CN115090891A - 一种等离子旋转电极雾化制粉设备与制粉方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种等离子旋转电极雾化制粉设备与制粉方法，涉及制粉技术领域。该制粉设备包括驱动装置、雾化室以及超声波发生器。雾化室内设置有正对电极棒料的等离子发生器；超声波发生器设置在雾化室内，作用于电极棒料端面上由棒料熔融形成的熔池，以使熔池的表面张力降低。本发明利用超声波发生器发出的超声波作用于电极棒料的端面上熔融的液体熔池，加大熔池的原子振动，使原子间距加大，原子间距的增大使熔池的界面张力减小，熔池的界面张力减小使制得的粉末粒径减小，由此制得更小粒径的粉末。本发明突破了相关技术中由于有限的棒料转速而导致的粉末粒径无法减小的限制，制备得到了更多、更小粒径的粉末，提高了细粒径粉末的得率和球形率。
Description
技术领域
本发明涉及制粉技术领域，尤其涉及一种等离子旋转电极雾化制粉设备与制粉方法。
背景技术
球形金属粉末是增材制造和粉末冶金领域的关键原料，对其工艺技术和制品的性能具有重大影响。随着航空航天、电子、机械、生物医疗等领域的飞速发展，对增材制造和粉末冶金技术提出了更高的要求和挑战。因此，金属粉末作为增材制造和粉末冶金工艺的关键原料，其性能和生产制造能力需要达到更高的要求。因此，高品质球形金属粉末已经成为近年来研发和产业发展的重点。
等离子旋转电极雾化制粉（PREP）技术是一种基于高速旋转离心雾化原理的金属粉体制备方法，利用PREP技术生产的粉末性能优异，具有氧含量低、球形度高、内部缺陷少、少无卫星粉等优点。但由于受困于设备极限转速的限制，现有PREP技术所制备的金属粉末往往粒度无法很好地满足以激光选区熔化成形(SLM)为代表的粉床熔化成形技术对粉末的需求。
因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。
需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种等离子旋转电极雾化制粉设备与制粉方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
本发明的第一方面提供一种等离子旋转电极雾化制粉设备，所述制粉设备包括：
驱动装置，所述驱动装置和电极棒料连接，所述驱动装置用于带动电极棒料进行高速旋转；
雾化室，所述雾化室内设置有正对所述电极棒料的等离子发生器，所述等离子发生器用于对所述电极棒料进行熔融；
超声波发生器，所述超声波发生器设置在所述雾化室内，且所述超声波发生器作用于所述电极棒料端面上由棒料熔融形成的熔池，以使所述熔池的表面张力降低。
优选的，所述超声波发生器的数量为两个或两个以上。
优选的，所述超声波发生器的工作频率为20kHz~100kHz。
优选的，所述超声波发生器的功率为3kW-30kW。
优选的，所述超声波发生器和所述电极棒料的端面之间的距离为8cm-50cm。
优选的，所述驱动装置包括旋转主轴和送进机构，所述旋转主轴的一端和所述电极棒料连接，所述旋转主轴的另一端和所述送进机构相连接。
优选的，所述制粉设备还包括：
抽真空装置，所述抽真空装置与所述雾化室相连通，用于对所述雾化室进行抽真空。
优选的，所述制粉设备还包括：
惰性气体填充装置，所述惰性气体填充装置和所述雾化室相连通，用于向所述雾化室充入惰性气体。
优选的，所述等离子发生器为等离子枪。
本发明的第二方面提供一种等离子旋转电极雾化制粉方法，采用以上任一项所述的等离子旋转电极雾化制粉设备进行粉末制备。
本发明可以实现以下有益效果：
本发明中，利用超声波发生器发出的超声波作用于电极棒料的端面上熔融的液体熔池，加大熔池的原子振动，使原子间距加大，原子间距的增大使熔池的界面张力减小，熔池的界面张力减小使得制得的粉末粒径减小，由此制得更小粒径的粉末。本发明突破了相关技术中由于有限的棒料转速而导致的粉末粒径无法减小的限制，制备得到了更多、更小粒径的粉末，提高了细粒径粉末的制备得率，同时也显著提高了粉末的球形度。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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示出本发明实施例中的等离子旋转电极雾化制粉设备的结构示意图。
附图标记：
100、驱动装置；200、雾化室；300、超声波发生器；400、电极棒料；500、等离子发生器。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
本发明实施例首先提供了一种等离子旋转电极雾化制粉设备，请参考图1，所述制粉设备包括：驱动装置100、雾化室200以及超声波发生器300。
具体地，所述驱动装置100用于带动电极棒料400进行高速旋转，所述电极棒料400在所述驱动装置100的带动下进入所述雾化室200内，在制粉工作开始时，开启驱动装置100的旋转功能使所述电极棒料400进行高速旋转。
所述雾化室200内设置有正对所述电极棒料400的等离子发生器500，所述等离子发生器500会发出等离子弧，等离子弧作用于所述电极棒料400的端面，使所述电极棒料400的端面发生熔融。所述电极棒料400的端面熔融后会在高速旋转的离心力的作用下被甩出，从而形成液滴，经过后续的冷却等过程最终形成粉末。
所述超声波发生器300设置在所述雾化室200内，且所述超声波发生器300作用于所述电极棒料400的端面上，所述超声波发生器300是在所述电极棒料400熔融之后但是还未形成液滴之前（即熔融后形成液滴前），所述电极棒料400熔融之后形成熔池，超声波携带的能量作用到熔池上，会加速液态熔池内原子（例如金属原子）的振动，发生振动的粒子所在的区域将产生局部膨胀，熔池界面处的原子间距比其他地方的原子间距要大。根据如下公式1的弗伦克尔Frenkel双电层理论，原子间距的增大会使张力急剧减小。随着超声波作用的持续，液态金属熔池的表面张力持续降低。
根据Frenkel电子理论，液体表面张力的计算公式如下：
公式1中，σ为液体表面张力，Z为价电子数，e为电子电荷，R为原子间的距离。
根据雾化制粉粉末粒度计算公式，见以下公式2，可知，熔池表面的张力γ减小，得到的粉末粒度会随之减小。
公式2中，ρ表示液态金属密度，D表示电极棒料400或旋转盘直径，γ表示液态金属的表面张力，ω表示电极棒料400或旋转盘的旋转角速度，η是一个无量纲修正因子。
综上，液态金属的表面张力与粉末粒径呈反比。受超声波作用的液态金属熔池表面张力降低，随后液态熔池在离心力的作用下被雾化破碎为更加细小的粉末。
本发明中，利用超声波发生器300发出的超声波作用于电极棒料400的端面上熔融的液体熔池，加大熔池的原子振动，使原子间距加大，原子间距的增大使熔池的界面张力减小，熔池的界面张力减小使得制得的粉末粒径减小，由此制得更小粒径的粉末。本发明突破了相关技术中由于有限的棒料转速而导致的粉末粒径无法减小的限制，制备得到了更多、更小粒径的粉末，提高了细粒径粉末的制备得率，同时也显著提高了粉末的球形度。
需要重点指出的是，本发明的技术原理与相关技术中的技术原理不同。相关技术中，利用超声波制备金属粉末的技术原理为：利用超声波的换能器将电能转换为机械能，利用机械能直接作用于熔化后形成的液体，将液体进行机械破碎，从而制备出更小粒径的粉末。
可选的，在一些实施例中，所述超声波发生器300的数量为两个或两个以上，可以围绕所述电极棒料400均匀设置。
可选的，在一些实施例中，所述超声波发生器300的工作频率为20kHz~100kHz，例如可以为25kHz、30kHz、40kHz、50kHz、80kHz等等，但也不限于此。
可选的，在一些实施例中，所述超声波发生器300功率为3-30kW，例如可以为5kW、10kW、15kW、20kW等等，但也不限于此。根据电极棒料400的材质进行对应超声波发生器300功率的选择。
可选的，在一些实施例中，所述超声波发生器300和所述电极棒料400的端面之间的距离为8-50cm，例如可以为10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、40cm等等，但也不限于此。根据电极棒料400的材质、所要制备的目标粉末的粒径进行对应距离的选择。
可选的，在一些实施例中，所述驱动装置100包括旋转主轴和送进机构，所述旋转主轴的一端和所述电极棒料400连接，所述旋转主轴的另一端和所述送进机构相连接。所述电极棒料400由送进机构进行水平位置的移动，由旋转主轴进行高速旋转，为制粉提供必须的工艺条件。
可选的，在一些实施例中，所述制粉设备还包括：抽真空装置。所述抽真空装置与所述雾化室200相连通，用于对所述雾化室200进行抽真空。部分电极棒料400在制备粉末时，例如一些金属粉末，需要摒除氧气等，以制备所需质量的金属粉末。因此，需要对雾化室200内的氧气等进行抽离。
可选的，在一些实施例中，所述制粉设备还包括：惰性气体填充装置。所述惰性气体填充装置和所述雾化室200相连通，用于向所述雾化室200充入惰性气体。多数金属粉末的制备需要在惰性气体的保护下进行，利用惰性气体填充装置向雾化室200内充入惰性气体，以使制粉工作顺利进行。
可选的，在一些实施例中，所述等离子发生器500为等离子枪，等离子枪可以产生等离子弧，等离子弧作用于电极棒料400上，以使电极棒料400产生熔融，从而制备金属粉体。
下面列出几个具体的试验例对本发明的粉末的制备过程以及粉末得率进行说明。
试验例1
1、制备金属高温合金IN718棒料，将IN718棒料制备成Ф75×400mm规格电极棒，要求圆度偏差小于0.05mm，直线度偏差小于0.01 mm/m。
2、将棒料前端置于惰性气体密闭的雾化室200内，后端连接连接棒与传动轴。
3、将雾化室200抽真空至5×10-3pa，然后充入惰性气体至0.04Mpa~0.06Mpa。
4、使用等离子旋转电极雾化制粉设备制备金属铜粉末，转速：18000r/min，熔化电流：2200A，棒料送进速度1.5mm/s，高频超声波发生器300发出频率为60000Hz的超声波作用与棒料熔池端面。
5、在相同工艺参数下，使用高频超声波的IN718棒料得到的106μm以下粉末的收率为92%，而不使用超声波的IN718棒料的106μm以下粉末收率仅为75%。
试验例2
1、制备金属不锈钢316L棒料，将316L棒料制备成Ф30×160mm规格电极棒，要求圆度偏差小于0.05mm，直线度偏差小于0.01 mm/m。
2、将棒料前端置于惰性气体密闭雾化室200内，后端连接连接棒与传动轴。
3、将雾化室200抽真空至5×10-3pa，然后充入惰性气体至0.04Mpa~0.06Mpa。
4、使用等离子旋转电极雾化制粉设备制备金属不锈钢粉末，转速：45000r/min，熔化电流：700A，棒料送进速度1.5mm/s，高频超声波发生器300发出频率为40000Hz的超声波作用于棒料熔池端面。
5、在相同工艺参数下，使用高频超声波的316L棒料的53μm以下粉末收率为85%，而不使用超声波的316L棒料的53μm以下粉末收率为52%。
试验例3
1、制备金属钛合金TC4棒料，将TC4棒料制备成Ф50×260mm规格电极棒，要求圆度偏差小于0.05mm，直线度偏差小于0.01 mm/m。
2、将棒料前端置于惰性气体密闭雾化室200内，后端连接连接棒与传动轴。
3、将雾化室200抽真空至5×10-3pa，然后充入惰性气体至0.04Mpa~0.06Mpa。
4、使用等离子旋转电极雾化制粉设备制备金属钛合金粉末，转速：24000r/min，熔化电流：1300A，棒料送进速度1.5mm/s，高频超声波发生器300发出频率为80000Hz的超声波作用于棒料熔池端面。
5、在相同工艺参数下，使用高频超声波的TC4棒料的53μm以下粉末收率为25%，而不使用超声波的TC4棒料的53μm以下粉末收率为15%。
本发明实施例还提供了一种等离子旋转电极雾化制粉方法，该方法采用上述任一个实施例所述的等离子旋转电极雾化制粉设备进行粉末制备。
需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
Claims (10)
1.一种等离子旋转电极雾化制粉设备，其特征在于，所述制粉设备包括：
驱动装置，所述驱动装置和电极棒料连接，所述驱动装置用于带动所述电极棒料进行高速旋转；
雾化室，所述雾化室内设置有正对所述电极棒料的等离子发生器，所述等离子发生器用于对所述电极棒料进行熔融；
超声波发生器，所述超声波发生器设置在所述雾化室内，且所述超声波发生器作用于所述电极棒料端面上由棒料熔融形成的熔池，以使所述熔池的表面张力降低。
2.根据权利要求1所述的等离子旋转电极雾化制粉设备，其特征在于，所述超声波发生器的数量为两个或两个以上。
3.根据权利要求1所述的等离子旋转电极雾化制粉设备，其特征在于，所述超声波发生器的工作频率为20kHz~100kHz。
4.根据权利要求1所述的等离子旋转电极雾化制粉设备，其特征在于，所述超声波发生器的功率为3kW-30kW。
5.根据权利要求1所述的等离子旋转电极雾化制粉设备，其特征在于，所述超声波发生器和所述电极棒料的端面之间的距离为8cm-50cm。
6.根据权利要求1所述的等离子旋转电极雾化制粉设备，其特征在于，所述驱动装置包括旋转主轴和送进机构，所述旋转主轴的一端和所述电极棒料连接，所述旋转主轴的另一端和所述送进机构相连接。
7.根据权利要求1所述的等离子旋转电极雾化制粉设备，其特征在于，所述制粉设备还包括：
抽真空装置，所述抽真空装置与所述雾化室相连通，用于对所述雾化室进行抽真空。
8.根据权利要求1所述的等离子旋转电极雾化制粉设备，其特征在于，所述制粉设备还包括：
惰性气体填充装置，所述惰性气体填充装置和所述雾化室相连通，用于向所述雾化室充入惰性气体。
9.根据权利要求1所述的等离子旋转电极雾化制粉设备，其特征在于，所述等离子发生器为等离子枪。
10.一种等离子旋转电极雾化制粉方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的等离子旋转电极雾化制粉设备进行粉末制备。
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