CN114559047A - 一种制备金属基复合材料粉末的真空感应气雾化设备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于真空感应气雾化制粉设备技术领域，具体涉及一种制备金属基复合材料粉末的真空感应气雾化设备，包括熔炼系统、雾化系统、粉末收集系统和保护系统，在熔炼过程中一级超声搅拌机构和机械搅拌机构配合使用，可以利用超声空化作用、声流效应与机械动能作用，使熔炼炉中的复合材料混合更加均匀，提高工作效率；熔炼后的物料从导流管流入雾化室，雾化室为直立的双层水冷夹套结构，高压气体喷嘴提供高压高速气流，将液态复合材料粉碎为小液滴并快速冷凝成粉末，将高速气流的动能转化为新生粉末的表面能，雾化介质为氩气或氮气等惰性气体，二级超声发生器产生的超声波可产生超声波能场耦合气体雾化协同作用，使得混合均匀的熔融液滴进一步分散破碎为更细的粉末，同时能够减少卫星球的发生。

Description

一种制备金属基复合材料粉末的真空感应气雾化设备
技术领域
本发明属于真空感应气雾化制粉设备技术领域，具体涉及一种制备金属基复合材料粉末的真空感应气雾化设备。
背景技术
金属基复合材料是以金属及其合金为基体，无机非金属的纤维、晶须、颗粒等为增强体，复合而成的新材料，其具有高比强度、高比模量和低膨胀系数等优点，广泛应用于国防军工、航空航天、汽车、船舶等多个领域，但是金属基复合材料的制备相对困难。目前3D打印制造成本低、效率高，可实现精密制造，是制备金属基复合材料核心技术之一。采用3D打印制备金属基复合材料的关键是要制备球形度好、氧含量低、粒度细小，增强体分布均匀的粉末原料。粉末性能的优劣直接影响3D打印产品的质量。以上表明球形度好、氧含量低、粒度细小，增强体分布均匀的金属基复合材料粉末的制备尤为重要。
目前，制备金属球形粉末多采用传统气雾化制粉方法，但是气雾化在制备金属基复合材料粉末方面较为困难，主要原因是纳米增强体在基体中的团聚现象和润湿性差等问题严重影响粉末质量，导致粉末均匀性差、球形度不高、粒径较大等问题普遍存在，严重影响了后续3D打印等技术加工产品的性能，基于此，研究一种制备金属基复合材料粉末的真空感应气雾化设备是必要的。
发明内容
针对现有设备存在的缺陷和问题，本发明提供一种制备金属基复合材料粉末的真空感应气雾化设备，有效的解决了现有设备中存在的制备高性能的金属基复合材料粉末较为困难，粉末均匀性差、球形度不高、粒径较大，严重影响了后续3D打印等技术加工产品的性能的问题。
本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种制备金属基复合材料粉末的真空感应气雾化设备，包括熔炼系统、雾化系统、粉末收集系统和保护系统；所述熔炼系统包括熔炼炉、坩埚、一级超声搅拌机构和机械搅拌机构，所述坩埚安装在熔炼炉内，且在两者之间均匀设置有感应加热线圈，所述熔炼炉的上部安装有炉盖，炉盖上设置有进料斗，所述坩埚下表面的中心处固定有导流管，所述一级超声搅拌机构和机械搅拌机构均设置在熔炼炉上；所述雾化系统包括雾化室和二级超声发生器，所述雾化室固定在熔炼炉的正下方，所述导流管贯穿延伸至雾化室内，所述雾化室内顶壁均匀固定有高压气体喷嘴，高压气体喷嘴与导流管对应设置，所述二级超声发生器设于雾化室内壁上侧；所述粉末收集系统包括出料斗、气动雾化粉末输送管和风机，所述雾化室的下段锥形底部与出料斗适配相连通，所述气动雾化粉末输送管的输入端与出料斗的中部相连通，所述气动雾化粉末输送管的输出端与风机的输入端相连通，所述风机的输出端固定有雾化粉末收集罐；所述保护系统包括抽真空管和保护气体管，所述抽真空管与保护气体管均连接于雾化室的外壁。
进一步的，所述一级超声搅拌机构包括超声波发生器、超声装置密封安装接口和超声波导入杆，所述超声装置密封安装接口固定在炉盖上，其中部滑动套装有超声波导入杆，超声波导入杆的上端固定有超声波发生器，其下端内侧壁上固定有与坩埚同心对应的导环，所述超声波导入杆上部内壁固定有横向的超声提拉杆。
进一步的，所述机械搅拌机构包括机械提拉杆、机械装置密封安装接口和搅拌叶片，所述机械装置密封安装接口固定在炉盖的中心，其中部滑动套装有搅拌传动轴，所述搅拌传动轴的上端与动力电机相连，其上部外壁固定有机械提拉杆，其下部外壁均匀设置有搅拌叶片。
进一步的，所述搅拌叶片为双层涡轮式叶片。
进一步的，所述导流管上设置有加热线圈。
进一步的，所述二级超声发生器与高压气体喷嘴平行安装，且与导流管的夹角为30-60°。
进一步的，所述搅拌传动轴上表面的中部均匀开设有降温槽，所述搅拌传动轴上端转动套装有密封套，所述密封套上设置进水管和吸水管，进水管的一端和吸水管的一端均连接有水泵，水泵的一侧连接有循环水箱，所述进水管末端延伸至降温槽上端，吸水管末端延伸至降温槽下端。
进一步的，所述坩埚上表面固定有环形支架，所述环形支架的中部设置有定心套。
进一步的，所述坩埚内安装有与其内壁适配的环形座，所述环形座内底壁的四周均匀设置有转轮。
本发明的有益效果：通过熔炼系统的设置，使用时用进料斗把物料倒进熔炼炉的坩埚内，然后控制感应加热线圈对物料进行加热使其溶解，熔炼后的物料从导流管流出，感应加热线圈均匀设置可以使物料受热均匀，提高物料溶解速率，在熔炼过程中一级超声搅拌机构和机械搅拌机构配合使用，可以利用超声空化作用、声流效应与机械动能作用，使熔炼炉中的复合材料混合更加均匀，提高工作效率。
通过雾化系统的设置，使用时熔炼后的物料从导流管流入雾化室，雾化室为直立的双层水冷夹套结构，高压气体喷嘴提供高压高速气流，将液态复合材料粉碎为小液滴并快速冷凝成球形粉末，将高速气流的动能转化为新生粉末的表面能，雾化介质为氩气或氮气等惰性气体，二级超声发生器产生的超声波可产生超声波能场耦合气体雾化协同作用，使得混合均匀的熔融液滴进一步分散破碎为更细的粉末，同时能够减少卫星球的发生。
通过粉末收集系统和保护系统的设置，使用时雾化后的金属基复合材料粉末落入雾化室锥形底部，风机提供风力使粒径更细小的粉末从气动雾化粉末输送管进入雾化粉末收集罐，粗粉从出料斗落出，实现细粉与粗粉筛分收集，且收集更加高效，同时粗粉可循环利用，降低生产成本；抽真空管连接抽气设备可以便于把雾化室内的空气抽出，使雾化室内部持续保持真空状态，通过保护气体管为雾化室内通入保护气体，避免雾化后的金属基复合材料粉末与空气发生反应，使设备使用更加安全高效。
通过超声波发生器、超声装置密封安装接口和超声波导入杆的配合设置，使用时超声波发生器提供超声，配合超声波导入杆可以利用超声空化作用、声流效应使熔炼炉中的复合材料混合更加均匀，提高工作效率，在竖直方向控制超声提拉杆，可带动超声波导入杆上下移动，使超声波导入杆放入或远离坩埚中的复合材料熔液，控制超声时间，超声波导入杆下端内侧壁上固定有与坩埚同心对应的导环，可使超声能量分散均匀，实现熔融的复合材料熔液均匀化处理。
通过机械提拉杆、机械装置密封安装接口和搅拌叶片的配合设置，使用时动力电机提供动力，带动搅拌传动轴转动，从而带着搅拌叶片对熔炼炉中的复合材料进行搅拌，使复合材料混合更加均匀，受热更加全面，在垂直方向控制机械提拉杆，可带动搅拌传动轴和搅拌叶片上下移动，使搅拌叶片放入或远离坩埚中的复合材料熔液，方便控制机械搅拌时间。
通过搅拌叶片的设置，搅拌叶片为双层涡轮式叶片，设备运行时，搅拌传动轴带动搅拌叶片转动，使得上层与底层熔液向中心汇合，形成对流循环，使复合材料熔液中的增强体材料进一步分散均匀；通过导流管的设置，在其外壁缠绕加热线圈，可以使熔融液滴冷却速度减缓，有利于增加粉末球形度，同时，防止导流管堵塞。
由此，本发明结构新颖，使用时用进料斗把物料倒进熔炼炉的坩埚内，然后控制感应加热线圈对物料进行加热使其溶解，熔炼后的物料从导流管流出，感应加热线圈均匀设置可以使物料受热均匀，提高物料溶解速率，在熔炼过程中一级超声搅拌机构和机械搅拌机构配合使用，可以利用超声空化作用、声流效应与机械动能作用，使熔炼炉中的复合材料混合更加均匀，提高工作效率；熔炼后的物料从导流管流入雾化室，雾化室为直立的双层水冷夹套结构，高压气体喷嘴提供高压高速气流，将液态复合材料粉碎为小液滴并快速冷凝成粉末，将高速气流的动能转化为新生粉末的表面能，雾化介质为氩气或氮气等惰性气体，二级超声发生器产生的超声波可产生超声波能场耦合气体雾化协同作用，使得混合均匀的熔融液滴进一步分散破碎为更细的粉末，同时能够减少卫星球的发生；雾化后的金属基复合材料粉末落入雾化室锥形底部，风机提供风力使粒径更细小的粉末从气动雾化粉末输送管进入雾化粉末收集罐，粗粉从出料斗落出，实现细粉与粗粉筛分收集，且收集更加高效，同时粗粉可循环利用，降低生产成本；抽真空管连接抽气设备可以便于把雾化室内的空气抽出，使雾化室内部持续保持真空状态，通过保护气体管为雾化室内通入保护气体，避免雾化后的金属基复合材料粉末与空气发生反应，使设备使用更加安全高效。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中一级超声搅拌机构的结构示意图。
图3为本发明中机械搅拌机构的结构示意图。
图4为本发明中搅拌传动轴的剖视结构示意图。
图5为本发明中环形座的轴测结构示意图。
图6为本发明中环形座的剖视结构示意图。
图中的标号为：1为熔炼炉，2为坩埚，3为感应加热线圈，4为炉盖，5为进料斗，6为导流管，7为雾化室，8为二级超声发生器，9为高压气体喷嘴，10为出料斗，11为气动雾化粉末输送管，12为风机，13为雾化粉末收集罐，14为抽真空管，15为保护气体管，16为超声波发生器，17为超声装置密封安装接口，18为超声波导入杆，19为导环，20为超声提拉杆，21为机械提拉杆，22为机械装置密封安装接口，23为搅拌叶片，24为搅拌传动轴，25为降温槽，26为密封套，27为进水管，28为吸水管，29为水泵，30为循环水箱，31为环形支架，32为定心套，33为环形座，34为转轮。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1：本实施例旨在提供一种制备金属基复合材料粉末的真空感应气雾化设备，主要用于金属基复合材料粉末的制备工作中，以便解决目前气雾化设备制备高性能的金属基复合材料粉末较为困难，粉末均匀性差、球形度不高、粒径较大，严重影响了后续3D打印等技术加工产品的性能的问题，基于此，本实施例主要针对气雾化设备，设置了熔炼系统、雾化系统、粉末收集系统和保护系统。
具体的结构中，如图1-3中所示，一种制备金属基复合材料粉末的真空感应气雾化设备，包括熔炼系统、雾化系统、粉末收集系统和保护系统；熔炼系统包括熔炼炉1、坩埚2、一级超声搅拌机构和机械搅拌机构，坩埚2安装在熔炼炉1内，且在两者之间均匀设置有感应加热线圈3，熔炼炉1的上部安装有炉盖4，炉盖4上设置有进料斗5，坩埚2下表面的中心处固定有导流管6，一级超声搅拌机构和机械搅拌机构均设置在熔炼炉1上；通过熔炼系统的设置，使用时用进料斗5把物料倒进熔炼炉1的坩埚2内，然后控制感应加热线圈3对物料进行加热使其溶解，熔炼后的物料从导流管6流出，感应加热线圈3，均匀设置可以使物料受热均匀，提高物料溶解速率，在熔炼过程中一级超声搅拌机构和机械搅拌机构配合使用，可以利用超声空化作用、声流效应与机械动能作用，使熔炼炉1中的复合材料混合更加均匀，提高工作效率。
雾化系统包括雾化室7和二级超声发生器8，雾化室7固定在熔炼炉1的正下方，导流管6贯穿延伸至雾化室7内，雾化室7内顶壁均匀固定有高压气体喷嘴9，高压气体喷嘴9与导流管6对应设置，二级超声发生器8设于雾化室7内壁上侧；通过雾化系统的设置，使用时熔炼后的物料从导流管6流入雾化室7，雾化室7为直立的双层水冷夹套结构，高压气体喷嘴9提供高压高速气流，将液态复合材料粉碎为小液滴并快速冷凝成粉末，将高速气流的动能转化为新生粉末的表面能，雾化介质为氩气或氮气等惰性气体，二级超声发生器8产生的超声波可产生超声波能场耦合气体雾化协同作用，使得混合均匀的熔融液滴进一步分散破碎为更细的粉末，同时能够减少卫星球的发生。
粉末收集系统包括出料斗10、气动雾化粉末输送管11和风机12，雾化室7的下段锥形底部与出料斗10适配相连通，气动雾化粉末输送管11的输入端与出料斗10的中部相连通，气动雾化粉末输送管11的输出端与风机12的输入端相连通，风机12的输出端固定有雾化粉末收集罐13；保护系统包括抽真空管14和保护气体管15，抽真空管14与保护气体管15均连接于雾化室7的外壁；通过粉末收集系统和保护系统的设置，使用时雾化后的金属基复合材料粉末落入雾化室7锥形底部，风机12提供风力使粒径更细小的粉末从气动雾化粉末输送管11进入雾化粉末收集罐13，粗粉从出料斗10落出，实现细粉与粗粉筛分收集，且收集更加高效，同时粗粉可循环利用，降低生产成本；抽真空管14连接抽气设备可以便于把雾化室7内的空气抽出，使雾化室7内部持续保持真空状态，通过保护气体管15为雾化室7内通入保护气体，避免雾化后的金属基复合材料粉末与空气发生反应，使设备使用更加安全高效。
本实施例中，使用时用进料斗5把物料倒进熔炼炉1的坩埚2内，然后控制感应加热线圈3对物料进行加热使其溶解，熔炼后的物料从导流管6流出，感应加热线圈3，均匀设置可以使物料受热均匀，提高物料溶解速率，在熔炼过程中一级超声搅拌机构和机械搅拌机构配合使用，可以利用超声空化作用、声流效应与机械动能作用，使熔炼炉1中的复合材料混合更加均匀，提高工作效率；熔炼后的物料从导流管6流入雾化室7，雾化室7为直立的双层水冷夹套结构，高压气体喷嘴9提供高压高速气流，将液态复合材料粉碎为小液滴并快速冷凝成粉末，将高速气流的动能转化为新生粉末的表面能，雾化介质为氩气或氮气等惰性气体，二级超声发生器8产生的超声波可产生超声波能场耦合气体雾化协同作用，使得混合均匀的熔融液滴进一步分散破碎为更细的粉末，同时能够减少卫星球的发生；雾化后的金属基复合材料粉末落入雾化室7锥形底部，风机12提供风力使粒径更细小的粉末从气动雾化粉末输送管11进入雾化粉末收集罐13，粗粉从出料斗10落出，实现细粉与粗粉筛分收集，且收集更加高效，同时粗粉可循环利用，降低生产成本；抽真空管14连接抽气设备可以便于把雾化室7内的空气抽出，使雾化室7内部持续保持真空状态，通过保护气体管15为雾化室7内通入保护气体，避免雾化后的金属基复合材料粉末与空气发生反应，使设备使用更加安全高效。
实施例2：本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：本实施例对一级超声搅拌机构具体结构的进一步说明。
具体的结构中，如图2-3中所示，一级超声搅拌机构包括超声波发生器16、超声装置密封安装接口17和超声波导入杆18，超声装置密封安装接口17固定在炉盖4上，其中部滑动套装有超声波导入杆18，超声波导入杆18的上端固定有超声波发生器16，其下端内侧壁上固定有与坩埚2同心对应的导环19，超声波导入杆18上部内壁固定有横向的超声提拉杆20；通过超声波发生器16、超声装置密封安装接口17和超声波导入杆18的配合设置，使用时超声波发生器16提供超声，配合超声波导入杆18可以利用超声空化作用、声流效应使熔炼炉1中的复合材料混合更加均匀，提高工作效率，在竖直方向控制超声提拉杆20，可带动超声波导入杆18上下移动，使超声波导入杆18放入或远离坩埚2中的复合材料熔液，控制超声时间，超声波导入杆18下端内侧壁上固定有与坩埚2同心对应的导环19，可使超声能量分散均匀，实现熔融的复合材料熔液均匀化处理。
机械搅拌机构包括机械提拉杆21、机械装置密封安装接口22和搅拌叶片23，机械装置密封安装接口22固定在炉盖4的中心，其中部滑动套装有搅拌传动轴24，搅拌传动轴24的上端与动力电机相连，其上部外壁固定有机械提拉杆21，其下部外壁均匀设置有搅拌叶片23；通过机械提拉杆21、机械装置密封安装接口22和搅拌叶片23的配合设置，使用时动力电机提供动力，带动搅拌传动轴24转动，从而带着搅拌叶片23对熔炼炉1中的复合材料进行搅拌，使复合材料混合更加均匀，受热更加全面，在垂直方向控制机械提拉杆21，可带动搅拌传动轴24和搅拌叶片23上下移动，使搅拌叶片23放入或远离坩埚2中的复合材料熔液，方便控制机械搅拌时间。
实施例3：本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：本实施例对搅拌叶片23具体结构的进一步说明。
具体的结构中，如图1和3中所示，搅拌叶片23为双层涡轮式叶片；通过搅拌叶片23的设置，搅拌叶片23为双层涡轮式叶片，设备运行时，搅拌传动轴24带动搅拌叶片23转动，使得上层与底层熔液向中心汇合，形成对流循环，使复合材料熔液中的增强体材料进一步分散均匀。
导流管6上设置有加热线圈；通过导流管6的设置，在其外壁缠绕加热线圈，可以使熔融液滴冷却速度减缓，有利于增加粉末球形度，同时，防止导流管堵塞。
二级超声发生器8与高压气体喷嘴9平行安装，且与导流管6的夹角为30-60°；通过二级超声发生器8的设置，二级超声发生器8与高压气体喷嘴9平行安装，且与导流管6的夹角为30-60°，二级超声发生器8对液态复合材料的作用位置更加有利。
实施例4：本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：本实施例对搅拌传动轴24具体结构的进一步说明。
具体的结构中，如图1-6中所示，搅拌传动轴24上表面的中部均匀开设有降温槽25，搅拌传动轴24上端转动套装有密封套26，密封套26上设置进水管27和吸水管28，进水管27的一端和吸水管28的一端均连接有水泵29，水泵29的一侧连接有循环水箱30，进水管27末端延伸至降温槽25上端，吸水管28末端延伸至降温槽25下端；通过降温槽25、密封套26、进水管27和吸水管28的配合设置，使用时密封套26转动套装在搅拌传动轴24，可以在保障不影响搅拌传动轴24转动的情况下，把进水管27和吸水管28插入降温槽25内，控制水泵29通过进水管27把冷却液加入到降温槽25内，可以对搅拌传动轴24进行降温，避免其持续受热受损，水泵29通过吸水管28可以把降温槽25内升温的冷却液吸出，然后经过循环水箱30降温，进水管27末端延伸至降温槽25上端，吸水管28末端延伸至降温槽25下端，配合循环水箱30可以形成一个水循环，可以持续对搅拌传动轴24进行降温，提高设备使用寿命。
坩埚2上表面固定有环形支架31，环形支架31的中部设置有定心套32；通过环形支架31的设置，搅拌传动轴24转动时是悬空的，通过环形支架31上的定心套32可以对搅拌传动轴24提供定位支撑，避免转动乱晃，从而避免设备受损，同时也提高了搅拌效率。
坩埚2内安装有与其内壁适配的环形座33，环形座33内底壁的四周均匀设置有转轮34；通过环形座33的设置，为了避免设备受损，搅拌叶片23往往比较短，搅拌范围就比较小，导致物料受热不够均匀，在坩埚2内安装与其内壁适配的环形座33，搅拌叶片23转动时会带动物料转动，从而会带动环形座33上的转轮34转动，这样就可以增大搅拌范围，对物料搅拌更加均匀，加快物料受热熔炼速率。

Claims (9)

1.一种制备金属基复合材料粉末的真空感应气雾化设备，其特征在于：包括熔炼系统、雾化系统、粉末收集系统和保护系统；所述熔炼系统包括熔炼炉、坩埚、一级超声搅拌机构和机械搅拌机构，所述坩埚安装在熔炼炉内，且在两者之间均匀设置有感应加热线圈，所述熔炼炉的上部安装有炉盖，炉盖上设置有进料斗，所述坩埚下表面的中心处固定有导流管，所述一级超声搅拌机构和机械搅拌机构均设置在熔炼炉上；所述雾化系统包括雾化室和二级超声发生器，所述雾化室固定在熔炼炉的正下方，所述导流管贯穿延伸至雾化室内，所述雾化室内顶壁均匀固定有高压气体喷嘴，高压气体喷嘴与导流管对应设置，所述二级超声发生器设于雾化室内壁上侧；所述粉末收集系统包括出料斗、气动雾化粉末输送管和风机，所述雾化室的下段锥形底部与出料斗适配相连通，所述气动雾化粉末输送管的输入端与出料斗的中部相连通，所述气动雾化粉末输送管的输出端与风机的输入端相连通，所述风机的输出端固定有雾化粉末收集罐；所述保护系统包括抽真空管和保护气体管，所述抽真空管与保护气体管均连接于雾化室的外壁。
2.根据权利要求1所述的一种制备金属基复合材料粉末的真空感应气雾化设备，其特征在于：所述一级超声搅拌机构包括超声波发生器、超声装置密封安装接口和超声波导入杆，所述超声装置密封安装接口固定在炉盖上，其中部滑动套装有超声波导入杆，超声波导入杆的上端固定有超声波发生器，其下端内侧壁上固定有与坩埚同心对应的导环，所述超声波导入杆上部内壁固定有横向的超声提拉杆。
3.根据权利要求1所述的一种制备金属基复合材料粉末的真空感应气雾化设备，其特征在于：所述机械搅拌机构包括机械提拉杆、机械装置密封安装接口和搅拌叶片，所述机械装置密封安装接口固定在炉盖的中心，其中部滑动套装有搅拌传动轴，所述搅拌传动轴的上端与动力电机相连，其上部外壁固定有机械提拉杆，其下部外壁均匀设置有搅拌叶片。
4.根据权利要求3所述的一种制备金属基复合材料粉末的真空感应气雾化设备，其特征在于：所述搅拌叶片为双层涡轮式叶片。
5.根据权利要求1所述的一种制备金属基复合材料粉末的真空感应气雾化设备，其特征在于：所述导流管上设置有加热线圈。
6.根据权利要求1所述的一种制备金属基复合材料粉末的真空感应气雾化设备，其特征在于：所述二级超声发生器与高压气体喷嘴平行安装，且与导流管的夹角为30-60°。
7.根据权利要求3所述的一种制备金属基复合材料粉末的真空感应气雾化设备，其特征在于：所述搅拌传动轴上表面的中部均匀开设有降温槽，所述搅拌传动轴上端转动套装有密封套，所述密封套上设置进水管和吸水管，进水管的一端和吸水管的一端均连接有水泵，水泵的一侧连接有循环水箱，所述进水管末端延伸至降温槽上端，吸水管末端延伸至降温槽下端。
8.根据权利要求1所述的一种制备金属基复合材料粉末的真空感应气雾化设备，其特征在于：所述坩埚上表面固定有环形支架，所述环形支架的中部设置有定心套。
9.根据权利要求1所述的一种制备金属基复合材料粉末的真空感应气雾化设备，其特征在于：所述坩埚内安装有与其内壁适配的环形座，所述环形座内底壁的四周均匀设置有转轮。
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