CN209998374U - 一种微观组织可控的制备金属粉体的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微观组织可控的制备金属粉体的系统，所述系统包括：制粉腔室、旋转电极、等离子体炬、粉体收集罐、粉体输运管道，所述旋转电极、所述等离子体炬的工作面位于所述制粉腔室内，所述制粉腔室与所述粉体收集罐通过所述粉体输运管道相连，其特征在于，所述粉体收集罐外部设置有温度控制系统，控制所述粉体收集罐的温度，金属粉体在所述粉体收集罐内进行热处理。本实用新型通过在金属粉体制备过程中金属粉体经过的区域设置温度控制系统，通过金属粉体与液态热交换介质的热交换，实现对所制备金属粉体的热处理，获得微观组织结构可控的金属粉体。

Description

一种微观组织可控的制备金属粉体的系统

技术领域

本实用新型涉及粉体冶金领域，具体涉及一种微观组织可控的制备金属粉体的系统。

背景技术

随着科技进步和产业发展需求的推动，金属粉体材料得到越来越多的重视和推广应用，利用金属粉体材料、采用3D打印的方法，快速制造个性化金属制品，已经成为新潮流。目前金属粉体材料制备方法可以归为三类：采用金属化合物为原材料，通过分解还原得到金属粉体的还原法；利用块体金属材料为电极，通过电化学过程的电解法；以及工业上最常采用的雾化法，通过加热等方式使得块体金属液化或气化，然后在环境气氛作用下快速冷却，形成金属粉体。

获得组织结构可控的金属粉体，对于采用金属粉体获得更高、更可靠性能的金属制品，具有极为关键的意义和必要性。但是迄今为止，所有金属制粉技术，所获得的金属粉体的微观组织，都是基于其制粉工艺下自然获得的组织结构，尚未发现有从微观组织结构角度来改进制粉技术的设备。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种微观组织可控的制备金属粉体的系统，解决现有技术制粉过程中无法控制粉体的微观组织的问题。

为解决上述问题，本实用新型提供了一种微观组织可控的制备金属粉体的系统，所述系统包括：制粉腔室、旋转电极、等离子体炬、粉体收集罐、粉体输运管道，所述旋转电极、所述等离子体炬的工作面位于所述制粉腔室内，所述制粉腔室与所述粉体收集罐通过所述粉体输运管道相连，所述粉体收集罐外部设置有温度控制系统，控制所述粉体收集罐的温度，金属粉体在所述粉体收集罐内进行热处理。

优选地，所述温度控制系统包括粉体收集罐的换热腔室、液态热交换介质循环管道、液态热交换介质恒温箱，所述粉体收集罐的换热腔室设置在所述粉体收集罐外围，与所述液态热交换介质恒温箱通过所述液态热交换介质循环管道连接，形成液态热交换介质回路。

优选地，所述制粉腔室和/或所述粉体输运管道的外围设置有制粉腔室和/或所述粉体输运管道的换热腔室，与所述液态热交换介质恒温箱通过所述液态热交换介质循环管道连接，形成液态热交换介质回路。

优选地，所述液态热交换介质恒温箱为1个时，所述液态热交换介质恒温箱与所述制粉腔室的换热腔室、所述粉体输运管道的换热腔室和/或所述粉体收集罐的换热腔室之间的液态热交换介质回路串联和/或并联。

优选地，所述液态热交换介质恒温箱大于等于2个时，所述制粉腔室的换热腔室、所述粉体输运管道的换热腔室和/或所述粉体收集罐的换热腔室可以与相同或不同的所述液态热交换介质恒温箱相连。

优选地，所述液态热交换介质材料为水，或者低温态的液氮、液氦、液氨、液态二氧化碳、无机盐溶液，或者高温态的热油、熔盐、无机盐溶液。

优选地，所述液态热交换介质循环管道、所述粉体收集罐的换热腔室、所述制粉腔室的换热腔室和/或所述粉体输运管道的换热腔室的外面包裹有隔热材料。

优选地，延长所述粉体输运管道1～10倍。

本实用新型相比于现有技术的有益效果在于：本实用新型通过在金属粉体制备过程中金属粉体经过的区域设置温度控制系统，通过金属粉体与液态热交换介质的热交换，实现对所制得金属粉体的热处理，获得微观组织结构可控的金属粉体，实现旋转电极法金属粉体更精确、可靠的应用，对于采用金属粉体获得更高、更可靠性能的金属制品，具有极为关键的意义和必要性。

附图说明

图1是根据本实用新型的一个实施方式的微观组织可控的制备金属粉体的系统的结构示意图；

图2是根据本实用新型的另一个实施方式的微观组织可控的制备金属粉体的系统的结构示意图。

附图标号：

1.制粉腔室；2.旋转电极；3.等离子体炬；4.粉体输运管道；5.粉体收集罐；6.粉体收集罐的换热腔室；7.第一液态热交换介质循环管道；8.第一液态热交换介质恒温箱；9.制粉腔室的换热腔室；10.第二液态热交换介质循环管道；11.第二液态热交换介质恒温箱；12.粉体输运管道的换热腔室；13.第三液态热交换介质循环管道；14.第三液态热交换介质恒温箱。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型上述的和此外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的部分实施例，而不是全部实施例。

本实用新型的微观组织可控的制备金属粉体的系统如图1所示，所述系统包括：制粉腔室1、旋转电极2、等离子体炬3、粉体输运管道4和粉体收集罐5。旋转电极2和等离子体炬3与制粉腔室1密封连接，并且旋转电极2和等离子体炬3同轴设置，两者的工作面位于制粉腔室1内，制粉腔室1与粉体收集罐5通过粉体输运管道4相连，粉体收集罐5外部设置有温度控制系统，控制粉体收集罐5的温度，金属粉体在粉体收集罐5内进行热处理。

粉体收集罐5外部设置的温度控制系统包括粉体收集罐的换热腔室6、第一液态热交换介质循环管道7、第一液态热交换介质恒温箱8。粉体收集罐的换热腔室6设置在粉体收集罐5的外围，包裹在粉体收集罐5外壁的外面。粉体收集罐的换热腔室6设有第一液态热交换介质的进口和出口，分别与第一液态热交换介质循环管道7连接，第一液态热交换介质循环管道7与第一液态热交换介质恒温箱8的进口和出口连接，形成第一液态热交换介质回路。第一液态热交换介质恒温箱8内设有换热器，可以储存和形成温度稳定的液态热交换介质。从第一液态热交换介质恒温箱8流出的第一液态热交换介质，通过第一液态热交换介质循环管道7进入粉体收集罐的换热腔室6，形成热交换后，第一液态热交换介质温度改变并通过第一液态热交换介质循环管道7返回第一液态热交换介质恒温箱8，在第一液态热交换介质恒温箱8内通过换热器再形成原来的恒定温度，并再次输出到粉体收集罐的换热腔室6，循环往复，维持流入粉体收集罐的换热腔室6的第一液态热交换介质温度恒定。

制粉腔室1器壁外部设置有温度控制系统，温度控制系统结构与粉体收集罐5的温度控制系统类似，包括制粉腔室的换热腔室9、第二液态热交换介质循环管道10、第二液态热交换介质恒温箱11。制粉腔室的换热腔室9设置在制粉腔室1的外围，包裹在制粉腔室1外壁的外面。制粉腔室的换热腔室9设有第二液态热交换介质的进口和出口，分别与第二液态热交换介质循环管道10连接，第二液态热交换介质循环管道10与第二液态热交换介质恒温箱11的进口和出口连接，形成第二液态热交换介质回路。第二液态热交换介质恒温箱11内设有换热器，可以储存和形成温度稳定的液态热交换介质。第二液态热交换介质在制粉腔室的换热腔室9、第二液态热交换介质循环管道10、第二液态热交换介质恒温箱11循环往复，维持流入制粉腔室的换热腔室9的第二液态热交换介质温度恒定。

粉体输运管道4器壁外部设置有温度控制系统，温度控制系统结构与粉体收集罐5的温度控制系统类似，包括粉体输运管道的换热腔室12、第三液态热交换介质循环管道13、第三液态热交换介质恒温箱14。粉体输运管道的换热腔室12设置在粉体输运管道4的外围，包裹在粉体输运管道4外壁的外面。粉体输运管道的换热腔室12设有第三液态热交换介质的进口和出口，分别与第三液态热交换介质循环管道13连接，第三液态热交换介质循环管道13与第三液态热交换介质恒温箱14的进口和出口连接，形成第三液态热交换介质回路。第三液态热交换介质恒温箱14内设有换热器，可以储存和形成温度稳定的液态热交换介质。第三液态热交换介质在粉体输运管道的换热腔室12、第三液态热交换介质循环管道13、第三液态热交换介质恒温箱14循环往复，维持流入粉体输运管道的换热腔室12的第三液态热交换介质温度恒定。

相比常规的金属粉体制备装置的粉体输运管道，本发明延长粉体输运管道4的长度1～10倍，可以增加粉体在粉体输运管道4中的通过时间，也就是延长了金属粉体在粉体输运管道4的热处理时间。

制粉腔室1和粉体输运管道4的温度控制系统根据待制备金属粉体所需的微观组织结构确定，可以不设置或者其中之一或者两个都设置温度控制系统。

液态热交换介质恒温箱的数目根据待制备金属材料的热处理工艺与微观组织之间的关系确定。如果仅需在一个温度下进行热处理，所需液态热交换介质恒温箱为1个，液态热交换介质恒温箱与制粉腔室的换热腔室9、粉体输运管道的换热腔室12和/或粉体收集罐的换热腔室6之间的液态热交换介质回路串联和/或并联。

如果需要分段热处理，使金属粉体在不同温区进行热处理，则需要相应数目的液态热交换介质。制粉腔室的换热腔室9、粉体输运管道的换热腔室12和/或粉体收集罐的换热腔室6之间的液态热交换介质回路可以与相同的液态热交换介质恒温箱相连也可以与不同的液态热交换介质恒温箱相连。如图1所示，粉体收集罐的换热腔室6、制粉腔室的换热腔室9和粉体输运管道的换热腔室12分别与不同的液态热交换介质恒温箱相连。另一个实施方式如图2所示，粉体输运管道的换热腔室12和粉体收集罐的换热腔室6串联，二者共用第一液态热交换介质恒温箱8；制粉腔室的换热腔室9单独与第三液态热交换介质恒温箱14相连。

如果分段热处理超过3段，可在粉体输运管道4上面设置不同的换热腔室予以实现。

液态热交换介质材料为水，或者低温态的液氮、液氦、液氨、液态二氧化碳、无机盐溶液，或者高温态的热油、熔盐、无机盐溶液。一切具有流体特性、能够在换热腔室循环流动、对液态热交换介质回路材料没有明显或者高速破坏作用的液态热交换介质材料，均可作为液态热交换介质材料。液态热交换介质恒温箱内介质的温度，因使用的液态热交换介质材料的不同，其恒温温度不同。高温介质，如热油等，恒温温度高达上百度；低温介质，如液氮等，则是零下数百度；常温的介质，如水或水溶液，则是零下数度到数十度之间。液态热交换介质在液态热交换介质恒温箱内实现恒温的方法，与该介质形成该温度的方法相同，例如，对于热油等高温液态热交换介质，采用加热的方法；对于冰水介质，采用压缩机制冷的方法；对于液氮等超低温介质，采用绝热膨胀方法等。液态热交换介质循环过程中的流量，根据换热功率确定，一般要求液态热交换介质的流量至少具有最低换热功率所需要的热流能力，例如旋转电极2制粉过程中，如果等离子体炬3的输入功率为100kW，如果根据热处理原理计算要求其中有20kW的功率需要通过热交换散出，则设计的液态热交换介质系统整体带走热量的能力至少为20kW，如果液态热交换介质带走热量的功率密度为1kW/L·s，则需要的液态热交换介质的流量为20L/s。

液态热交换介质温度与环境温度相差较大时，需要在液态热交换介质流经的回路，包括液态热交换介质循环管道、粉体收集罐的换热腔室6、制粉腔室的换热腔室9和/或粉体输运管道的换热腔室12的外面包裹有隔热材料，以降低能耗。

制备微观组织可控的金属粉体的方法，所述方法包括如下步骤：

a.制粉环境准备：将制粉腔室1的空气利用真空系统抽出，然后通入所需的惰性气体到指定压强；

b.启动液态热交换介质循环；

c.启动待制粉棒料制作的旋转电极2开始旋转、递进；

d.启动等离子体炬3开始工作；

e.等离子体炬3产生的电弧等离子体使得旋转电极2棒料的端部开始液化，液化的金属在高速旋转作用下形成液滴被甩出，液滴在惰性气体气氛中冷却固化，形成待热处理的固态粉体；

f.待热处理的固态粉体，首先落到制粉腔室1器壁，接着在重力作用下，流过粉体输运管道4，在此过程中，粉体即通过制粉腔室1器壁和/或粉体输运管道4器壁与液态热交换介质进行热交换，开始进行热处理；

g.待处理的固态粉体，最后落入粉体收集罐5，通过粉体收集罐5的器壁，持续与液态热交换介质进行热交换，完成最终热处理，得到满足微观组织要求的金属粉体；

h.完成制粉后，依次关闭等离子体炬3、旋转电极2的旋转动作、通入制粉腔室的换热腔室9和粉体输运管道的换热腔室12的液态热交换介质，在进入粉体收集罐5的金属粉体充分完成热处理后，关闭通入粉体收集罐的换热腔室6的液态热交换介质。

在使用微观组织可控的制备金属粉体的系统工作前，先确定待制备金属粉体所需要的微观组织结构；根据待制备金属材料的热处理工艺与微观组织之间的关系，确定金属粉体制备过程中所需液态热交换介质的种类及所需要的温度；根据待制备金属粉体粒度特征，获得该粉体从形成固体颗粒到到达所需热处理温度所需要的时间；根据所需要的热处理时间，确定液态热交换介质与制粉机构的接触面积；如果需要分段热处理，制粉腔室的换热腔室9、粉体输运管道的换热腔室12和/或粉体收集罐5的换热腔室分别与具有不同温度的液态热交换介质恒温箱相连，进行分段热处理。

实施例一：

参考图2，以制备微观组织为淬火态的45#碳钢粉体为例。微观组织可控的制备金属粉体的系统包括：制粉腔室1、旋转电极2、等离子体炬3、粉体输运管道4和粉体收集罐5。制粉腔室1为不锈钢制造，腔室立式圆柱结构，尺寸为：直径2000mm、高度500mm，侧立放置。旋转电极2输入的原材料棒料的直径为80mm，等离子体炬3的最大输入功率为300kW，旋转电极2和等离子体炬3安装在制粉腔室1的圆形平面的中心，相互正对。输运管道长度为2000mm，输运管道的上部位于制粉腔室1的底部，输运管道下部与粉体收集罐5相通。

粉体收集罐5外部设置有温度控制系统，包括粉体收集罐的换热腔室6、第一液态热交换介质循环管道7、第一液态热交换介质恒温箱8。粉体收集罐的换热腔室6和粉体输运管道的换热腔室12串联，二者共用第一液态热交换介质恒温箱8。第一液态热交换介质为液态氮，液态氮的温度保持在-196℃。从第一液态热交换介质恒温箱8流出的液态氮通过第一液态热交换介质循环管道7进入粉体收集罐的换热腔室6，然后进入粉体输运管道的换热腔室12，经过热交换后，液态氮温度改变并通过第一液态热交换介质循环管道7返回第一液态热交换介质恒温箱8，在第一液态热交换介质恒温箱8内通过换热器再形成原来的恒定温度，并再次输出到粉体收集罐的换热腔室6，循环往复，形成第一液态热交换介质回路。为了降低能量损耗，在第一液态热交换介质循环管道7、粉体收集罐的换热腔室6、粉体输运管道的换热腔室12的外面包裹有隔热材料。

制粉腔室1的温度控制系统包括制粉腔室的换热腔室9、第二液态热交换介质循环管道10、第二液态热交换介质恒温箱11。第二液态热交换介质为水，第二液态热交换介质恒温箱11利用冰水机保持水温为27℃。从第二液态热交换介质恒温箱11流出的水通过第二液态热交换介质循环管道10进入制粉腔室的换热腔室9，经过热交换后，水温改变并通过第二液态热交换介质循环管道10返回第二液态热交换介质恒温箱11，在第二液态热交换介质恒温箱11内通过冰水机再形成原来的恒定温度，并再次输出到制粉腔室的换热腔室9，循环往复，形成第二液态热交换介质回路。

制粉工艺过程为：

将加工好的45#碳钢棒料安装在旋转电极2上，对制粉腔室1通过抽真空排除制粉腔室1内的空气，然后通入氩气至制粉腔室1内的压强达到1.5个大气压。棒料旋转速度为8万转/分，等离子体炬3工作功率为100kW，等离子体炬3的钨电极与棒料的端部保持间距为5cm，通过步进电机推动棒料不断向等离子体炬3方向进给，进给速率为2mm/s。工艺过程中制粉腔室1内的压强保持1.8个大气压不变，循环水的流量5t/h，液氮的循环流量为10L/min。

等离子体炬3产生的电弧等离子体使得旋转电极2棒料的端部开始液化，液化的金属在高速旋转作用下形成液滴被甩出，液滴在氩气气氛中冷却固化，形成待热处理的固态粉体。待热处理的固态粉体，首先落到制粉腔室1器壁，接着在重力作用下，流过粉体输运管道4，在此过程中，粉体即通过制粉腔室1器壁和粉体输运管道4器壁与液态热交换介质进行热交换，开始进行热处理。待处理的固态粉体，最后落入粉体收集罐5，通过粉体收集罐5的器壁，持续与液态热交换介质进行热交换，完成最终热处理，得到满足微观组织要求的金属粉体。

完成制粉后，依次关闭等离子体炬3、旋转电极2的旋转动作、通入制粉腔室的换热腔室9和粉体输运管道的换热腔室12的液态热交换介质；在进入粉体收集罐5的金属粉体充分完成热处理后，关闭通入粉体收集罐的换热腔室6的液态热交换介质。

将得到的金属粉体，利用光学和电子显微镜分析发现，所得粉体具有典型马氏体结构；利用显微硬度计测试其强度表明，该粉体的硬度达到维氏硬度1000Hv，远高于常规雾化法得到的硬度。

本实用新型通过在金属粉体制备过程中经过的区域设置温度控制系统，通过金属粉体与液态热交换介质的热交换，实现对所得金属粉体的热处理，获得微观组织结构可控的金属粉体，实现旋转电极法金属粉体更精确、可靠的应用，对于采用金属粉体获得更高、更可靠性能的金属制品，具有极为关键的意义和必要性。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述的仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

Claims (8)

1.一种微观组织可控的制备金属粉体的系统，所述系统包括：制粉腔室、旋转电极、等离子体炬、粉体收集罐、粉体输运管道，所述旋转电极、所述等离子体炬的工作面位于所述制粉腔室内，所述制粉腔室与所述粉体收集罐通过所述粉体输运管道相连，其特征在于，所述粉体收集罐外部设置有温度控制系统，控制所述粉体收集罐的温度，金属粉体在所述粉体收集罐内进行热处理。

2.根据权利要求1所述的微观组织可控的制备金属粉体的系统，其特征在于，所述温度控制系统包括粉体收集罐的换热腔室、液态热交换介质循环管道、液态热交换介质恒温箱，所述粉体收集罐的换热腔室设置在所述粉体收集罐外围，与所述液态热交换介质恒温箱通过所述液态热交换介质循环管道连接，形成液态热交换介质回路。

3.根据权利要求2所述的微观组织可控的制备金属粉体的系统，其特征在于，所述制粉腔室和/或所述粉体输运管道的外围设置有制粉腔室和/或粉体输运管道的换热腔室，与所述液态热交换介质恒温箱通过所述液态热交换介质循环管道连接，形成液态热交换介质回路。

4.根据权利要求3所述的微观组织可控的制备金属粉体的系统，其特征在于，所述液态热交换介质恒温箱为1个时，所述液态热交换介质恒温箱与所述制粉腔室的换热腔室、所述粉体输运管道的换热腔室和/或所述粉体收集罐的换热腔室之间的液态热交换介质回路串联和/或并联。

5.根据权利要求3所述的微观组织可控的制备金属粉体的系统，其特征在于，所述液态热交换介质恒温箱大于等于2个时，所述制粉腔室的换热腔室、所述粉体输运管道的换热腔室和/或所述粉体收集罐的换热腔室可以与相同或不同的所述液态热交换介质恒温箱相连。

6.根据权利要求2～5任一项所述的微观组织可控的制备金属粉体的系统，其特征在于，所述液态热交换介质材料为水，或者低温态的液氮、液氦、液氨、液态二氧化碳、无机盐溶液，或者高温态的热油、熔盐、无机盐溶液。

7.根据权利要求3～5任一项所述的微观组织可控的制备金属粉体的系统，其特征在于，所述液态热交换介质循环管道、所述粉体收集罐的换热腔室、所述制粉腔室的换热腔室和/或所述粉体输运管道的换热腔室的外面包裹有隔热材料。

8.根据权利要求1所述的微观组织可控的制备金属粉体的系统，其特征在于，延长所述粉体输运管道1～10倍。

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