CN114367668A - 一种3d打印球形金属粉末处理喷嘴、方法和制造装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种3D打印球形金属粉末处理喷嘴、方法和制造装置，涉及金属粉末冷却的技术领域；包括圆环状气腔，圆环状气腔套设于雾化粉末的发散区外，还包括气嘴，所述气嘴设置于圆环状气腔的下端并与所述圆环状气腔连通，所述气嘴与圆环状气腔下端形成一定角度朝内设置且沿着所述圆环状气腔下端分布，所述角度取决于所述雾化粉末的温度区间分布；通过上述技术方案可以解决金属粉末冷却球化过于缓慢以及金属粉末畸形，卫星粉较多的问题。
Description
技术领域
本发明涉及金属粉末冷却技术领域，尤其是涉及一种3D打印球形金属粉末处理喷嘴、方法和制造装置。
背景技术
微细球形金属粉末是增材制造(3D打印)、金属注射成形、热等静压和涂敷等技术的重要原材料。气雾化法是微细球形金属粉末的主要制备方法之一，其原理是通过高速运动的气体(雾化介质)冲击将熔融金属破碎成小熔滴，熔滴在雾化室内飞行过程中由于表面张力的作用发生球化，并快速凝结成不同粒径的球形或近球形金属粉末颗粒，最后被分级系统收集在粉罐。
现有技术的真空气雾化制粉设备将合金料熔融为金属液，倒入中间包，高压惰性气体通过雾化器将金属液破碎成微小液滴，在自身应力下形成金属粉末，金属粉末通过风机气流引导进入收粉罐，在收粉罐中冷却2小时，然后倒入周转罐中，此时粉末表面温度约为100℃-130℃，还需再放置2小时粉末温度才会降低约30°，之后再进行分级筛分，该种方法粉末冷却时间过长，严重影响生产效率。
其次，熔体在一次雾化和二次雾化技术后，金属仍为熔融状态，即使细小金属液滴相互碰撞、熔合，但在表面张力的作用下，呈现球形状态；而当金属液滴处于半凝固状态时，即表面凝固状态，但其芯部还处于熔融状态时，此时金属液滴相互碰撞，由于表面张力无法作用于半凝固状态的金属液滴的外表，或表面张力太小，使得凝固后的金属粉末畸形，卫星粉较多，在3D打印过程中容易出现搭桥等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种3D打印球形金属粉末处理喷嘴、方法和制造装置。通过在雾化室内安装一个圆环状气腔，圆环状气腔上连接冷却气体，气嘴将冷却气体喷射到预定温度区间的雾化粉末发散区，一方面快速进行气体冷热置换，加速金属粉末冷却球化的效果；另一方面，此时金属液滴处于半凝固状态，即使金属液滴之间产生粘连，在高压气体的作用下，将粘连的金属粉末吹散，以解决现有技术中金属粉末畸形，卫星粉较多的问题。
本发明提供的一种3D打印球形金属粉末处理喷嘴，包括圆环状气腔，所述圆环状气腔套设于雾化粉末的发散区外，且圆环状气腔的内直径为所述圆环状气腔所处位置处发散区直径的1.2-1.5倍；气嘴，所述气嘴设置于圆环状气腔的下端并与所述圆环状气腔连通，所述气嘴与气腔下端形成一定角度朝内设置，所述角度取决于所述雾化粉末的温度区间分布。
进一步的，所述气嘴的远端形成的圆形直径不小于所述圆环状气腔的内直径。
进一步的，所述气嘴朝内的角度为40-60°。
进一步的，所述雾化粉末的温度区间为熔体熔点的75％-95％。
进一步的，所述圆环状气腔中的冷却气体压力为1-2Mpa。
进一步的，所述气嘴为环孔结构或者环缝结构。
进一步的，当所述气嘴结构为环孔结构时，所述气嘴的孔径为2-3mm，数量为8-10个。
进一步的，当所述气嘴结构为环缝结构时，所述气嘴环缝缝隙的宽度为0.4-0.7mm。
本发明还提供一种3D打印球形金属粉末的制备方法，该制备方法采用以上所述的3D打印球形金属粉末处理喷嘴实现，其制备方法包括以下步骤：金属熔体流经气雾化喷嘴时，被高速气流破碎成金属液滴后继续向下跌落；当金属液滴凝固且进入到一定温度区间后，进入所述金属粉末处理喷嘴的作用范围，被高速气流二次冲击，粘连的金属粉末被分离并快速冷却凝固，便获得球形金属粉末。
本发明还提供一种金属粉末制造装置，该装置采用以上所述的金属粉末处理喷嘴或3D打印球形金属粉末的制备方法来对金属粉末进行冷却处理。
本发明提供一种3D打印球形金属粉末处理喷嘴、方法以及制造装置，通过在雾化室增加一套圆环状气腔，圆环状气腔下端设置有气嘴，所述气嘴与气腔成预定角度设置，且冷却气体直接通过气嘴作用到指定温度区间的金属粉末发散区，一方面，加速冷却刚刚成型的粉末，减少粉末在收集罐中的冷却时间，另外，该温度区间的液体处于半凝固状态，通过高压冷却气体吹散粘结的金属粉末，防止金属粉末之间的粘连，使金属粉末球形度和流动性得到有效提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例提供的3D打印球形金属粉末处理喷嘴安装结构示意图；
图2为本发明实施例提供的3D打印球形金属粉末处理喷嘴结构示意图；
图3A为本发明实施例提供的环孔结构气嘴示意图；
图3B为本发明实施例提供的环缝结构气嘴示意图；
图4为本发明提供的实施例一所制备的金属粉末放大图；
图5为对比例1所制备的金属粉末放大图。
图标：1-金属粉末处理喷嘴；2-发散区；10-圆环状气腔；11-气嘴；110-环缝缝隙；R1-圆环状气腔内直径；R2-发散区直径；R3-气嘴远端形成圆形直径；T1、T2-发散区等温线；d-气嘴朝内角度；0-冷却气体相交点。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种3D打印球形金属粉末处理喷嘴1，如图1所示，所述金属粉末处理喷嘴1设置于雾化室中且位于所述气雾化喷嘴的正下方，所述气雾化喷嘴可以为单个喷嘴也可以为多个喷嘴，对所述金属熔体进行雾化；金属粉末处理喷嘴1包括圆环状气腔10，圆环状气腔10套设于雾化粉末的发散区2外，所述发散区2为金属液滴在雾化喷嘴的作用下所形成的锥体发散区域，所述圆环状气腔10的内直径未所述圆环状气腔10所处位置处发散区直径的1.2-1.5倍，防止金属液滴凝结于所述金属粉末处理喷嘴1上，如图1所示，R1为圆环状气腔10的内直径，所述R2为圆环状气腔10所处位置处发散区直径，R1是R2的1.2-1.5倍；该金属粉末处理喷嘴1还包括气嘴11，所述气嘴11设置在圆环状气腔10的下端，并且与圆环状气腔10连通，圆环状气腔10中的冷却气体通过气嘴11喷射到特定温度区间的发散区内，所述气嘴11与所述圆环状气腔10的下端形成一定角度α朝内设置，使得气嘴11的出气方向朝向发散区域的特定温度区间，而该特定温度区间与金属粉末的球化质量密切相关。
本发明通过将冷却气体以一定的角度喷入到预设温度区间的发散区，一方面加大了金属粉末的冷却效率，另一方面，在预设温度区间内，所述金属熔体处于半凝固状态，金属粉末之间结合力较弱，在一定冷却气体压力下可以将金属粉末分离，减少卫星粉和畸形粉。
具体的，气嘴11中以α角度朝向所述发散区吹高压冷却气体，所述冷却气体相交于一点O，所述冷却气体所形成的路径均处于预设温度区间内，所述温度区间示意图如图1所示，其中T1和T2为发散区的等温线，当所述气体行走的路径在T1和T2之间时，可以提高金属粉末球化质量，卫星粉、畸形粉较少。所述温度T1和T2在金属熔体熔点的75％-95％温度区间的取值。
所述气嘴11的远端形成的圆形直径不小于所述圆环状气腔10的内直径，如图2所示，圆环状气腔10的内直径为R1，气嘴11的远端形成的圆形直径R3不小于圆环状气腔10的内直径，即直径R3要大于或等于R1，防止气嘴11伸入所述发散区2中，造成熔融金属液滴沉积于喷嘴上部，其次由于喷嘴的直径较小，也进一步防止凝固后的金属粉末阻塞气嘴11，造成事故。
具体的，所述气嘴11朝向金属粉末发散区的角度α为40-60°，该角度的范围与发散区等温线形貌以及温度区间相关，气嘴11在该角度范围内吹出的气体可以满足冷却气体所通过的路径均在金属熔体熔点的75％-95％内。
所述圆环状气腔10中的冷却气体压力为1-2Mpa，冷却气体在该压力作用下在圆环状气腔10中通过气嘴11喷入发散区2中，一方面满足对高温金属粉末的冷却，另一方面满足对粘连的金属粉末的分离。
具体的，所述气嘴11为环孔结构或者环缝结构，当其为环孔结构时，如图3A所示，当所述气嘴11为环孔结构时，所述气嘴11的孔径为2-3mm，气嘴11的数量为8-10个；当气嘴11为环缝结构时，如图3B所示，环缝缝隙110为出气口，所述环缝缝隙110的宽度为0.4-0.7mm，优选为0.6-0.65mm。
本实施例还提供一种3D打印球形金属粉末的制备方法，该制备方法采用以上所述的3D打印球形金属粉末处理喷嘴实现，该制备方法具体包括以下步骤：金属溶液经过气雾化喷嘴时，被高速气流初步破碎成金属液滴后继续向下跌落，当金属液滴凝固且到达雾化粉末的温度区间时，进入到所述金属粉末处理喷嘴的作用范围，被高速气流二次冲击，粘连的金属粉末被分离并快速冷却凝固，便获得球形化金属粉末。
本实施例还提供一种金属粉末制造装置，该装置采用上述的3D打印球形金属粉末处理喷嘴或3D打印球形金属粉末的制备方法。
实施例1
以高温合金GH4169为例，对本发明的内容进行详细的介绍，GH4196高温合金熔体流经气雾化喷嘴4时，被高速气流破碎成微小金属液滴，金属液滴向下跌落进入金属粉末发散区域，当金属液滴凝固并且进入到预定温度区间后，金属粉末处理喷嘴对所述金属粉末进行吹扫；金属粉末处理喷嘴采用环孔结构，气嘴数量为8个，孔径为2mm，其套设在在金属粉末发散区域外侧，圆环状气腔10的内直径为所述发散区直径的1.3倍；高温合金GH4169的熔点温度为1350℃左右，而该种合金适合的温度区间范围为熔体熔点温度的75％-95％，即1012-1282℃，本实施例选择的温度范围为1100-1200℃；当角度α为48°，冷却气体刚好喷射在温度区间1100-1200℃内，圆环状气腔10中的冷却气体压力为1.5Mpa，其制备后的GH4169金属粉末如图4所示。
对比例1
与实施例1不同的是，对比例1未采用该金属粉末处理喷嘴所制备出的GH4169金属粉末，其制备后的GH4169金属粉末如图5所示。
可以看出采用本发明提供的金属粉末处理喷嘴1可以大大降低金属粉末的畸形及减少卫星粉，提高了金属粉末的品质。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、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3D打印球形金属粉末处理喷嘴，其特征在于，包括：
圆环状气腔，所述圆环状气腔套设于雾化粉末的发散区外，且圆环状气腔的内直径为所述圆环状气腔所处位置处发散区直径的1.2-1.5倍；
气嘴，所述气嘴设置于圆环状气腔的下端并与所述圆环状气腔连通，所述气嘴与所述圆环状气腔下端形成一定角度朝内设置，所述角度取决于所述雾化粉末的温度区间分布。
2.根据权利要求1所述的金属粉末处理喷嘴，所述气嘴的远端形成的圆形直径不小于所述圆环状气腔的内直径。
3.根据权利要求1-2任一所述的金属粉末处理喷嘴，所述角度为40-60°。
4.根据权利要求1-2任一所述的金属粉末处理喷嘴，所述温度区间为熔体熔点的75-95％。
5.根据权利要求1-2任一所述的金属粉末处理喷嘴，所述圆环状气腔中的冷却气体压力为1-2Mpa。
6.根据权利要求1-2任一所述的金属粉末处理喷嘴，所述气嘴为环孔结构或者环缝结构。
7.根据权利要求6所述的金属粉末处理喷嘴，当所述气嘴为环孔结构时，所述气嘴的孔径为2-3mm，数量为8-10个。
8.根据权利要求6所述的金属粉末处理喷嘴，当所述气嘴为环缝结构时，环缝缝隙的宽度为0.4-0.7mm。
9.一种3D打印球形金属粉末的制备方法，其特征在于采用权利要求1至8中任一项所述3D打印球形金属粉末处理喷嘴实现，其包括如下步骤：金属熔体流经气雾化喷嘴时，被高速气流破碎成金属液滴后继续向下跌落；当金属液滴凝固且进入到一定温度区间后，进入所述金属粉末处理喷嘴的作用范围，被高速气流二次冲击，粘连的金属粉末被分离并快速冷却凝固，便获得球形金属粉末。
10.一种金属粉末的制造装置，其特征在于，采用权利要求1-8任一所述的金属粉末处理喷嘴或权利要求9的3D打印球形金属粉末的制备方法。
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