式进粉管道15和出粉管道16均固定设置在混粉腔体14的底端，汇聚式进粉管道15的出粉口与混粉腔体14内部连通，出粉管道16的进粉口与混粉腔体14内部连通，混粉锥体13固定设置在混粉腔体14内的顶部，混粉锥体13的中心轴与混粉腔体14的中心轴位于同一直线上；
所述高通量混粉器1为中心一路出粉式混粉器或多路出粉式混粉器，中心一路出粉式混粉器的出粉管道16为1个，出粉管道16固定设置在混粉腔体14的底端中心，汇聚式进粉管道15沿混粉腔体14周向均匀固定设置在混粉腔体14的底端边缘；
多路出粉式混粉器的出粉管道16为2个时，汇聚式进粉管道15沿混粉腔体14的直径等距固定设置在混粉腔体14的中心，出粉管道16固定设置在混粉腔体14的边缘且出粉管道16与汇聚式进粉管道15位于同一直径上；
多路出粉式混粉器的出粉管道16不少于3个时，汇聚式进粉管道15沿混粉腔体14的直径等距固定设置在混粉腔体14的中心，出粉管道16沿混粉腔体14周向均匀固定设置在混粉腔体14的边缘；
所述高通量混粉器1为中心一路出粉式混粉器时，高通量混粉器1与同轴送粉喷头4之间设置有分粉器2，出粉管道16与分粉器2的分粉器粉末入口10连通，分粉器2的分粉器粉末出口11通过粉末输送通道3与同轴送粉喷头4的喷头粉末入口6连通，分粉器2内设置有分粉锥12，分粉锥12的截面直径向下逐渐增大；
所述汇聚式进粉管道15顶端的截面直径小于底端的截面直径，汇聚式进粉管道15从低端至顶端呈截面逐渐缩小的中空椎体结构；出粉管道16顶端的截面直径大于底端的截面直径，出粉管道16从顶端至底端呈截面逐渐缩小的中空椎体结构；
所述汇聚式进粉管道15的汇聚角度θ为15～90°，具有汇聚角θ的送粉管道既增强粉末的雾化程度，同时也能为粉末提供与垂直送粉管道不同的动能；
在粉末的混合阶段，雾化后的粉末在气流剪切流动的作用下实现了粉末间的混合；混粉锥的锥角大小不仅会导致混粉腔内的体积发生变化，从而影响气流的剪切流动强度，而且影响粉末的混合效果；
混粉锥体13的锥角α与混粉腔体积V的关系式为
混粉锥的高度h与混粉腔的高度b满足如下关系：
h＜2b/3
根据tan(α/2)＝a/2h，得
tan(α/2)＞3a/4b
式中，a-混粉腔的底面直径；b-混粉腔的高度；α-混粉锥的锥角；h-混粉锥的高度；
混粉锥角α越大，混粉腔的体积V越大，在气体流量不变的条件下，混粉腔体积的增大将减弱腔内气流剪切流动的强度，从而减弱粉末的混合效果，而过小的混粉锥角将导致气流的剪切流动区域面积变小，也会使粉末的混合效果降低；混粉锥角α的大小根据混粉腔体积大小的需求及送粉管道汇聚角θ的大小进行调整，合理的体积大小和角度匹配是保证粉末充分雾化、混合的必要条件；
混粉锥的锥角为30～120°；
混粉腔的体积公式和混粉锥角α的变化范围可得混粉腔的体积范围：
0.01πb3<V<0.44πb3
式中：b-混粉腔的高度，V-混粉腔体积；
所述同轴送粉喷头4包括激光通道5、喷头粉末输送管7、环形包围式冷却水舱9、进水管8和排水管，同轴送粉喷头4为椎体结构，激光通道5竖直开设在同轴送粉喷头4中心的轴线上，环形包围式冷却水舱9设置在激光通道5的外侧，环形包围式冷却水舱9的顶端相对设置进水管8和排水管，喷头粉末输送管7均匀设置在环形包围式冷却水舱9的外侧，喷头粉末输送管7的延长线相交于同轴送粉喷头4中心轴线上。
一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉方法，采用所述气雾化混粉装置，具体步骤如下：
1)根据混粉锥体的锥角和进粉管的汇聚角度制备高通量混粉器；
2)根据粉末动能E和进粉管的汇聚角度θ，计算出汇聚角θ送粉管道中粉末的动能E1，再根据气流量和混粉腔的体积范围计算出送粉量M的范围；
3)混粉过程包括粉末雾化和粉末混合两个阶段，在粉末雾化阶段，不同种类的粉末以氩气或/和氮气为载流气体，在气体流量≥16L/min的条件下，喷射进入混粉腔内，粉末流冲击到混粉锥体表面时，实现粉末的雾化；在粉末雾化的过程中，不同粉末雾化的重叠区域处，实现粉末初步混合；在粉末混合阶段，雾化后的不同种类粉末均匀分布在混粉腔内，粉末颗粒依靠自身的惯性和载流气体的动能，与混粉腔内壁面反复发生碰撞，反复的碰撞过程促进粉末的混合，形成均匀的混合粉体；
4)均匀混合粉经粉末输送通道输送至同轴送粉喷头进行激光增材制造。
所述粉末动能E的表达式为：
式中：E-粉末动能，ρp-粉末密度，R-粉末粒径，vp-粉末速度；
在惰性气体支持下，混粉腔内不同种类粉末的雾化程度决定了后续粉末混合过程中粉末混合前的初始状态，在混粉腔中，粉末实现充分雾化，能使不同种类粉末在剪切流动中的混合效果发挥到最大限度；
汇聚角θ送粉管道中粉末的动能E1为
E1＝E·sinθ
式中：θ-送粉管道的汇聚角；E1-具有汇聚角θ送粉管道中粉末的动能；E-垂直送粉管道中粉末的动能；
粉末流量M影响混合粉末中不同种类粉末的含量，粉末的流量M与粉末本身的密度、流动性有关，还受载气气体的属性、流速、汇聚角θ的影响；
不同粉末采用不同汇聚角θ的送粉管道，可以让不同粉末具有不同且稳定的质量流量，从而对混合后粉末中不同种类粉末含量进行调整；
当气流量为16L/min时，不同种类粉末的送粉量M变化范围：
(6.25×10-4b3π)·1/vH<M<(27.50×10-4b3π)·1/vH
式中：vH-粉末的霍尔流速，M-送粉量。
本发明的高通量激光增材制造的气雾化混粉原理(见图1)：通过在送粉器与同轴送粉喷头之间增设混粉器，实现在激光增材制造过程中对至少三种粉末实现边混合边打印的目的；混粉器采用了冲击雾化的原理，可使至少三种粉末实时变比例混合，雾化后的三种粉末，在混粉腔内气流运动和与混粉腔内壁反复碰撞的双重作用下实现混合。
本发明的有益效果：
(1)本发明的气雾化混粉方法，使得多种粉末与惰性气流相互作用的效果发挥到最大限度，在粉末雾化的同时实现混合，在粉末混合的同时实现雾化；
(2)本发明不仅突破了传统增材制造复合材料需要预先球磨混粉的瓶颈，而且可以实现材料成分在三维空间内的连续变化；
(3)本发明的气雾化混粉装置不仅能与环形同轴送粉喷头相连，从而实现高通量超高速激光增材制造，而且还可以与三路汇聚式同轴送粉喷头相连，满足新合金的快速开发和高性能复合材料、功能梯度材料复杂结构件的快速制造；
(4)本发明的装置结构简单，通用性强，不仅可以用于同轴送粉激光增材制造工艺过程中，而且可以与粉床式激光增材制造工艺中的装置耦合，实现高精度、高性能、大型复杂结构件的快速制造，还可用于其它需实现多种粉末混合的材料制备、合成与加工工艺过程。
附图说明
图1为用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置原理图；
图2为用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置结构示意图；
图3为实施例1中心一路出粉式混粉器和分粉器、三路汇聚式同轴送粉喷头连接示意图；
图4为实施例1分粉器结构示意图，(a)为俯视图，(b)为C-C面剖视图，(c)为D-D面剖视图；
图5为实施例1三路汇聚式同轴送粉喷头结构示意图，(a)为俯视图，(b)为A-A面剖视图，(c)为B-B面剖视图；
图6为实施例2双路出粉式混粉器和同轴环形送粉喷头连接示意图；
图7为实施例2同轴环形送粉喷头结构示意图，(a)为俯视图，(b)为A-A面剖视图；
图8为实施例3三路出粉式混粉器和三路汇聚式同轴送粉喷头连接示意图；
图9为实施例3三路汇聚式同轴送粉喷头结构示意图，(a)为俯视图，(b)为A-A面剖视图，(c)为B-B面剖视图；
图10为实施例1中心一路出粉式混粉器结构示意图，(a)为立体图，(b)为俯视图，(c)为A-A面剖视图；
图11为实施例2双路出粉式混粉器，(a)为立体图，(b)为俯视图，(c)为A-A面剖视图；
图12为实施例3三路出粉式混粉器，(a)为立体图，(b)为俯视图，(c)为A-A面剖视图；
图中：1-混粉器、2-分粉器、3-粉末输送通道、4-同轴送粉喷头、5-激光通道、6-喷头粉末入口、7-喷头粉末输送管道、8-冷却水入口、9-环形包围式冷却水舱、10-分粉器粉末入口、11-分粉器粉末出口、12-分粉锥、13-混粉锥体、14-混粉腔、15-汇聚式进粉管道、16-出粉管道；
图13为实施例1混合粉末的均匀性结果图；
图14为实施例2混合粉末的均匀性结果图；
图15为实施例3混合粉末的均匀性结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1～5、10所示，一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置，包括高通量混粉器1和同轴送粉喷头4，高通量混粉器1包括汇聚式进粉管道15、出粉管道16、混粉腔体14和混粉锥体13，
汇聚式进粉管道15外接进粉管，出粉管道16通过粉末输送通道3与同轴送粉喷头4的喷头粉末入口6连通，汇聚式进粉管道15和出粉管道16均固定设置在混粉腔体14的底端，汇聚式进粉管道15的出粉口与混粉腔体14内部连通，出粉管道16的进粉口与混粉腔体14内部连通，混粉锥体13固定设置在混粉腔体14内的顶部，混粉锥体13的中心轴与混粉腔体14的中心轴位于同一直线上；
高通量混粉器1为中心一路出粉式混粉器或多路出粉式混粉器，中心一路出粉式混粉器的出粉管道16为1个，出粉管道16固定设置在混粉腔体14的底端中心，汇聚式进粉管道15沿混粉腔体14周向均匀固定设置在混粉腔体14的底端边缘；
高通量混粉器1为中心一路出粉式混粉器时，高通量混粉器1与同轴送粉喷头4之间设置有分粉器2，出粉管道16与分粉器2的分粉器粉末入口10连通，分粉器2的分粉器粉末出口11通过粉末输送通道3与同轴送粉喷头4的喷头粉末入口6连通，分粉器2内设置有分粉锥12，分粉锥12的截面直径向下逐渐增大；
汇聚式进粉管道15顶端的截面直径小于底端的截面直径，汇聚式进粉管道15从低端至顶端呈截面逐渐缩小的中空椎体结构；出粉管道16顶端的截面直径大于底端的截面直径，出粉管道16从顶端至底端呈截面逐渐缩小的中空椎体结构；
汇聚式进粉管道15的汇聚角度θ为15～90°，具有汇聚角θ的送粉管道既增强粉末的雾化程度，同时也能为粉末提供与垂直送粉管道不同的动能；
在粉末的混合阶段，雾化后的粉末在气流剪切流动的作用下实现了粉末间的混合；混粉锥的锥角大小不仅会导致混粉腔内的体积发生变化，从而影响气流的剪切流动强度，而且影响粉末的混合效果；
混粉锥体13的锥角α与混粉腔体积V的关系式为
混粉锥的高度h与混粉腔的高度b满足如下关系：
h＜2b/3
根据tan(α/2)＝a/2h，得
tan(α/2)＞3a/4b
式中，a-混粉腔的底面直径；b-混粉腔的高度；α-混粉锥的锥角；h-混粉锥的高度；
混粉锥角α越大，混粉腔的体积V越大，在气体流量不变的条件下，混粉腔体积的增大将减弱腔内气流剪切流动的强度，从而减弱粉末的混合效果，而过小的混粉锥角将导致气流的剪切流动区域面积变小，也会使粉末的混合效果降低；混粉锥角α的大小根据混粉腔体积大小的需求及送粉管道汇聚角θ的大小进行调整，合理的体积大小和角度匹配是保证粉末充分雾化、混合的必要条件；
混粉锥的锥角为30～120°；
混粉腔的体积公式和混粉锥角α的变化范围可得混粉腔的体积范围：
0.01πb3<V<0.44πb3
式中：b-混粉腔的高度，V-混粉腔体积；
同轴送粉喷头4包括激光通道5、喷头粉末输送管7、环形包围式冷却水舱9、进水管8和排水管，同轴送粉喷头4为椎体结构，激光通道5竖直开设在同轴送粉喷头4中心的轴线上，环形包围式冷却水舱9设置在激光通道5的外侧，环形包围式冷却水舱9的顶端相对设置进水管8和排水管，喷头粉末输送管7均匀设置在环形包围式冷却水舱9的外侧，喷头粉末输送管7的延长线相交于同轴送粉喷头4中心轴线上；
一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉方法，采用气雾化混粉装置，具体步骤如下：
1)根据混粉锥体的锥角和进粉管的汇聚角度制备高通量混粉器；
2)根据粉末动能E和进粉管的汇聚角度θ，计算出汇聚角θ送粉管道中粉末的动能E1，再根据气流量和混粉腔的体积范围计算出送粉量M的范围；
粉末动能E的表达式为：
式中：E-粉末动能，ρp-粉末密度，R-粉末粒径，vp-粉末速度；
在惰性气体支持下，混粉腔内不同种类粉末的雾化程度决定了后续粉末混合过程中粉末混合前的初始状态，在混粉腔中，粉末实现充分雾化，能使不同种类粉末在剪切流动中的混合效果发挥到最大限度；
汇聚角θ送粉管道中粉末的动能E1为
E1＝E·sinθ
式中：θ-送粉管道的汇聚角；E1-具有汇聚角θ送粉管道中粉末的动能；E-垂直送粉管道中粉末的动能；
粉末流量M影响混合粉末中不同种类粉末的含量，粉末的流量M与粉末本身的密度、流动性有关，还受载气气体的属性、流速、汇聚角θ的影响；
不同粉末采用不同汇聚角θ的送粉管道，可以让不同粉末具有不同且稳定的质量流量，从而对混合后粉末中不同种类粉末含量进行调整；
当气流量为16L/min时，不同种类粉末的送粉量M变化范围：
(6.25×10-4b3π)·1/vH<M<(27.50×10-4b3π)·1/vH
式中：vH-粉末的霍尔流速，M-送粉量；
3)混粉过程包括粉末雾化和粉末混合两个阶段，在粉末雾化阶段，不同种类的粉末以氩气或/和氮气为载流气体，在气体流量≥16L/min的条件下，喷射进入混粉腔内，粉末流冲击到混粉锥体表面时，实现粉末的雾化；在粉末雾化的过程中，不同粉末雾化的重叠区域处，实现粉末初步混合；在粉末混合阶段，雾化后的不同种类粉末均匀分布在混粉腔内，粉末颗粒依靠自身的惯性和载流气体的动能，与混粉腔内壁面反复发生碰撞，反复的碰撞过程促进粉末的混合，形成均匀的混合粉体；
4)均匀混合粉经粉末输送通道输送至同轴送粉喷头进行激光增材制造；
本实施例中Fe粉、Ni粉、Ni基WC复合粉三种不同种类的粉末经高通量混粉器雾化混合后，由一路粉管送入分粉器中，一路粉末由分粉器分成三路粉末，三路粉末再通过粉末输送通道输送到三路汇聚式同轴送粉喷头中，送粉喷头将混合后的三路粉末汇聚至激光熔池中；
本实施例混合粉末的均匀性见图13，从图13可知，三种粉末均未出现高度聚集的现象。说明利用所设计的混粉器结构具有良好的粉末混合均匀性。
实施例2：本实施例用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置与实施例1的用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置基本相同，不同之处在于：如图6、7和11所示，出粉管道16通过粉末输送通道3直接与同轴送粉喷头4的喷头粉末入口6连通，多路出粉式混粉器的出粉管道16为2个时，即高通量混粉器为双路出粉式混粉器，汇聚式进粉管道15沿混粉腔体14的直径等距固定设置在混粉腔体14的中心，出粉管道16固定设置在混粉腔体14的边缘且出粉管道16与汇聚式进粉管道15位于同一直径上；
本实施例中Fe粉、Ni粉、Ni基WC复合粉三种不同种类的粉末经高通量混粉器雾化混合后，混合粉末从高通量混粉器中直接送至同轴环形送粉喷头中，再由同轴环形送粉喷头快速输送到激光熔池中；
本实施例混合粉末的均匀性见图14，从图14可知，三种粉末均未出现高度聚集的现象。说明利用所设计的混粉器结构具有良好的粉末混合均匀性。
实施例3：本实施例用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置与实施例2的用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置基本相同，不同之处在于：如图8、9和12所示，多路出粉式混粉器的出粉管道16为3个时，即高通量混粉器为三路出粉式混粉器，汇聚式进粉管道15沿混粉腔体14的直径等距固定设置在混粉腔体14的中心，出粉管道16沿混粉腔体14周向均匀固定设置在混粉腔体14的边缘；
本实施例中Fe粉、Ni粉、Ni基WC复合粉三种不同的粉末经高通量混粉器雾化混合后，经粉末输送通道输送至三路汇聚式同轴送粉喷头中，最后由送粉喷头将三路混合后的粉末汇聚送入激光熔池中；
本实施例混合粉末的均匀性见图15，从图15可知，三种粉末均未出现高度聚集的现象。说明利用所设计的混粉器结构具有良好的粉末混合均匀性。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置，其特征在于：包括高通量混粉器(1)和同轴送粉喷头(4)，高通量混粉器(1)包括汇聚式进粉管道(15)、出粉管道(16)、混粉腔体(14)和混粉锥体(13)，
汇聚式进粉管道(15)外接进粉管，出粉管道(16)通过粉末输送通道(3)与同轴送粉喷头(4)的喷头粉末入口(6)连通，汇聚式进粉管道(15)和出粉管道(16)均固定设置在混粉腔体(14)的底端，汇聚式进粉管道(15)的出粉口与混粉腔体(14)内部连通，出粉管道(16)的进粉口与混粉腔体(14)内部连通，混粉锥体(13)固定设置在混粉腔体(14)内的顶部，混粉锥体(13)的中心轴与混粉腔体(14)的中心轴位于同一直线上；
所述汇聚式进粉管道(15)的汇聚角度θ为15～90°，混粉锥体(13)的锥角α与混粉腔体积V的关系式为
混粉锥的高度h与混粉腔的高度b满足如下关系：
h＜2b/3
根据tan(α/2)＝a/2h，得
tan(α/2)＞3a/4b
式中，a-混粉腔的底面直径；b-混粉腔的高度；α-混粉锥的锥角；h-混粉锥的高度；
混粉腔的体积范围为
0.01πb3<V<0.44πb3
式中：b-混粉腔的高度，V-混粉腔体积。
2.根据权利要求1所述用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置，其特征在于：高通量混粉器(1)为中心一路出粉式混粉器或多路出粉式混粉器，中心一路出粉式混粉器的出粉管道(16)为1个，出粉管道(16)固定设置在混粉腔体(14)的底端中心，汇聚式进粉管道(15)沿混粉腔体(14)周向均匀固定设置在混粉腔体(14)的底端边缘；
多路出粉式混粉器的出粉管道(16)为2个时，汇聚式进粉管道(15)沿混粉腔体(14)的直径等距固定设置在混粉腔体(14)的中心，出粉管道(16)固定设置在混粉腔体(14)的边缘且出粉管道(16)与汇聚式进粉管道(15)位于同一直径上；
多路出粉式混粉器的出粉管道(16)不少于3个时，汇聚式进粉管道(15)沿混粉腔体(14)的直径等距固定设置在混粉腔体(14)的中心，出粉管道(16)沿混粉腔体(14)周向均匀固定设置在混粉腔体(14)的边缘。
3.根据权利要求2所述用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置，其特征在于：高通量混粉器(1)为中心一路出粉式混粉器时，高通量混粉器(1)与同轴送粉喷头(4)之间设置有分粉器(2)，出粉管道(16)与分粉器(2)的分粉器粉末入口(10)连通，分粉器(2)的分粉器粉末出口(11)通过粉末输送通道(3)与同轴送粉喷头(4)的喷头粉末入口(6)连通，分粉器(2)内设置有分粉锥(12)，分粉锥(12)的截面直径向下逐渐增大。
4.根据权利要求1所述用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置，其特征在于：汇聚式进粉管道(15)顶端的截面直径小于底端的截面直径，汇聚式进粉管道(15)从低端至顶端呈截面逐渐缩小的中空椎体结构；出粉管道(16)顶端的截面直径大于底端的截面直径，出粉管道(16)从顶端至底端呈截面逐渐缩小的中空椎体结构。
5.根据权利要求2或3所述用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置，其特征在于：同轴送粉喷头(4)包括激光通道(5)、喷头粉末输送管(7)、环形包围式冷却水舱(9)、进水管(8)和排水管，同轴送粉喷头(4)为椎体结构，激光通道(31)竖直开设在同轴送粉喷头(4)中心的轴线上，环形包围式冷却水舱(9)设置在激光通道(31)的外侧，环形包围式冷却水舱(9)的顶端相对设置进水管(8)和排水管，喷头粉末输送管(7)均匀设置在环形包围式冷却水舱(9)的外侧，喷头粉末输送管(7)的延长线相交于同轴送粉喷头(4)中心轴线上。
6.一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉方法，其特征在于：采用权利要求1～5任一项所述气雾化混粉装置，具体步骤如下：
1)根据混粉锥体的锥角和进粉管的汇聚角度制备高通量混粉器；
2)根据粉末动能E和进粉管的汇聚角度θ，计算出汇聚角θ送粉管道中粉末的动能E1，再根据气流量和混粉腔的体积范围计算出送粉量M的范围；
3)混粉过程包括粉末雾化和粉末混合两个阶段，在粉末雾化阶段，不同种类的粉末以氩气或/和氮气为载流气体，在气体流量≥16L/min的条件下，喷射进入混粉腔内，粉末流冲击到混粉锥体表面时，实现粉末的雾化；在粉末雾化的过程中，不同粉末雾化的重叠区域处，实现粉末初步混合；在粉末混合阶段，雾化后的不同种类粉末均匀分布在混粉腔内，粉末颗粒依靠自身的惯性和载流气体的动能，与混粉腔内壁面反复发生碰撞，反复的碰撞过程促进粉末的混合，形成均匀的混合粉体；
4)均匀混合粉经粉末输送通道输送至同轴送粉喷头进行激光增材制造。
7.根据权利要求6所述用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉方法，其特征在于：粉末动能E的表达式为：
式中：E-粉末动能，ρp-粉末密度，R-粉末粒径，vp-粉末速度；
汇聚角θ送粉管道中粉末的动能E1为
E1＝E·sinθ
式中：θ-送粉管道的汇聚角。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111538591.4A CN114160814B (zh) | 2021-12-15 | 2021-12-15 | 一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置及混粉方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111538591.4A CN114160814B (zh) | 2021-12-15 | 2021-12-15 | 一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置及混粉方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114160814A CN114160814A (zh) | 2022-03-11 |
| CN114160814B true CN114160814B (zh) | 2024-03-15 |
Family
ID=80486886
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111538591.4A Active CN114160814B (zh) | 2021-12-15 | 2021-12-15 | 一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置及混粉方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114160814B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116372194A (zh) * | 2023-05-29 | 2023-07-04 | 成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司 | 一种适用于金属材料高通量制造的装置及方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CH670399A5 (en) * | 1987-05-07 | 1989-06-15 | Frederic Dietrich | Powder mixer with conical container - in circuit for powder entrained in pulsed air |
| CN105665727A (zh) * | 2016-01-23 | 2016-06-15 | 山东理工大学 | 自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法 |
| US9403134B2 (en) * | 2014-04-16 | 2016-08-02 | Gea Egi Energiagazdalkodasi Zrt | Method for producing a material mixture of powder or granular state material and liquid |
| CN212348367U (zh) * | 2019-11-21 | 2021-01-15 | 重庆安德瑞源科技有限公司 | 混粉器 |
| CN212632196U (zh) * | 2020-06-24 | 2021-03-02 | 重庆安德瑞源科技有限公司 | 一种混粉的分离装置 |
| CN112676580A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-20 | 天津辉锐激光科技有限公司 | 一种具备混粉功能的送粉系统 |
| CN113564588A (zh) * | 2021-08-27 | 2021-10-29 | 南京辉锐光电科技有限公司 | 一种激光熔覆送粉设备及送粉方法 |
-
2021
- 2021-12-15 CN CN202111538591.4A patent/CN114160814B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CH670399A5 (en) * | 1987-05-07 | 1989-06-15 | Frederic Dietrich | Powder mixer with conical container - in circuit for powder entrained in pulsed air |
| US9403134B2 (en) * | 2014-04-16 | 2016-08-02 | Gea Egi Energiagazdalkodasi Zrt | Method for producing a material mixture of powder or granular state material and liquid |
| CN105665727A (zh) * | 2016-01-23 | 2016-06-15 | 山东理工大学 | 自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法 |
| CN212348367U (zh) * | 2019-11-21 | 2021-01-15 | 重庆安德瑞源科技有限公司 | 混粉器 |
| CN212632196U (zh) * | 2020-06-24 | 2021-03-02 | 重庆安德瑞源科技有限公司 | 一种混粉的分离装置 |
| CN112676580A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-20 | 天津辉锐激光科技有限公司 | 一种具备混粉功能的送粉系统 |
| CN113564588A (zh) * | 2021-08-27 | 2021-10-29 | 南京辉锐光电科技有限公司 | 一种激光熔覆送粉设备及送粉方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114160814A (zh) | 2022-03-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2219789B1 (en) | Device and method for producing aerosol | |
| CN110181067B (zh) | 一种复合式气雾化制粉设备 | |
| CN105689718B (zh) | 一种复相增强金属基复合材料的成形系统和方法 | |
| CN114160814B (zh) | 一种用于金属材料激光增材制造的气雾化混粉装置及混粉方法 | |
| EP3689512B1 (en) | Metal powder producing apparatus | |
| CN1972754B (zh) | 喷雾装置和用于流化床粒化的方法 | |
| CN105665720A (zh) | 自由降落式混粉气雾化磁性磨料制备双级雾化装置 | |
| CN105618772B (zh) | 一种结构参数可调的超音速雾化喷嘴 | |
| CN105252009A (zh) | 一种微细球形钛粉末的制造方法 | |
| CN113857484A (zh) | 一种减少卫星粉的气雾化制粉装置 | |
| EP3085475B1 (en) | Powder manufacturing apparatus and powder forming method | |
| CN212217096U (zh) | 制备超细低氧近球形金属粉末的喷盘装置 | |
| CN105618773A (zh) | 一种用于制备3d打印金属粉末的气雾化装置 | |
| JPS5910961B2 (ja) | ヨウユウキンゾクオビリユウカスルホウホウ オヨビ ソウチ | |
| CN206104891U (zh) | 一种用于制备微细球形粉体的气雾化喷嘴 | |
| KR20210101086A (ko) | 유체분사노즐 조립체 | |
| CN202131286U (zh) | 催化裂化雾化进料喷嘴 | |
| CN102319899A (zh) | 一种两级加速固体雾化装置 | |
| JPS6141707A (ja) | 粉末金属製造装置 | |
| CN217252824U (zh) | 一种用于制备金属粉末的环缝雾化喷嘴装置 | |
| CN105728727A (zh) | 实现颗粒输送和液态金属中空射流的喷射沉积装置及方法 | |
| CN202263937U (zh) | 一种两级加速固体雾化装置 | |
| CN210787369U (zh) | 一种用于粉体材料合成的喷射反应器 | |
| CN1304149C (zh) | 复合材料喷射成形中心掺混式喷嘴 | |
| JPS6350404A (ja) | 金属粉末製造用噴霧ノズル |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |